植物细胞信号转导

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,植物细胞信号转导,第,一,节 植物体内的信号传导,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,各种外部信号影响植物的生长发育,光质光受体信号转导组分光调节基因向光性反应,对于植物细胞来讲，有来自相邻细胞的刺激、细胞壁的刺激、激素、温度、光照等等刺激，,连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,植物的信号分子,信号传导分子途径：,胞间信号传递,膜上信号转换,胞内信号转导,(,蛋白质可逆磷酸化,),细胞反应。,图,6-25,细胞信号传导的主要分子途径,IP,3,.,三磷酸肌醇；,DG.,二酰甘油；,PKA.,依赖,cAMP,的蛋白激酶；,PK Ca,2+,依赖,Ca,2+,的蛋白激酶；,PKC.,依赖,Ca,2+,与磷脂的蛋白激酶；,PK,Ca,2+,CaM.,依赖,Ca,2+,CaM,的蛋白激酶从而使细,胞作出反应。,胞间信号分子,胞内信号分子,按作用范围分,：,胞间信号传递,膜上信号转换,胞内信号转导,胞内分子反应,一、胞间信号,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),。,植物体内的胞间信号可分为两类，即,化学信号,和,物理信号,。,(,一,),化学信号,(chemical signals ),干旱,ABA,CTK,正化学信号,负化学信号,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,。,虫咬,寡聚糖,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。,虫咬,不会产生,PIs,产生,PIs,产生,PIs,受伤西红柿植株蛋白激酶特制物生物合成快速诱导信导途径的假定模式图,已知,1,3-D-,葡聚糖、寡聚半乳糖醛酸,、,富含甘露糖的糖蛋白,、,聚氨基葡萄糖,等都是构成细胞壁的主要成分，它们除了具有支持细胞框架的功能外，还起诱导抗性和控制发育的信号作用，成为引人注目的胞间信号分子。,此外，一些生长调节物质如,壳梭孢菌素,、花生四烯酸以及乙酰胆碱等也都具有化学信号的功能。,植物激素是植物体主要的胞间化学信号,9,大类植物激素,(,二,),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,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。,受触及的含羞草小叶在,1,至,2,秒钟向下弯，这是由于电波引发叶枕运动细胞中大量的,K,+,和,Ca,+2,转运，引起膨压改变的结果,图,17.14,Albizia pulvini,背侧和腹侧的运动细胞之间的离子流调节了小叶的开放与闭合。,怀尔登,(Wildon),等用番茄做实验，指出由子叶伤害而引起第一真叶产生蛋白酶抑制物,PIs,的过程中，动作电位是传播的主要方式。他们采取让电信号通过后马上就除去子叶以及使子叶叶柄致冷以阻碍筛管运输、排除化学物质传递的试验，其结果都证明,单有电信号就可以引起,PIs,反应,，而且他们也首次证明了,电信号可引起包括基因转录在内的生理生化变化,。,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。,伤害,产生,PIs,电信号通过后去子叶,(,三,),胞间信号的传递,1.,化学信号的传递,(1),气相中传递,易挥发性化学信号可通过植株体内的,气腔网络扩散,而迅速传递，传递速度可达,2mms,-1,左右。乙烯和茉莉酸甲酯均属此类信号。,(2),韧皮部传递,植物体内许多化学信号物质，如,IAA,、茉莉酸甲酯、寡聚半乳糖、水杨酸等都可通过韧皮部途径传递。,(3),木质部传递,化学信号可通过集流的方式在木质部内传递。土壤干旱胁迫时，根系可迅速合成并输出,ABA,。合成的,ABA,可通过木质部蒸腾流进入叶片，并影响叶片中的,ABA,浓度，从而抑制叶片的生长和气孔的开放。,3.,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,。,4.,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。,Robert F. Furchgott SUNY Health Science Center Brooklyn, NY, USA. 1916,Louis J. Ignarro Dept. of Molecular and Medical PharmacologyUCLA School of MedicineLos Angeles 1941,Ferid Murad Dept. of Integrative BiologyPharmacology and PhysiologyUniversity of Texas Medical School, Houston,A New Principle,Nitric Oxide, NO, is a short-lived, endogenously produced gas that acts as a signaling molecule in the body. Signal transmission by a gas, produced by one cell, which