第十四讲细胞信号传导(共40张PPT)

1. 钙信号系统
胞内Ca2+信号通过其受体-钙调蛋白转导信号。
现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种 ：钙调素与钙依赖型蛋白激酶。
钙调素(calmodulin,CaM)是最重要的多功能Ca2+
信号受体，由148个氨基酸组成的单链的小分子(分子量为 17 000～19 000)酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位 点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值
14-1细胞信号传导的分子途径
在植物细胞的信号反应中，已发现有几十种信号分子。按其 作用范围可分为胞间信号分子和胞内信号分子。对于细胞信 号传导的分子途径，可分为四个阶段，即：胞间信号传递、 膜上信号转换、胞内信号转导及蛋白质可逆磷酸化
细胞信号传导的 分子途径分为四
个阶段：
1 胞间信号的传递 2 膜中信号的转换 3 胞内信号的转导 4 蛋白质的可逆磷酸化
第十四讲： 细胞信号传导 概念
植物在整个生长过程中，受到各种内 外因素的影响，这就需要植物体正确地辨 别各种信息并作出相应的反应，以确保正 常的生长和发育。例如植物的向光性能促 使植物向光线充足的方向生长，在这个过 程中，首先植物体要能感受到光线，然后 把相关的信息传递到有关的靶细胞，并诱 发胞内信号转导，调节基因的表达或改变 酶的活性，从而使细胞作出反应。这种信 息的胞间传递和胞内转导过程称为植物体 内的信号传导。
细胞内的G蛋白一般分为两大类：一类是由 三种亚基(α、β、γ)构成的异源三体G蛋白，另 一类是只含有一个亚基的单体“小G蛋白”。小 G蛋白与异源三体G蛋白α亚基有许多相似之处 。它们都能结合GTP或GDP，结合了GTP之后
都呈活化态，可以启动不同的信号转导。
三、胞内信号的转导
如果将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过程中的 初级信号或第一信使，那么则可以把由胞外刺激信号激 活或抑制的、具有生理调节活性的细胞内因子称细胞信 号传导过程中的次级信号或第二信使(second messenger)。
G蛋白的偶联功能主要靠因GTP的结合或水解而 产生的变构作用。
三. 胞内信号的转导
概念
一般将细胞外信号物质称为“第一信 使”。
第一信使与受体作用后在胞内产生的信 号物质称为“第二信使”。
目前公认的第二信使有：
Ca2+,肌醇三磷酸，二酰甘油，cAMP
图1-11 植物细胞中Ca2+的运输系统
图1-12 肌醇磷酸代谢循环过程
以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在
胞外信号被膜受体接受后，以G蛋白为中介，由
质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2而产生肌醇1,4,5-三磷酸(inositol 1,4,5-triphosphate
IP3)和二酰甘油(diacylglycerol,DG，DAG)两 种信号分子。因此，该系统又称双信号系统。在 双信号系统中，IP3通过调节Ca2+浓度，而DAG 则通过激活蛋白激酶C(PKC)来传递信息(图6-
肌醇磷脂(inositol phospholipid)是一类由磷 脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有 甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因，其总量约占 膜脂总量的1/1O左右。其肌醇分子六碳环上 的羟基被不同数目的磷酸酯化 (图6-28)，其 总量约占膜磷脂总量的1/10左右，其主要以 三种形式存在于植物质膜中：即磷脂酰肌醇 (phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰肌醇-4-磷 酸(PIP)和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。
二、膜上信号的转换
(一)受体与信号的感受
受体(receptor)
是指在效应器官细胞质膜上能与信号物 质特异性结合，并引发产生胞内次级信 号的特殊成分。受体可以是蛋白质，也 可以是一个酶系。受体和信号物质的结 合是细胞感应胞外信号，并将此信号转 变为胞内信号的第一步。
(二)G蛋白(G protein)
游信号转导过程，环核苷酸信号系统与Ca2+-CaM信号 转导系统在合成完整叶绿体过程中协同起作用(图627)。
