1、植物生理学教案第一章细胞信号转导第一章 细胞信号转导（signal transdution）教学时数：4学时左右。教学目的与要求：使学生了解细胞信号转导的定义和内容；掌握受体和和跨膜信号转换的过程，植物细胞第二信使的种类及重要作用。教学重点：细胞信号转导的定义、研究内容；受体和跨膜信号转换；细胞内的第二信使系统。教学难点：细胞受体和跨膜信号转换。本章主要阅读文献资料：1.翟中和编：细胞生物学，高等教育出版社。2.王镜岩主编：生物化学（第三版），高等教育出版社。3.宋叔文、汤章城主编：植物生理与分子生物学（第二版），科学出版社。4.王宝山主编：植物生理学(2004年版)，科学出版社。本章讲授内容
2、：生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程，而基因表达除受遗传信息支配外，还受环境的调控。植物在整个生长发育过程中，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例如：光质光受体信号转导组分光调节基因向光性反应对于植物来讲，在生命活动的各个阶段都受到周围环境中各种因素的影响，例如温度、湿度、光、重力、病原微生物等等。有来自相邻细胞的刺激、细胞壁的刺激、激素等等刺激，连
3、接环境刺激到植物反应的分子途径就是信号转导途径，细胞接受信号并整合、放大信号，最终引起细胞反应，这种信息在胞间传递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导。植物细胞信号转导（signal transdution）主要研究植物感受、传导环境刺激的分子途径及其在植物发育过程中调控基因的表达和生理生化反应，即细胞耦联各种（内部或外源）刺激信号与其引起的特定的细胞生理效应之间的一系列反应机制。植物细胞信号转导的模式生物体在不同的生长发育阶段，自身也不断产生各种信号，以调节其本身的生命进程，如激素、营养物质等。生物在受到各种信号刺激后产生一系列的生理生化变化。从信号刺激到生理生化变化是一个非常复杂的过程，它
4、包括信号 被细胞各种受体（receptor）接受 转化为细胞内的特定的信息 传导至细胞内不同的效应子（effecor）。生物的信息传导是生物学研究的一个重要领域，一直受到人们的普遍重视。一、环境刺激和胞外信号 植物一生时刻处于大量的环境信号（刺激）中，例如，机械刺激、温度变化、光照、气体、重力、触摸、病原微生物等致病因子、污染物伤害、水分过多或不足等。当这些环境刺激作用于植物体的不同部位时，会发生胞间的信号传递。胞间信号包括物理的（电）信号和化学信号（生长物质等）。人们认为环境刺激是植物细胞信号转导过程中的初级信使（primary messenger），它可以通过诱发胞间信号（配体）的产生 再
5、经细胞受体和跨膜信号转换等 将胞间信号在胞内（通过第二信使）进行放大和传递。化学信号 (chemical signals )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。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
6、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)。 当植物的一张叶片被虫咬伤后，会诱导本叶和其它叶产生蛋白酶抑制物（PIs）等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。如果伤害后立即除去受害叶，则其它叶片不会产生PIs。但如果将受害叶的细胞壁水解片段（主要是寡聚糖）加到叶片中，又可模拟伤害反应诱导PIs的产生，从而认为寡聚糖是由受伤叶片释放并经维管束转移，继而诱导能使PIs基因活化的化学信号物质。物理信号（physical signal） 指细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的
7、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波（action potential，AP），也叫动作电位，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。一些敏感植物或组织（如含羞草的茎叶、攀缘植物的卷须等），当受到外界刺激，发生运动反应(如小叶闭合下垂、卷须弯曲等见录像)时伴有电波的传递。植物细胞对水力学信号(压力势的变化)很敏感。玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅
