植物體內(nèi)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

關(guān)于植物體內(nèi)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)生長(zhǎng)(growth)：植物體積的增大，它是通過(guò)細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)來(lái)完成的。發(fā)育(development)：在整個(gè)生活史上，植物體的構(gòu)造和機(jī)能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的變化過(guò)程，它的表現(xiàn)就是細(xì)胞、組織和器官的分化(differentiation)。形態(tài)建成(morphogenesis)：在植物的發(fā)育過(guò)程中，由于不同細(xì)胞逐漸向不同方向分化，從而形成了具有各種特殊構(gòu)造和機(jī)能的細(xì)胞、組織和器官，這個(gè)過(guò)程就稱為形態(tài)建成。第2頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第七章植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

（由于細(xì)胞生物學(xué)正在上，不講）第3頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第七章植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction):指植物細(xì)胞偶聯(lián)各種刺激信號(hào)（包括內(nèi)外源刺激信號(hào)）與其引起的特定生理效應(yīng)之間的一系列分子反應(yīng)機(jī)制（理）。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可以分為4個(gè)步驟：1、信號(hào)分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合；2、跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換；3、細(xì)胞內(nèi)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳遞、放大與整合；4、導(dǎo)致生理生化變化。（p157，圖7-1）第4頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天p157，圖7-1第5頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)信號(hào)與受體結(jié)合一、信號(hào)(signal)1、定義信號(hào)——是信息的物質(zhì)體現(xiàn)形式和物理過(guò)程。對(duì)植物來(lái)說(shuō)，環(huán)境變化就是刺激，就是信號(hào)。植物通過(guò)接受環(huán)境刺激信號(hào)而獲得外界環(huán)境的信息。第6頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、種類物理信號(hào)（如：光、電信號(hào)）化學(xué)信號(hào)（如：激素、病原因子等）——化學(xué)信號(hào)也稱為配體（ligand）。信號(hào)的位置有所差異，可以分為：胞外（胞間）信號(hào)和胞內(nèi)信號(hào)當(dāng)環(huán)境刺激作用于植物體的不同部位時(shí)，會(huì)發(fā)生細(xì)胞間的信號(hào)傳遞。第7頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天信號(hào)進(jìn)入細(xì)胞后，最終引起生理生化和形態(tài)變化例如：電波是植物體內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳遞的物理信號(hào)。如含羞草受到機(jī)械振動(dòng)，立即產(chǎn)生電信號(hào)傳遞到小葉，引起小葉合攏。一般認(rèn)為，植物激素是植物體主要化學(xué)信號(hào)。如當(dāng)植物根系受到水分虧缺脅迫時(shí)，根系迅速合成ABA，向上運(yùn)送到保衛(wèi)細(xì)胞，引起氣孔關(guān)閉。

信號(hào)→

受體→

反應(yīng)