四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化
植物体内许多功能蛋白转录后需经共价
修饰才能发挥其生理功能，蛋白质磷酸化
就是进行共价修饰的过程，蛋白质磷酸化
以及去磷酸化是分别由一组蛋白激酶
(protein
后(一般≥１０－６-1), Ca2+ 与CaM结合，引起CaM构象
改变。而活化的CaM又与靶酶结合，使其活化而引起
生理反应。目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控 ，如蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等。在以光 敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM胞内信
号起了重要的调节作用。
外界信号 刺激(红光 、低温、 重力、触 摸、植物 激素等等)
29)。
3.环核苷酸信号系统
受动物细胞信号的启发，人们最先在植物中寻找的胞 内信使是环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP)，但这方面的进 展较缓慢，在动物细胞中，cAMP依赖性蛋白激酶(蛋白 激酶A，PKA)是cAMP信号系统的作用中心。植物中也 可能存在着PKA。蔡南海实验室证实了在叶绿体光诱导 花色素苷合成过程中，cAMP参与受体G蛋白之后的下
G蛋白(G protein) 全称为GTP结合调节蛋
白(GTP binding regulatory protein)，此类蛋白由 于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷(GTP)的结合以及具有 GTP水解酶的活性而得名。在受体接受胞间信号分子到 产生胞内信号分子之间往往要进行信号转换，通常认为 是通过G蛋白偶联起来，故G蛋白又称为偶联蛋白或信 号转换蛋白。 G蛋白的发现是生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)与 罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖 。
水力学信号是由于细胞压力势的变化而产生的一种信号。 玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔的 开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。
(二)化学信号
化学信号(chemical signal)是指细胞感受刺激后合成并 传递到作用部位引起生理反应的化学物质。一般认为，植物
激素是植物体主要的胞间化学信号。如当植物根系受到水分亏缺 胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸(ABA)，ABA再通过木质部蒸 腾流输送到地上部分，引起叶片生长受抑和气孔导度的下降。而 且ABA的合成和输出量也随水分胁迫程度的加剧而显著增加。这 种随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量也随之 增加的化学信号物质称之为正化学信号(positive chemical signal)。然而在水分胁迫时，根系合成和输出细胞分裂素(CTK) 的量显著减少，这样的随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作 用位点输出量随之减少的化学信号物质称为负化学信号 (negative chemical signal)。
Ca2+信号反应在气孔关 闭过程中，与多个离 子通道的活性及H+泵 相协调。 在这个模型中，受体 （R）感受ABA的作用 导致了Ca2+的输入或 Ca2+从内部储存中的释放
，从而使得细胞质中的 自由Ca2+浓度促进了质膜
上阴离子与K+Out通道的 开放，并抑制了K+in通 道的开放。当离开细胞 的离子比进入细胞的多 时，流出细胞水的量就 会超过进入的水，如此 ，细胞就会失去膨胀作 用，从而使得气孔关闭 。
许多由蛋白 磷酸化酶传 导的信号， 级联反应和 基因表达。
MAPK—— 活化的促进 细胞分裂的 蛋白激酶 TF——转录
因子 Ras—
—一种小的
GTP酶
细胞信号传导的主要分子途径
IP3--三磷酸肌醇；DG--二酰甘油； PKA--依赖cAMP的蛋白激酶； PKCa2+--依赖Ca2+的蛋白激酶；PKC--依赖Ca2+与磷脂的蛋白激酶； PKCa2+CaM--依赖Ca2+CaM的蛋白激酶
