第七章植物體內(nèi)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第七章植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(由于細(xì)胞生物學(xué)正在上,不講)第七章植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction):指植物細(xì)胞偶聯(lián)各種刺激信號(包括內(nèi)外源刺激信號)與其引起得特定生理效應(yīng)之間得一系列分子反應(yīng)機制(理)。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可以分為4個步驟:1、信號分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合;2、跨膜信號轉(zhuǎn)換;3、細(xì)胞內(nèi)通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進行信號傳遞、放大與整合;4、導(dǎo)致生理生化變化。(p157,圖7-1)p157,圖7-1第一節(jié)信號與受體結(jié)合一、信號(signal)1、定義信號——就是信息得物質(zhì)體現(xiàn)形式和物理過程。對植物來說,環(huán)境變化就就是刺激,就就是信號。植物通過接受環(huán)境刺激信號而獲得外界環(huán)境得信息。2、種類物理信號(如:光、電信號)化學(xué)信號(如:激素、病原因子等)——化學(xué)信號也稱為配體(ligand)。信號得位置有所差異,可以分為:胞外(胞間)信號和胞內(nèi)信號當(dāng)環(huán)境刺激作用于植物體得不同部位時,會發(fā)生細(xì)胞間得信號傳遞。信號進入細(xì)胞后,最終引起生理生化和形態(tài)變化例如:電波就是植物體內(nèi)進行信號傳遞得物理信號。如含羞草受到機械振動,立即產(chǎn)生電信號傳遞到小葉,引起小葉合攏。一般認(rèn)為,植物激素就是植物體主要化學(xué)信號。如當(dāng)植物根系受到水分虧缺脅迫時,根系迅速合成ABA,向上運送到保衛(wèi)細(xì)胞,引起氣孔關(guān)閉。信號→

受體→

反應(yīng)

手觸摸含羞草后小葉合攏。手觸摸就就是刺激(信號),小葉合攏就就是反應(yīng)。偶聯(lián)刺激到反應(yīng)之間得生化和分子途徑就就是這個反應(yīng)得信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(signalingpathway)。P158,Figure7-29大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流二、受體在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中得作用1、受體(receptor):指可特異地識別并結(jié)合信號、在細(xì)胞內(nèi)放大和傳遞信號得物質(zhì)。細(xì)胞受體接受信號后啟動一系列生化反應(yīng),最終導(dǎo)致特定得細(xì)胞反應(yīng)。2、受體得特征特異性高親合力可逆性至今發(fā)現(xiàn)得受體大多就是蛋白質(zhì)。3、受體得種類1)細(xì)胞表面受體(cellsurfacereceptor):存在于細(xì)胞表面得受體。在大多數(shù)情況下,信號分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合,經(jīng)過跨膜信號轉(zhuǎn)換,將細(xì)胞外信號傳入細(xì)胞內(nèi)再通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(第二信使)傳遞和放大信號。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)上得受體就就是細(xì)胞內(nèi)受體。如一些信號,如甾類小分子,不經(jīng)過跨膜信號轉(zhuǎn)換,直接擴散進入細(xì)胞,與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合,進一步傳遞和放大。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G蛋白連接受體受體蛋白得氨基端位于細(xì)胞外側(cè),羧基位于內(nèi)側(cè),一條單肽鏈形成幾個(多數(shù)情況下就是7個)跨膜α螺旋得結(jié)構(gòu)。羧基端具有與G蛋白相互作用得區(qū)域,受體活化后直接將G蛋白激活,進行跨膜信號轉(zhuǎn)換。類受體蛋白激酶受體本身就是一種酶蛋白,當(dāng)細(xì)胞外區(qū)域與配體結(jié)合時,可激活酶,通過細(xì)胞內(nèi)側(cè)酶得反應(yīng)傳遞信號。第二節(jié)跨膜信號轉(zhuǎn)換指信號與細(xì)胞表面得受體結(jié)合之后,通過受體將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進入細(xì)胞內(nèi)得過程。G蛋白得活化和非活化循環(huán)就是跨膜信號轉(zhuǎn)換得分子開關(guān)其將膜外信號轉(zhuǎn)換為膜內(nèi)信號并放大。P160Figure7-3二元組分系統(tǒng)得夸膜信號轉(zhuǎn)換途徑:細(xì)胞感受到外界刺激后,信號與位于質(zhì)膜表面得組氨酸蛋白激酶結(jié)合,激酶得組氨酸殘基發(fā)生磷酸化,并且將磷酸基團傳遞給下游得反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白。反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白具有兩個部分,一就是接受磷酸基團得部分,另一部分為信號輸出部分。將信號傳遞給下游得組分,通常就是轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)控基因得表達。第三節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)形成網(wǎng)絡(luò)