penetrates membranes and regulates the function of other cells is an entirely new principle for signaling in the human organism.,NO as a signalling molecule for 1998 Nobel prize,Furchgotts sandwich,Robert F Furchgott showed that acetylcholine-induced relaxation of blood vessels was dependent on the endothelium. His sandwich experiment set the stage for future scientific development. He used two different pieces of the aorta; one had the endothelial layer intact, in the other it had been removed.,Hemoglobin (yellow) exposed to endothelial cells that were stimulated to produce EDRF (green),Hemoglobin (yellow) directly exposed to NO (green) The shift of absorption curves is identical, hence EDRF is NO,Ignarros spectral analysis,Louis Ignarro reported that EDRF relaxed blood vessels. He also identified EDRF as a molecule by using spectral analysis of hemoglobin. When hemoglobin was exposed to EDRF, maximum absorbance moved to a new wave-length; and exposed to NO, exactly the same shift in absorbance occurred! EDRF was identical with NO. A new principle for signalling between human cells was discovered.,Murads enzyme activation,Ferid Murad knew that nitroglycerine caused relaxation of smooth muscle cells. The enzyme, guanylyl cyclase, was activated and increased cyclic GMP, causing relaxation of the muscle. Did nitroglycerin act via release of nitric oxide, NO? He bubbled NO-gas through tissue containing the enzyme; cyclic GMP increased! A new mode of drug action had been discovered!,In atherosclerosis, plaques reduce blood flow in the arteries. This decreases oxygen supply to the heart muscle causing chest pain (angina pectoris) and sometimes even myocardial infarction. Treatment with nitroglycerine provides NO, dilates the vessels, and increases blood flow. Thanks to this years Nobel Laureates we now understand how nitroglycerine, an important heart medicine, works. It acts as a NO donor, causes dilation of the blood vessels, increases oxygen supply and protects the heart from damage and cell death.,Nitroglycerine a 100 year old explosive and heart medicine,Alfred Nobel suffered from angina pectoris and was prescribed nitroglycerine. In a letter to a friend he wrote:,It sounds like the irony of fate that I have been prescribed nitroglycerine internally. They have named it Trinitrin in order not to upset pharmacists and the public.Your affectionate friend,A. Nobel,NO is important for signalling between nerve cells in the brain,NO is involved in the normal defence against bacterial and parasitic infections,二、膜上信号的转换,胞间信号从产生位点经长距离传递到达,靶细胞,，靶细胞首先要能感受信号并将胞外信号转变为胞内信号，然后再启动下游的各种信号转导系统，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。