1mm·s-1之间，最高可达4mm·s-1。
3.化学信号的木质部传递 化学信号通过集流的方式在木质部内传递。 近年来这方 面研究较多的是植物在受到土壤干旱胁迫时，根系可迅速 合成并输出某些信号物质，如ABA。 4.电信号的传递 植物电波信号的短距离传递需要通过共质体和质外体途径 ，而长距离传递则是通过维管束。对草本非敏感植物来讲 ，AP的传播速度在1～20mm·s-1之间；但对敏感植物而言， AP的传播速度高达200mm·s-1。 5.水力学信号的传递 水力学信号是通过植物体内水连续体系中的压力变化来 传递的。
(三)胞间信号的传递 当环境信号刺激的作用位点与效应位点处在植物不同部位时
，胞间信号就要作长距离的传递，高等植物胞间信号的长距离 传递，主要有以下几种。 1.易挥发性化学信号在体内气相的传递 易挥发性化学信号可通 过在植株体内的气腔网络 (air space network) 中的扩散而迅 速传递，通常这种信号的传递速度可达2mm·s-1左右。植物 激素乙烯和茉莉酸甲酯(JA-Me)均属此类信号，而且这两类化 合物在植物某器官或组织受到刺激后可迅速合成。 2.化学信号的韧皮部传递 一般韧皮部信号传递的速度在0.1～
胞内Ca2+浓 度上升，达 到阈值时
(10-6mol/L)
Ca2+与 CaM结 合，活 化CaM
活化的 CaM与酶 结合，酶 活化，引 起生理生 化反应。
植物细胞中Ca2+的运输系统
质膜与细胞器膜上的Ca2+泵和Ca2+通道，控制细胞内Ca2+的分布和浓度；胞内外信号可调节这 些Ca2+的运输系统，引起Ca2+浓度变化。在液泡内，Ca2+往往和植酸等有机酸结合。核膜的 Ca2+-ATPase在动物中发现，在植物中还不能确认。
14-2信号转导（signal transduction）
细胞内外的信号，通过细胞的转导系统
转换，引起细胞生理反应的过程。
Hale Waihona Puke 一. 胞间信号的传递返回
1. 物理信号：
电信号
是以电波形式传递的信号，是 植物体内长距离传递信息的一 种重要方式。
水力学信号 由于细胞压力势的变化而产 生的一种信号。
2. 化学信号： 植物激素是植物体主要的胞
间化学信号。
二. 膜中信号的转换
1. 受体与信号的感受 受体(receptor)：位于细胞质膜，能与信
号物质特异性结合，并引发产生次级信号 的活性物质。（蛋白质或酶系）
细胞壁—质膜—细胞骨架
2. G蛋白与信号的转换
概念
G蛋白全称为GTP结合调节蛋白，受体接
受胞间信号分子到产生胞内信号分子之间 要进行信号转换，是通过G蛋白偶联起来， 故G蛋白又称为信号转换蛋白或偶联蛋白 。
kinase)和蛋白磷酸酯酶
(protein phosphatase)所催化的，它们
是上述的几类胞内信使进一步作用的靶酶
，也即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷
酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号。
外来信号与相应的受体结合，会导致受体构象发生变化， 随后就可通过引起第二信使的释放而作用于蛋白激酶(或 磷酸酯酶)，或者因有些受体本身就具有蛋白激酶的活性 ，所以与信号结合后可立即得到激活。蛋白激酶可对其底 物蛋白质所特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，从而引起 相应的生理反应，以完成信号转导过程。此外，由于蛋白 激酶的底物既可以是酶，也可以是转录因子 (transcription factors)，因而它们既可以直接通过对酶 的磷酸化修饰来改变酶的活性，也可以通过修饰转录因子 而激活或抑制基因的表达，从而使细胞对外来信号作出相 应的反应。
细胞信号传导的主要分子途径
IP3.三磷酸肌醇；DG.二酰甘油； PKA.依赖cAMP的蛋白激酶；PK Ca2+ 依赖 Ca2+2+与磷脂的蛋白激酶；PK Ca2+-CaM. 依赖Ca2+-CaM的蛋白激酶
一、胞间信号的传递
(一)物理信号
物理信号(physical signal)是指细胞感受到刺激后产生的能够 起传递信息作用的电信号和水力学信号。电信号传递是植物体内 长距离传递信息的一种重要方式，是植物体对外部刺激的最初反 应。植物的电波研究较多的为动作电位 (action potential,AP) ，也叫动作电波，它是指细胞和组织中发生的相对于空间和时间 的快速变化的一类生物电位。植物中动作电波的传递仅用短暂的 冲击(如机械震击、电脉冲或局部温度的升降)就可以激发出来， 而且受刺激的植物没有伤害，不久便恢复原状。