手觸摸含羞草后小葉合攏。手觸摸就是刺激（信號(hào)），小葉合攏就是反應(yīng)。偶聯(lián)刺激到反應(yīng)之間的生化和分子途徑就是這個(gè)反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（signalingpathway）。第8頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天P158，F(xiàn)igure7-2第9頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、受體在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用1、受體（receptor）：指可特異地識(shí)別并結(jié)合信號(hào)、在細(xì)胞內(nèi)放大和傳遞信號(hào)的物質(zhì)。細(xì)胞受體接受信號(hào)后啟動(dòng)一系列生化反應(yīng)，最終導(dǎo)致特定的細(xì)胞反應(yīng)。第10頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、受體的特征特異性高親合力可逆性至今發(fā)現(xiàn)的受體大多是蛋白質(zhì)。第11頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、受體的種類1）細(xì)胞表面受體(cellsurfacereceptor)：存在于細(xì)胞表面的受體。在大多數(shù)情況下，信號(hào)分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合，經(jīng)過(guò)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換，將細(xì)胞外信號(hào)傳入細(xì)胞內(nèi)再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（第二信使）傳遞和放大信號(hào)。如CTK2）細(xì)胞內(nèi)受體：存在于亞細(xì)胞組分（如細(xì)胞核、液泡膜等）上的受體就是細(xì)胞內(nèi)受體。如一些信號(hào)，如甾類小分子，不經(jīng)過(guò)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換，直接擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合，進(jìn)一步傳遞和放大。第12頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天植物細(xì)胞表面受體已發(fā)現(xiàn)有2種1）G蛋白連接受體2）類受體蛋白激酶第13頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天G蛋白連接受體受體蛋白的氨基端位于細(xì)胞外側(cè)，羧基位于內(nèi)側(cè)，一條單肽鏈形成幾個(gè)（多數(shù)情況下是7個(gè)）跨膜α螺旋的結(jié)構(gòu)。羧基端具有與G蛋白相互作用的區(qū)域，受體活化后直接將G蛋白激活，進(jìn)行跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換。第14頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天類受體蛋白激酶受體本身是一種酶蛋白，當(dāng)細(xì)胞外區(qū)域與配體結(jié)合時(shí)，可激活酶，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)側(cè)酶的反應(yīng)傳遞信號(hào)。第15頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換指信號(hào)與細(xì)胞表面的受體結(jié)合之后,通過(guò)受體將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程。G蛋白的活化和非活化循環(huán)是跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換的分子開(kāi)關(guān)其將膜外信號(hào)轉(zhuǎn)換為膜內(nèi)信號(hào)并放大。P160Figure7-3第16頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第17頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天二元組分系統(tǒng)的夸膜信號(hào)轉(zhuǎn)換途徑：細(xì)胞感受到外界刺激后，信號(hào)與位于質(zhì)膜表面的組氨酸蛋白激酶結(jié)合，激酶的組氨酸殘基發(fā)生磷酸化，并且將磷酸基團(tuán)傳遞給下游的反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白。反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白具有兩個(gè)部分，一是接受磷酸基團(tuán)的部分，另一部分為信號(hào)輸出部分。將信號(hào)傳遞給下游的組分，通常是轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因的表達(dá)。第18頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)形成網(wǎng)絡(luò)

由于植物移動(dòng)性不如動(dòng)物，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中就發(fā)展起一套完善的信號(hào)系統(tǒng)，以適應(yīng)環(huán)境的變化，更好的生存。在植物生長(zhǎng)發(fā)育的某一階段，常常是多種刺激同時(shí)作用。這樣，在植物體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)，復(fù)雜、多樣的信號(hào)系統(tǒng)之間存在著相互作用，形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，也有人將這種相互作用稱為“交談”（crosstalk）。初級(jí)信號(hào):胞外信號(hào)。---→第一信使次級(jí)信號(hào):胞內(nèi)信號(hào)。---→第二信使第19頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二信使：胞外信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)換以后，進(jìn)入細(xì)胞，再通過(guò)第二信使進(jìn)一步傳遞和放大，最終引起細(xì)胞反應(yīng)。第二信使：由胞外刺激信號(hào)激活或抑制的、具有生理調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞內(nèi)因子被稱為第二信使?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了一系列第二信使:如Ca2+

、cAMP、cGMP、H+

、Vc、H2O2、谷光甘肽、三磷酸肌醇（IP3）、二酯酰甘油（DAG）等。其中對(duì)Ca2+的研究最為深入。第20頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、Ca2+/CaM在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用1、細(xì)胞中Ca2+區(qū)域差異細(xì)胞受刺激后，胞質(zhì)Ca2+濃度有一個(gè)短暫地明顯升高，或在細(xì)胞內(nèi)的梯度分布和區(qū)域分布發(fā)生變化，胞質(zhì)中的Ca2+繼而與鈣結(jié)合蛋白如鈣調(diào)素（CaM）或鈣依賴型蛋白激酶（CDPK）等結(jié)合而起作用。第21頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、鈣庫(kù)Ca2+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)。1）細(xì)胞外鈣庫(kù)：細(xì)胞壁是細(xì)胞外鈣庫(kù)，質(zhì)膜上Ca2+通道控制Ca2+內(nèi)流，而質(zhì)膜上的Ca2+泵負(fù)責(zé)將胞內(nèi)Ca2+泵出細(xì)胞。2）胞內(nèi)鈣庫(kù)：如液泡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體的膜上存在Ca2+通道、Ca2+泵和Ca2+/nH+反向運(yùn)輸體，前者控制Ca2+外流，后兩者將胞質(zhì)的Ca2+積累在胞內(nèi)鈣庫(kù)。第22頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天P162，圖7-5第23頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、鈣調(diào)素（calmodulin,CaM）