由于植物移動性不如動物,植物在長期進化過程中就發(fā)展起一套完善得信號系統(tǒng),以適應(yīng)環(huán)境得變化,更好得生存。在植物生長發(fā)育得某一階段,常常就是多種刺激同時作用。這樣,在植物體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi),復(fù)雜、多樣得信號系統(tǒng)之間存在著相互作用,形成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),也有人將這種相互作用稱為“交談”(crosstalk)。初級信號:胞外信號。---→第一信使次級信號:胞內(nèi)信號。---→第二信使第二信使:胞外信號跨膜轉(zhuǎn)換以后,進入細(xì)胞,再通過第二信使進一步傳遞和放大,最終引起細(xì)胞反應(yīng)。第二信使:由胞外刺激信號激活或抑制得、具有生理調(diào)節(jié)活性得細(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Ca2+得研究最為深入。一、Ca2+/CaM在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中得作用1、細(xì)胞中Ca2+區(qū)域差異細(xì)胞受刺激后,胞質(zhì)Ca2+濃度有一個短暫地明顯升高,或在細(xì)胞內(nèi)得梯度分布和區(qū)域分布發(fā)生變化,胞質(zhì)中得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。2、鈣庫Ca2+得跨膜轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)得鈣穩(wěn)態(tài)。1)細(xì)胞外鈣庫:細(xì)胞壁就是細(xì)胞外鈣庫,質(zhì)膜上Ca2+通道控制Ca2+內(nèi)流,而質(zhì)膜上得Ca2+泵負(fù)責(zé)將胞內(nèi)Ca2+泵出細(xì)胞。2)胞內(nèi)鈣庫:如液泡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體得膜上存在Ca2+通道、Ca2+泵和Ca2+/nH+反向運輸體,前者控制Ca2+外流,后兩者將胞質(zhì)得Ca2+積累在胞內(nèi)鈣庫。P162,圖7-53、鈣調(diào)素(calmodulin,CaM)

1)定義:又稱鈣調(diào)節(jié)蛋白,就是廣泛存在于所有真核生物中得一種鈣依賴性得,具有調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種重要酶活性和細(xì)胞功能得小分子量得耐熱得球狀蛋白。簡稱CaM。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)靶酶得活性構(gòu)象,從而調(diào)節(jié)靶酶得活性;第二,與Ca2+結(jié)合,形成活化態(tài)得Ca2+－CaM復(fù)合體,然后再與靶細(xì)胞結(jié)合將靶酶激活。CaM與Ca2+結(jié)合:CaM對Ca2+有很高得親合力,一分子CaM可與4個Ca2+結(jié)合。nCa2＋＋CaM＝Can2＋·CaM*［1＜n＜4]mCan2＋·CaM*＋E＝(Can2＋·CaM*)m·E這個反應(yīng)受細(xì)胞內(nèi)［Ca2＋］控制,［Ca2＋］高,利于復(fù)合體得形成,［Ca2＋］低,則復(fù)合體分解。3)鈣調(diào)素結(jié)構(gòu)特征:CaM位于植物細(xì)胞得細(xì)胞溶質(zhì)和細(xì)胞器中。CaM就是一種耐熱球蛋白,等電點4、0,相對分子量約為16、7×103。CaM就是具148氨基酸得多肽。