8、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、受体和跨膜信号转换（一）细胞受体细胞受体是指存在于细胞膜、细胞内部或细胞器膜及内部的某些天然的化学物质。至今发现的受体绝大多数是蛋白质。它可特异识别信号并与其结合，然后将信号在细胞内放大、传递 启动一系列细胞内的生化反应 最终导致植物的形态变化。细胞受体具有特异性、高亲和性和可逆性等特征。位于细胞表面的受体称为细胞表面受体，在很多情况下信号分子不能跨过细胞膜，它们必须与细胞表面受体结合，经过跨膜信号转换，将信号转入胞内，并进一步通过信号转导网络系统来传递和放大信号。位于亚细胞组分如细胞核、液泡膜上的受体叫做细胞内受体，一些信号（如甾类
9、物质）是疏水性小分子，不经跨膜转换，而直接扩散入细胞，与细胞内受体结合，在细胞内进一步传递和放大。由于受体与信号物质的结合是细胞感应胞外信号，并将此信号转换为胞内信号的第一步，所以受体是将胞外信号转换为胞内信号的关键。 受体可特异识别信号并与其结合，然后将信号在细胞内放大，传递 启动一系列细胞内的生化变化 最终导致植物的形态变化。一般来说，胞间信号（配体）分子首先与细胞膜上的受体结合 经跨膜信号转换 将胞外信号在在胞内通过第二信使放大并传递 然后引起细胞内的生理生化变化。也有一些信号可以进入细胞，与细胞内部的受体结合进一步调节基因转录等过程。（二）跨膜信号转换信号与细胞表面的受体结合之后，通过
10、受体将信号转导进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换。跨膜信号转换通过细胞膜上的受体与配体结合来实现。G蛋白是连接受体发生跨膜信号转换的重要物质之一。胞间信号从产生位点经上距离传递到达靶细胞，靶细胞首先要能感受信号并将胞外信号转换为胞内信号，然后再启动下游的各种信号系统，并对原初信号进行放大以及激活次级信号，最终导致植物的生理生化反应。异三聚体GTP结合蛋白（简称G蛋白）是生物信息传导中的一个重要成员。G蛋白是一个庞大的家族，几乎所有的真核生物都有G蛋白，根据其亚基组分以及相对分子质量（Mr）大小的不同，G蛋白分为两大类。一类是异源三体G蛋白（heterotrimeric G protein）；
11、另一类是小G蛋白（small G protein），或者叫单体G蛋白（monomeric G protein）。小G蛋白的Mr通常为2030kD。而异源三体G蛋白是由、三个亚基组成。其中亚基（G）的Mr最大，在3954 kD之间，亚基（G）和亚基（G）的Mr分别为3536 kD和810kD（各书对其分子量的说法不一）。也有人根据G蛋白的功能分类。异三聚体GTP结合蛋白亚基上氨基酸残基的酯化修饰作用，经G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶液的一侧。受体蛋白的氨基端位于外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成几个螺旋的跨膜结构。羧基端具有与G蛋白相互作用的区域，受体活化后直接将G白激活，进行跨膜信号转换。异源
12、三体G蛋白的GTP结合位点在亚基（G）上。G具有GTP酶的活性，还与受体相互作用。在分子结构上，小G蛋白与异源三体G蛋白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，GTP被水解成GDP后蛋白都呈非活化态。真核生物中G蛋白研究的历史并不长。1971年首次报道与G蛋白有关的研究，大部分研究工作动物和低等真核生物（主要是酵母）。大量实验结果表明，G蛋白是一类比较保守的调节蛋白，普遍存在于真核生物细胞中，在生物信息传导中起重要作用。人们相信，在植物中也应当有G蛋白的生物信息传导。证明G蛋白在植物中存在，简单而直接的方法是证明植物中有GTP结合和GTP水解的生化过程。Ha
13、sunuma等（1987）在黄化豌豆下胚轴中发现GTP结合蛋白。用同样的方法，他们还检测到浮萍也有GTP结合蛋白。米勒（Miller1987）发现菠菜叶中有GTP结合蛋白，他们推测类囊体蛋白激酶的活力可能受G蛋白的调节。Korolkov（1990）认为，由于异源三体中的G和小G蛋白都有GTP酶活力，因此，测定细胞各组分GTP酶活力也是检测G蛋白存在的一种方法。迄今为止，已在多种植物中发现了GTP结合蛋白。如1990水稻，1990绿藻，1987豌豆和浮萍，1988拟南芥、蚕豆、鸭跖草，1988西葫芦，1993大麦，1981燕麦等。还有一些结果表明，在有些植物中测得的GTP结合蛋白属于小G蛋白，如