1)定義：又稱鈣調(diào)節(jié)蛋白，是廣泛存在于所有真核生物中的一種鈣依賴性的，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種重要酶活性和細(xì)胞功能的小分子量的耐熱的球狀蛋白。簡(jiǎn)稱CaM。第24頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）CaM作用方式：CaM以2種方式起作用：第一，可直接與靶細(xì)胞結(jié)合，誘導(dǎo)靶酶的活性構(gòu)象，從而調(diào)節(jié)靶酶的活性；第二，與Ca2+結(jié)合，形成活化態(tài)的Ca2+

－CaM復(fù)合體，然后再與靶細(xì)胞結(jié)合將靶酶激活。第25頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天CaM與Ca2+結(jié)合：CaM對(duì)Ca2+有很高的親合力，一分子CaM可與4個(gè)Ca2+結(jié)合。nCa2＋＋CaM＝Can2＋

·CaM*［1＜n＜4]mCan2＋

·CaM*＋E＝（Can2＋

·CaM*）m·E這個(gè)反應(yīng)受細(xì)胞內(nèi)［Ca2＋］控制，［Ca2＋］高，利于復(fù)合體的形成，［Ca2＋］低，則復(fù)合體分解。第26頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）鈣調(diào)素結(jié)構(gòu)特征：CaM位于植物細(xì)胞的細(xì)胞溶質(zhì)和細(xì)胞器中。CaM是一種耐熱球蛋白,等電點(diǎn)4.0，相對(duì)分子量約為16.7×103。CaM是具148氨基酸的多肽。

第27頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天CaM分子結(jié)構(gòu)：CaM的三維結(jié)構(gòu)呈啞鈴形Ca2+·CaM復(fù)合體的形成使CaM與許多靶酶親合力大大提高，導(dǎo)致靶酶的活性全酶濃度增加，這就是調(diào)幅機(jī)制（amplitudemodulation）。細(xì)胞中還存在一種調(diào)敏機(jī)制(sensitivemodulaion)。通過(guò)調(diào)節(jié)CaM或靶酶對(duì)Ca2+的敏感度，增加活性全酶。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素、光、風(fēng)、雨等刺激都可以引起CaM基因的活化，使CaM含量增加。第28頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天4）CaM生理作用：Ca2+·CaM復(fù)合體的靶酶有質(zhì)膜上的Ca2+－ATP酶、Ca2+通道、NAD激酶、多種蛋白激酶等。這些酶被激活后，參與蕨類植物的孢子發(fā)芽、細(xì)胞有絲分裂、原生質(zhì)流動(dòng)、植物激素的活性、向性，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)磷酸化，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育。植物細(xì)胞內(nèi)外都存在CaM，孫大業(yè)等（1994、1995）發(fā)現(xiàn)，胞外，如細(xì)胞壁中的CaM促使細(xì)胞增殖、花粉管萌發(fā)和細(xì)胞長(zhǎng)壁。除了CaM，植物細(xì)胞中還有其它的鈣結(jié)合蛋白，研究最多的是鈣依賴型蛋白激酶（CDPK）。第29頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、IP3和DAG

在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用1、PIP2轉(zhuǎn)化為IP3和DAG

磷酯酰肌醇－4，5－二磷酸（PIP2）是一種分布在質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的肌醇磷脂，占膜脂的極小部分。PI、PIP——（PI激酶、PIP激酶）ePIP2——(PLC)eIP3、DAG光和激素等刺激可引起這樣的水解反應(yīng)。IP3、DAG在動(dòng)植物細(xì)胞中起到第二信使的作用。

第30頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、IP3/Ca2+信號(hào)傳遞途徑

ePIP2─(PLC)e→IP3＋DAG（質(zhì)膜）↓

IP3（胞質(zhì)溶膠）↓液泡膜上對(duì)IP3敏感的Ca2+通道打開(kāi)↓

Ca2+流向胞質(zhì)溶膠↓生理生化反應(yīng)這種IP3促使胞庫(kù)釋放Ca2+，增加胞質(zhì)Ca2+濃度的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為IP3/Ca2+信號(hào)傳遞途徑。第31頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、DGA/PKC信號(hào)傳遞途徑ePIP2─(PLC)e→IP3＋DAG（質(zhì)膜）↓