,信号转导：,刺激受体信号整合与放大基因表达反应,(,一,),受体与信号的感受,受体,(receptor),是指,在效应器官细胞质膜上或亚细胞组分中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,。与能受体结合的特殊信号物质称,配体,(Ligang),。受体可以是,蛋白质,，也可以是一个,酶,系。,受体的主要特性：,能与配体特殊结合；,高度的亲和力；,饱和性。,根据受体在细胞中的位置，可将它分为,细胞表面受体,和,胞内受体,。,外部信号与细胞表面的或与细胞质或核内部的受体结合。,许多亲水的分子如肽、碳水化合物和渗透的信号不易通过质膜，因而在细胞表面被察觉,(,如配体,1),，两性的和疏水的分子，如生长调节剂，能通过质膜，因而能被细胞表面受体或细胞内部的受体察觉,(,如配体,2),在多数情况下信号分子与细胞表面的受体分子结合。许多亲水的分子如肽、碳水化合物和渗透的信号不易通过质膜，而与细胞表面的受体相结合,一般认为受体存在于质膜上。然而植物细胞具有细胞壁，它可能使某些胞间信号分子不能直达膜外侧，而首先作用于细胞壁。一些外界刺激有可能通过,细胞壁,质膜,细胞骨架蛋白变构,而引起生理反应。,两性的和疏水的分子，如生长调节剂，能通过质膜，因而能被细胞表面受体或细胞内部,(,如细胞核上,),的受体结合。甾类化合物是疏水性小分子，可以简单扩散进入细胞，与细胞内受体结合，调节基因转录。,目前研究比较活跃的受体是,光敏受体和激素受体,以及可能起受体作用的,激发子结合蛋白,。,茉莉酸的生物合成和信号转导示意图,13S-HPOT.13-,过氧羟基亚麻酸,; 12-OXO-PDA.12-,氧代,-,植物二烯酸,; OPC-80. 3,氧,代,-(2-,戊烯基,)-,环戊烷,-1-,辛酸,18.4,蓝光和红光经常相互影响和交替作用于植物的发育,. DET (,去黄化,),和,COP(,光形态发生组分,),两类蛋白通常维持暗中黄化过程,(A)G,蛋白偶连受体,活化时,G,蛋白连接受体传递信息到,G,蛋白质，其上有,GTP,。,GTP,复合体中的,-,亚基能与,、,亚基分开，进入细胞质激活其他酶。,(B),酶偶连受体,受体通常是蛋白激酶，与信号结合后，随受体活化，内部分子磷酸化，传递信息,。,(C),离子通道偶连受体,受体可能本身细胞表面重要的通道。接受信号时，通道开放。也有些离子通道连接受体是在内部膜上。,动物细胞中质膜上的三种类型的受体,(,二,)G,蛋白,(G protein),在受体接受胞间信号分子到产生胞内信号分子之间，通常认为是通过,G,蛋白将信号转换偶联起来,，故,G,蛋白又称,偶联蛋白或信号转换蛋白,。,G,蛋白全称为,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。,二十世纪,70,年代初在动物细胞中发现了,G,蛋白的存在，进而证明了,G,蛋白是,细胞膜受体与其所调节的相应生理过程之间的主要信号转导者。,G,蛋白的信号偶联功能是靠,GTP,的结合或水解产生的变构作用完成,。当,G,蛋白与受体结合而被激活时，继而触发效应器，把胞间信号转换成胞内信号。而当,GTP,水解为,GDP,后，,G,蛋白就回到原初构象，失去转换信号的功能。,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。,植物,G,蛋白,的研究始于,80,年代，并已证明,G,蛋白在高等植物中的普遍存在，也证明它在光、植物激素对植物的生理效应、在跨膜离子运输、气孔运动、植物形态建成等生理活动的细胞信号转导过程中有重要调节作用。,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，可以启动不同的信号转导。,G,蛋白,细胞内的,G,蛋白一般分为两大类：,异源三体,G,蛋白：,由三种亚基,(,、,、,),构成,小,G,蛋白：,只含有一个亚基的单体,图,18.30,与,GTP,结合的人类,Ras,的鸟嘌呤核苷酸区域三维结构图；这种结构是用一种不可水解的,GTP,类似物测定的。被标记的,10,个环，将,6,个,折叠,(,箭头,),与,5,个,螺旋连接起来。这种,Ras,结构是在动物，植物与真菌中发现的，其它小分子,GTP,酶的模型。,G,蛋白位于膜内侧，并与质膜紧密结合。,某种刺激信号与其膜上的特异受体结合后，激活的受体将信号传递给,G,蛋白，,G,蛋白的,亚基与,GTP,结合而被活化。活化的,亚基与,和,亚基复合体分离而呈游离状态，,活化的,亚基继而触发效应器,(,如磷酸脂酶,C),把胞外信号转换成胞内信号。,而当,亚基所具有的,GTP,酶活性将与,亚基相结合的,GTP,水解为,GDP,后，,亚基恢复到去活化状态并与,和,亚基相结合为复合体。,这样完成一次循环。,18.31,异源三体,G,蛋白的活动循环,1,2,3,4,图,18.36,磷脂酶,A2,（,PLA2,）在植物信号反应中假定的作用。