14、绿藻（1992、1993）、西葫芦（1988）、豌豆（1991、1993）等。（但异源三体G蛋白的基因也已从不同的植物分离到。）克拉克（Clark 1993）发现豌豆核膜经红光照射2min，GTP结合活性增加。如果红光照射后，再用远红光照射4min，红光促进GTP结合的现象即消失。根据这一结果推测，G蛋白很可能在光信息传导中起调节作用。这一推测也得到了另一些实验室的一些实验结果的支持。已经知道花色素的合成和叶绿素a/b结合蛋白基因的表达需要光信号的诱导。扎伊娜等（Zaina1990）观察到，在水稻叶鞘中，吲哚乙酸处理可以促进细胞组分与GTPS的结合。（GTPS是GTP的相似物，G的GTP结合位
15、点能够识别GTPS，并能与GTPS结合，结合后G蛋白呈活化状态）。证明植物G蛋白可能在激素信号传导中起作用。Fairly-Grenet等（1991）发现，用GTPS处理蚕豆叶片后，保卫细胞向内（inward）的钾离子流降低，而用GDPS处理，则可以增加内向的钾离子流。他们根据这一结果推测，G蛋白对钾离子的内向流动有负调节作用。植物G蛋白的研究起步较晚，因此，对于植物G蛋白在信息传导中的分子机理和生理功能这些重要的方面知道的不多。G蛋白自身的活化和非活化作为一种分子开关，将膜外的信号转换为膜内的信号并进一步放大信号G蛋白参与跨膜的信号转换依赖于自身的活化和非活化状态的循环来实现。例如，在动物细胞
16、中，非活化状态G蛋白的亚基上结合GDP，当细胞受到环境刺激时，配体（即信号物质）与受体结合，受体的构象发生变化，排斥GDP，结合GTP而活化。活化后G蛋白的亚基与、亚基脱离，并与下游组分（如腺苷酸环化酶）结合，通过水解ATP形成cAMP（环腺苷酸）分子。同时它本身的GTP水解为GDP，亚基与腺苷酸环化酶并重新与、结合。即G蛋白的活化发生在信号物质与受体结合后，失活发生在其完成任务后（第二信使分子形成后）。活化：信号物质 + 受体 受体构象发生变化 + G蛋白 受体-G蛋白复合体 G蛋白构象发生变化结合GTP而活化失活：活化的G蛋白 + 腺苷酸环化酶 激活腺苷酸环化酶 ATP cAMP+PPi
17、G蛋白的GTP水解为GDP一个配体结合的受体可激活多个G蛋白，每个G蛋白激活一个腺苷酸环化酶，每个腺苷酸环化酶又可催化形成大量的cAMP。这样使信号放大很多倍。cAMP作为第二信使进一步通过以后的信号转导途径传递和放大信号。（三）细胞内的第二信使系统如果把细胞外的各种刺激信号作为细胞信号转导过程中的初级信号或第一信使，那么则可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为细胞信号转导过程中的次级信号或第二信使。胞外信号 跨膜转换 第二信使传递和放大 引起细胞内的生理生化反应。1.钙离子（Ca2+）植物细胞内的游离钙粒子是细胞信号转导过程中重要的第二信使，Ca2+在植物细胞内分布不
18、均衡，一般情况下，静息态的植物细胞质中Ca2+浓度较低，而细胞壁、内质网、线粒体和液泡中Ca2+浓度则较高，因此细胞壁被称为胞外钙库，内质网、线粒体和液泡被称为胞内钙库。细胞受刺激后，细胞质中Ca2+浓度可能发生一个短暂的明显的升高或发生梯度分布或区域分布的变化，例如：伸长的花粉管具有明显的Ca2+梯度，顶端区域浓度最高，亚顶端之后随之降低，在花粉管持续伸长过程中，这一区域的浓度变化呈现周期性上升和回落。胞质Ca2+继而与钙结合蛋白如钙调蛋白（CaM），钙依赖型蛋白（CDPK）等结合起作用。注意：钙通道和钙泵在质膜和胞内钙库膜上的运输方向相反。细胞质中Ca2+的主要功能是与钙结合蛋白结合，如钙
19、调素（CaM）、钙依赖型蛋白激酶等。细胞信号反应过程中胞内外Ca2+的相互作用质膜钙通道：从胞外或胞内钙库向细胞质释放Ca2+质膜钙泵：从细胞质向细胞外或胞内钙库运送Ca2+Ca2+/nH+反向运输体,从细胞质向胞内钙库运送Ca2+植物细胞钙离子运输系统几乎所有的胞外刺激信号（如光照、温度、重力、触摸等物理信号和各种植物激素、病原菌诱导因子等化学物质）都可能引起胞内游离钙粒子浓度的变化，而这种变化的时间、幅度、频率、区域化分布等不尽相同，所以有可能不同刺激信号的特异性，可靠Ca2+浓度的不同形式化来体现。胞外刺激信号可能直接或间接地调节这些钙粒子的运输系统，引起胞内游离Ca2+浓度变化，以致影