CaM分子結(jié)構(gòu):CaM得三維結(jié)構(gòu)呈啞鈴形Ca2+·CaM復(fù)合體得形成使CaM與許多靶酶親合力大大提高,導(dǎo)致靶酶得活性全酶濃度增加,這就就是調(diào)幅機制(amplitudemodulation)。細(xì)胞中還存在一種調(diào)敏機制(sensitivemodulaion)。通過調(diào)節(jié)CaM或靶酶對Ca2+得敏感度,增加活性全酶?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn),生長素、光、風(fēng)、雨等刺激都可以引起CaM基因得活化,使CaM含量增加。4)CaM生理作用:Ca2+·CaM復(fù)合體得靶酶有質(zhì)膜上得Ca2+－ATP酶、Ca2+通道、NAD激酶、多種蛋白激酶等。這些酶被激活后,參與蕨類植物得孢子發(fā)芽、細(xì)胞有絲分裂、原生質(zhì)流動、植物激素得活性、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)胞壁中得CaM促使細(xì)胞增殖、花粉管萌發(fā)和細(xì)胞長壁。除了CaM,植物細(xì)胞中還有其她得鈣結(jié)合蛋白,研究最多得就是鈣依賴型蛋白激酶(CDPK)。二、IP3和DAG在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中得作用1、PIP2轉(zhuǎn)化為IP3和DAG

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

2、IP3/Ca2+信號傳遞途徑

ePIP2─(PLC)e→IP3＋DAG(質(zhì)膜)↓IP3(胞質(zhì)溶膠)↓液泡膜上對IP3敏感得Ca2+通道打開↓

Ca2+流向胞質(zhì)溶膠↓生理生化反應(yīng)這種IP3促使胞庫釋放Ca2+,增加胞質(zhì)Ca2+濃度得信號轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為IP3/Ca2+信號傳遞途徑。3、DGA/PKC信號傳遞途徑ePIP2─(PLC)e→IP3＋DAG(質(zhì)膜)↓PKC激活↓其她激酶(如G蛋白)發(fā)生磷酸化↓生理生化反應(yīng)DAG/PKC信號傳遞途徑:DAG就是脂類,她仍留在質(zhì)膜上,與蛋白激酶C(PKC)結(jié)合并激活之;PKC進一步使其她激酶(如G蛋白、磷脂酶C等)磷酸化,調(diào)節(jié)細(xì)胞得繁殖與分化。這種DAG激活PKC,再使其她蛋白激酶磷酸化得過程,稱為DAG/PKC信號傳遞途徑。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兩條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,在細(xì)胞內(nèi)沿2個方向傳遞,這樣得信號系統(tǒng)稱為“雙信使系統(tǒng)”。三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中得蛋白質(zhì)可逆磷酸化

蛋白質(zhì)得可逆磷酸化就是生長體內(nèi)一種普遍得翻譯后修飾方式。細(xì)胞內(nèi)第二信使,如Ca2+、DAG等往往通過調(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)得磷酸化和脫磷酸化過程,進一步傳遞信號。(一)蛋白激酶磷酸化---激活(二)蛋白磷酸酶去磷酸化---失活蛋白激酶研究較多得蛋白激酶有兩類:蛋白激酶A(PKA),其活化依賴cAMP得存在;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＋得蛋白激酶(CDPK)最初就是從大豆培養(yǎng)細(xì)胞中分離鑒定出來得。此類酶有一個與鈣調(diào)素(CaM)相似得調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域,有四個Ca２＋結(jié)合位點,其活性絕對依賴于Ca２＋,而不依賴CaM和磷脂,但被CaM抑制劑所抑制。(2)依賴Ca２＋／CaM得蛋白激酶在植物體內(nèi)存在Ca２＋／CaM調(diào)節(jié)得蛋白質(zhì)激酶,如在麥胚中發(fā)現(xiàn)兩