,PLA2,的活化作用将磷脂酰胆碱（,PC,）水解成为溶血卵磷脂（,LysoPC,）释放的自由脂肪酸可以用于调节基因表达诱导作用的茉莉酸。虽然连接所有组分的确切关系尚未完全阐明，这种途径也无疑在胁迫信号的传导过程中具有重要的作用。,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),。,胞外信号经跨膜转换之后，通过,第二信使进一步传递和放大，最终引起细胞内的生化反应。,三、胞内信号的转导,植物中的的第二信使，主要是,cAMP,、,cGMP,、,DAG,、,IP,3,、,Ca,2+,等。,二酰甘油,肌醇,-1,4,5-,三磷酸,植物细胞质中,Ca,2+,含量一般在,10,-7,10,-6,molL,-1,，而胞外,Ca,2+,浓度约为,10,-4,10,-3,molL,-1,；胞壁是细胞最大的,Ca,2+,库，其浓度可达,1,5molL,-1,；细胞器的,Ca,2+,浓度也是胞质的几百到上千倍，所以,Ca,2+,在植物细胞中的分布极不平衡。,1.,钙信号系统,钙离子,植物细胞内的游离钙离子是细胞信号转导过程中重要的第二信使,植物细胞内,Ca,2+,存储之间的关系是复杂的，,Ca,2+,浓度在细胞器中是高的，但在细胞壁中与细胞质中是低的。当细胞发生信号反应时，多种细胞器上或质膜上的通道都打开了，使得,Ca,2+,能够沿着其化学梯度扩散进入细胞质。,Ca,2+,ATP,酶以及可能,Ca,2+,/H,+,反向运输载体将细胞质浓度返回到其开始的数值。所知的是，显示的,Ca,2+,的亚细胞浓度（内质网所引用的值从,0.1,到,1mM,不等）。,细胞质结合位点的浓度已经在约,0.5,到,1mM,时测量。自由的细胞质,Ca,2+,与这些结合位点是相等的。细胞质,Ca,2+,浓度的上升，活化了钙调素，因此启动了接下来的下游反应。,IP,3,，,1,，,4,，,5-,三磷酸肌醇。,图,18.43,细胞信号反应过程中胞内外,Ca,2+,的相互作用,质膜与细胞器上的,Ca,2+,泵和,Ca,2+,通道，控制细胞内,Ca,2+,的分布和浓度；质膜上,Ca,2+,泵将膜内的钙泵出细胞，质膜上,Ca,2+,通道控制,Ca,2+,内流，细胞器膜的,Ca,2+,泵将胞质中,Ca,2+,的积累在细胞器,(,胞内钙库,),中，,Ca,2+,通道则控制,Ca,2+,外流。胞内外信号可调节这些,Ca,2+,的运输系统，引起,Ca,2+,浓度变化。,植物细胞中,Ca,2+,的运输系统,胞内游离钙离子浓度的变化可能主要是通过钙离子的跨膜运转或钙的螯合物的调节而实现的,，此外，在质膜、液泡膜、内质网膜上都有钙离子泵或钙离子通道的存在,(,图,6-26),许多信号如蓝光、触摸能改变膜势和活化通道，使钙能进入，增加胞质中,Ca,+,，这样引起,K,+,和,Cl,+,通道的打开，失去膨压，这种分别的转导途径通过,Ca,+,/,钙调蛋白激酶和其他蛋白联系起来。蓝光和触摸也能通过其他路线改变细胞内的,Ca,+,、,几乎所有的,胞外刺激信号,(,如光照、温度、重力、触摸等物理刺激和各种植物激素、病原菌诱导因子等化学物质,),都可能引起胞内游离钙离子浓度的变化,，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钙离子浓度变化的不同形式来体现。,细胞质中开放的,Ca,+2,通道附近,Ca,+2,的分配,颜色区表示,Ca,+2,浓度，红的最高，蓝的最低,红光诱导小麦叶片原生质体胞质中,Ca,2+,的变化，用对,Ca,2+,敏感的螢光染料,-3,，共焦显微图。高,Ca,2+,处为红色，低,Ca,2+,处为蓝色。数字为加入染料后时间秒，只能看到一半的原生质体，因为螢光染料不能进入液泡。,图,18.48,花粉管在其顶端区域维持了一个稳定的细胞质,Ca,2+,梯度。,Ca,2+,i,的稳定梯度对生长尤为重要，是来源于与顶端相关的,Ca,2+,通道的聚焦。花粉管可以用例如,indo-1,或,fura-2,的,Ca,2+,敏感性比例的成像染色剂,并通过荧光显微照相相对于,Ca,2+,进行定量。,图,18.52,鸭跖草单个保卫细胞在,0,时刻将其在,20,M,到,1mM,的培养介质中改变其,Ca,2+,浓度后，,Ca,2+,的荧光比例图象。单个保卫细胞用比例染色剂,indo-1,进行染色。在介质改变之后的（从左向右）,0,，,2,与,5,分钟（上排）以及,10,，,20,，,30,分钟（下排）后所拍摄的比例照片。明亮区域的形象是插入来表现保卫细胞的气孔。,图,18.53 (A),细胞质中,Ca,2+,的摆动可能是来源于内质网,Ca,2+,储存的充实与空虚。箭头的大小表示了流动的速率。当内质网缺乏,Ca,2+,时，,Ca,2+,被螯合进入了内质网。当内质网,Ca,2+,充实的时候，,Ca,2+,被释放出来。这两种机理的基础可能是通过细胞器中的通道与,ATP,酶活性的改变起作用。,（,B,）,Ca,2+,i,的摆动伴随着花粉管的生长而进行。荧光比例图象是以,1,分钟间隙拍摄，从而揭示了尖端,Ca,2+,的摆动。,图,18.54,生长花粉管中的,Ca,2+,波,（,A,）罂粟花粉管在,Ca,2+,-,敏感性的荧光染色剂，,fluo-3,的彩色图象，这些图象表现的是,0,时刻（图片的顶部）处理的,1,，,4,，,5,三磷酸肌醇光解后的情况。诱导的,Ca,2+,波是在细胞核的附近（在花粉管细胞质的中央区域）。这些波大约在,1,分钟内到达花粉管的顶端，在其前进的过程中，可能会摆动。