20、响细胞的生理生化活性。如保卫细胞质膜上的内向钾离子通道可被钙离子抑制，而外向钾离子和氯离子通道则可被钙离子激活等。2.钙调素（calmodulin，CaM）一种耐热的球蛋白，以两种方式起作用：1）直接与酶结合，使酶活化；2）与Ca2+结合，形成Ca2+CaM复合物，然后再与酶结合使酶活化：（Can2+CaM）mE 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1700019000）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后（一般10-6mol），Ca2+与CaM结合，引起C
21、aM构象改变。而活化的CaM又与靶酶结合，使靶酶活化而引起生理反应。目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控，如多种蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase、Ca2+-ATP酶、 Ca2+通道等。这些酶被激活后，参与细胞分裂、激素活化、运动、蛋白质磷酸化等过程，最终调节植物的生长发育。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM的信号系统也起着重要的调节作用。生长素、光、摩擦等都可引起CaM基因活化，使CaM含量增加。 A.钙调素呈哑铃形，长为6.5nm，每个哑铃球是有2个Ca2+结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄，无Ca2+结合时，两个球部沿着中心螺旋折叠。B.形成Ca2+-CaM复
22、合体后，结合到靶酶上。Ca2+-CaM复合体的形成使CaM与许多靶酶的亲和力大大提高。蔡南海实验室用光敏色素A缺失的番茄单细胞突变系，研究了完整叶绿体中多种光系统色素蛋白质及酶基因到达所必需的光信号传导过程。将信号系统中各组分，如phyA、G蛋白激活剂，Ca2+及CaM、cGMP、cAMP等以及它们的不同组合微注射入单细胞内，随后对叶绿体内多种色素蛋白和酶系在基因活化、转录、翻译三个水平进行观察，研究后发现：光刺激后，上游的光敏色素与G蛋白激活对完整叶绿体发育及花色素苷合成是共同必须的；Ca2+-CaM系统参与PS捕光色素、ATP合成酶、Rubisco等光诱导产生，但不参与诱导花色素苷合成，因
23、而只形成不成熟的叶绿体；而在动物视觉系统细胞光感应中起重要作用的cGMP在植物花色素苷诱导中起决定作用，并与Ca2+-CaM一起诱导PS和Cyt b6/f的合成。3.三磷酸肌醇（inosiol 1，4，5 - triphosphate，IP3）IP3和DAG是在环境信号（如光、激素等）刺激下，由质膜内侧膜脂转变而来。IP3是水溶性的，可从质膜扩散到细胞质，然后与内质网或液泡膜上的IP3-Ca2+通道结合，使通道打开。Ca2+迅速释放到细胞质，使胞质中Ca2+升高，引起生理反应。该过程，即IP3 促使Ca2+库释放Ca2+ 增加细胞质Ca2+的信号转导，称为IP3/Ca2+信号传递途径。4.二酯
24、酰甘油（diacylglycerol，DAG）DAG是脂溶性的，停留在膜上，与蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）结合并使其活化。PKC进一步使其他激酶磷酸化，调节细胞的繁殖和分化等。该过程称为DAG/PKC信号传递途径。5.环腺苷酸（cAMP）动物细胞中重要的第二信使，植物细胞中是否存在，尚有争议。（四）信号转导中的蛋白质可逆磷酸化蛋白质可逆磷酸化是指蛋白质的磷酸化与脱磷酸化作用，分别由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化完成。磷酸的供体和受体分别是ATP或GTP和ADP或GDP。蛋白质的磷酸化与脱磷酸化作用在细胞信号转导中有级联放大信号的作用。即蛋白激酶具有系列反应，前一个反应的产物