PKC激活↓其他激酶（如G蛋白）發(fā)生磷酸化↓生理生化反應(yīng)第32頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天DAG/PKC信號(hào)傳遞途徑：DAG是脂類，它仍留在質(zhì)膜上，與蛋白激酶C（PKC）結(jié)合并激活之；PKC進(jìn)一步使其它激酶（如G蛋白、磷脂酶C等）磷酸化，調(diào)節(jié)細(xì)胞的繁殖與分化。這種DAG激活PKC，再使其它蛋白激酶磷酸化的過(guò)程，稱為DAG/PKC信號(hào)傳遞途徑。第33頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙信使系統(tǒng)：胞外刺激使PIP2轉(zhuǎn)化成IP3和DAG，引發(fā)IP3/Ca2+和DAG/PCK兩條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在細(xì)胞內(nèi)沿2個(gè)方向傳遞，這樣的信號(hào)系統(tǒng)稱為“雙信使系統(tǒng)”。第34頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的蛋白質(zhì)可逆磷酸化

蛋白質(zhì)的可逆磷酸化是生長(zhǎng)體內(nèi)一種普遍的翻譯后修飾方式。細(xì)胞內(nèi)第二信使，如Ca2+、DAG等往往通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞多種蛋白激酶和蛋白磷酸酶，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的磷酸化和脫磷酸化過(guò)程，進(jìn)一步傳遞信號(hào)。第35頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天（一）蛋白激酶磷酸化---激活（二）蛋白磷酸酶去磷酸化---失活第36頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白激酶研究較多的蛋白激酶有兩類：蛋白激酶A(PKA)，其活化依賴cAMP的存在；蛋白激酶C(PKC)，其活化因子有DG(二酰甘油)、Ca２＋和磷脂酰絲氨酸等。(1)依賴Ca２＋的蛋白激酶(CDPK)最初是從大豆培養(yǎng)細(xì)胞中分離鑒定出來(lái)的。此類酶有一個(gè)與鈣調(diào)素(CaM)相似的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，有四個(gè)Ca２＋結(jié)合位點(diǎn)，其活性絕對(duì)依賴于Ca２＋，而不依賴CaM和磷脂，但被CaM抑制劑所抑制。第37頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)依賴Ca２＋／CaM的蛋白激酶在植物體內(nèi)存在Ca２＋／CaM調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)激酶，如在麥胚中發(fā)現(xiàn)兩種Ca２＋／CaM激活的蛋白激酶，從豌豆細(xì)胞質(zhì)膜上分離出一種依賴Ca２＋／CaM的蛋白激酶。(3)依賴Ca２＋／磷脂的蛋白激酶(PKC)這是一種依賴于Ca２＋和磷脂(phospholipid)的蛋白激酶。如菠菜葉綠體中Rubisco小亞基可被葉綠體被膜上蛋白激酶磷酸化，并可被Ca２＋和磷脂活化。從南瓜中也部分純化出依賴Ca２＋和磷脂的蛋白激酶。第38頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白磷酸酶

分類與蛋白激酶對(duì)應(yīng)。在植物中已鑒定出幾種不同的蛋白磷酸酶。第39頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶的分類與蛋白激酶相似，根據(jù)底物蛋白分子上磷酸化的氨基酸殘基的種類，主要可分為3大類Ser/Thr型蛋白磷酸酶、Tyr型及雙重底物特異性(dual-specifity)蛋白磷酸酶。信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中蛋白質(zhì)需要被磷酸化來(lái)保證信號(hào)的精確和快速傳導(dǎo)；在信號(hào)傳導(dǎo)完畢之后，被磷酸化的蛋白質(zhì)需要被快速地脫磷酸化來(lái)保證信號(hào)的快速滅活。蛋白磷酸酶和蛋白質(zhì)的脫磷酸化的作用并不僅限于負(fù)向的抑制作用。事實(shí)上，蛋白磷酸酶對(duì)信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)是雙向的。第40頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)可逆磷酸化的意義(1)引起蛋白質(zhì)之間的相互作用細(xì)胞信號(hào)通過(guò)蛋白質(zhì)的磷酸化傳導(dǎo)時(shí)，無(wú)可置疑的有酶和底物的相互作用，但是，這種相互作用并不是磷酸化反應(yīng)中蛋白質(zhì)之間唯一的作用方式。與被磷酸化的蛋白結(jié)合的可能并不是催化這一反應(yīng)的酶，或者與酶結(jié)合的并不一定是將要被其磷酸化的底物蛋白。第41頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)形成信號(hào)元件(signalingmodule)

在可逆磷酸化反應(yīng)中，作為酶的底物，底物