25、是后一个反应中的催化剂。每反应一步就使信号放大一次。1.蛋白激酶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，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。蛋白激酶是个大家族，植物中约有2%-3%的基因编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶有丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等3 类，它们分别将底物蛋白质丝氨酸/苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有的蛋白激酶具有双重
26、底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，又可使酪氨酸磷酸化。在植物中，目前已知的蛋白激酶至少有30多种，它们的作用也表现在多个方面，包括向光性、抗寒、抗病、根部的向地性、光合作用、自交不亲和性以及细胞分裂等。钙依赖型蛋白激酶：与Ca2+结合后被活化。蛋白激酶中研究得较多的是最初从大豆中得到的依赖于钙离子的蛋白激酶(calcium dependent protein kinase，CDPK)，CDPK有一与钙结合位点。一般来说，CDPK在其氨基端有一个激酶活性域，在其羧基端有一个类似CaM的结构区域，在两者之间还有一个抑制域。当位于CDPK上类似CaM的结构区域上的钙离子结合位点与Ca2+结
27、合后，抑制被解除，酶就被活化。大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在这类蛋白激酶。现已知的可被CDPK磷酸化的作用靶（或底物分子）有细胞骨架成分、膜运输成分、离子通道、质膜上的质子ATP酶等。如从燕麦中分离出与质膜成分相结合的CDPK成分可将质膜上的质子ATP酶磷酸化，从而调节跨膜离子运输的调控。除CDPK类外，还有与光敏色素密切相关的钙依赖型蛋白激酶、同时受钙离子和钙调素调节的蛋白激酶等。近年来在水稻筛管汁液中也测出一个分子量为17000高度磷酸化的蛋白质以及另一个分子量为65000，具有蛋白激酶活性的蛋白质，蛋白激酶的活性依赖于Ca2+的存在。筛管汁液内依赖Ca2+的蛋白激酶的发现，说明
28、筛管内存在着信号传导系统。许多植物的SE-CC复合体与周围细胞基本上是共质体隔离的。它一方面在筛管液流中传递着激素等化学信号物质，另一方面又可凭细胞表面质膜上的受体接受外界刺激，进而改变筛管汁液内自由Ca2+的浓度Ca2+作为第二信使激发筛管内的蛋白磷酸化作用，从而调控细胞内一系列生化反应，完成从源到库的信息传导。2.蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶是使蛋白质脱磷酸化的酶，目前对其的研究还不深入。蛋白磷酸酯酶逆磷酸化作用，是终止信号或一种逆向调节，与蛋白激酶理论上有同等重要意义，现在植物中鉴定出几种不同的蛋白质磷酸酯酶。如豌豆、胡萝卜中的Type1蛋白磷酸酯酶、豌豆、胡萝卜、小麦中的Type2A和Type
29、2C蛋白磷酸酯酶等。有研究表明，Type1蛋白磷酸酯酶可能与植物细胞的有丝分裂过程的调控有关。在豌豆保卫细胞中存在一种依赖钙离子的蛋白磷酸酯酶，它与K+的转移和气孔的开闭有关。虽然磷酸化或去磷酸化的过程本身是单一的反应，但多种蛋白质的磷酸化和去磷酸化的结果是不同的，很可能与实现细胞中各种不同刺激信号的转导过程有关。事实上，正是蛋白质磷酸化的可逆性为细胞的信息提供了一种开关作用。在有外来信号刺激的情况下，通过去磷酸化或磷酸化再将之关闭。这就使得细胞能够有效而经济地调控对内外信息的反映。除上述几类植物细胞信号转导系统以外，还存在其它一些信号转导因子，有人认为，凡是能在胞外刺激信号下发生改变的胞内因
30、子，如果该因子的变化能引起细胞生理活动的变化，则这种因子就是细胞的第二信使。一些化学物质，如H+、H2O2、Mg2+、氧化还原物质以及胞质pH等，是否是植物的胞内信使，尚在探讨之中。此外，以往把信号系统看成是一种因果关系的线性链，然而现在看来，参与传递信号的各因子之间的关系是非常复杂的，信号系统实际是一个信号网络，多种信号分子相互联系，立体交叉，协同作用，实现生物体中的信号传导过程。蛋白质的可逆磷酸化反应本章思考题：一、名词解释 1.G蛋白2.第二信使3.钙调素4.IP3 5.DAG二、填空题 1.在植物细胞中具有第二信使作用的金属离子是_。三、问答题 1.什么叫细胞信号转导？受体和G蛋白与信号转导有何关系？2.植物细胞的主要钙受体蛋白是什么？CaM有何特点？举例说明胞外信号如何通过钙受体蛋白引起生理反应。3.磷脂酰肌醇信号系统与钙信号系统有何区别和联系？