这些照片是在光解释放后特定的时间间隔下拍摄的。,（,B,）在束缚态,IP,3,光解作用后，在花粉管中可以观察到,Ca,2+,的演绎机制。此波极有可能通过质膜中,Ca,2+,依赖的磷酸脂酶,C,而传播的，因为,IP,3,的合成从细胞内存储中动员了,Ca,2+,。当波到达尖端时，生长便受到抑制；当其恢复时，生长就被重新定位了。,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。,胞外刺激信号可能直接或间接地调节这些钙离子的运输系统，引起胞内,游离钙离子浓度变化以至影响细胞的生理生化活动,。,图,3.49 Ca,2+,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,受体（,R,）感受,ABA,的作用导致了,Ca,2+,的输入或,Ca,2+,从内部储存中的释放，,细胞质中的自由,Ca,2+,浓度提高，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,。,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,。,图,18.26,保卫细胞中束缚态,ABA,的光解会导致气孔关闭。（,A,）一种束缚态的,ABA,，,1,（,2-,硝基苯基）,-,乙基,-ABA,，它是依赖于,UV,光的。当其被装载进入保卫细胞并被光分解时，束缚态的,ABA,就会转变为自由态的,ABA,，并导致保卫细胞的关闭。（,B,）表现,ABA,对气孔效应的光学显微照片。保卫细胞被用束缚态的,ABA,进行装载（左图）并发生光裂解，从而导致了气孔的关闭（右图）。,图,18.27 ABA,可能的传导途径。,通常认为,ABA,与一个受体相结合（未显示），从而允许了质膜上,Ca,2+,的直接进入并激发了一种,Ca,2+,敏感的蛋白质磷酸酶（,ABI1,）。,胞内,Ca,2+,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：,钙调素和钙依赖型蛋白激酶。,钙调素,(calmodulin,CaM),是最重要的多功能,Ca,2+,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,Ca,2+,结合位点。,当,外界信号刺激,引起胞内,Ca,2+,浓度上升,到一定阈值后,(,一般,10,-,mol),Ca,2+,与,CaM,结合,，引起,CaM,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,Ca,2+,-CaM,的调控，如多种蛋白激酶、,NAD,激酶、,H,+,-ATPase,、,Ca,2+,-ATP,酶、,Ca,2+,通道等。,在以光敏色素为受体的光信号传导过程中,Ca,2+,-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。,钙调素,A.,钙调素呈哑铃形，长为,6.5nm,，每个哑铃球是有,2,个,Ca,2+,结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄，无,Ca,2+,结合时，两个球部沿着中心螺旋折叠。,B.,形成,Ca,2+,-CaM,复合体后，结合到靶酶上。,Ca,2+,-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，,Ca,2+,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,缺少光敏色素番茄突变体用微量注射纯的光敏色素后用红光照射可促使叶绿体发育。这一处理效果可被微量注射,cGMP,和,Ca,2+,替代。,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；,Ca,2+,-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,Ca,2+,-CaM,一起诱导,PS,和,Cyt b,6,/f,的合成,(,图,6-27),。,图,6-27,光诱导的花色素苷和叶绿体某组分的合成,2.,肌醇磷脂信号系统,对于生物膜在信号转导中的作用，多年来人们把注意力集中在功能繁多的膜蛋白上，而脂质组分仅被看成是种惰性基质。,80,年代后期的研究表明，质膜中的某些磷脂，在植物细胞内的信号转导过程中起了重要作用。,肌醇磷脂,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,等基团，其肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目的磷酸酯化，其总量约占膜磷脂总量的,1/10,左右，主要以三种形式存在于植物质膜中，即：,磷脂酰肌醇,(PI),、,磷脂酰肌醇,-4-,磷酸,(PIP),磷脂酰肌醇,-4,5-,二磷酸,(PIP,2,),。,PI,PIP,PIP,2,特定的磷脂酶在特定的分裂位点降解膜磷脂,图,6-28,肌醇磷脂的分子结构,箭头所示为不同磷脂酶,(A,1,、,A,2,、,C,、,D),的作用位点，肌醇环上,4,，,5,位羟,基可在专一性激酶作用下磷酸化,细胞外刺激信号或激素等物质被质膜上专一受体接受，经,G-,蛋白激活磷酸脂酶,C(PLC),，使磷脂酰肌醇,-,4,5-,二磷酸,(PIP,2,),水解生成二酰甘油,(DAG),和肌醇,-1,4,5-,三磷酸,(IP,3,),，,IP,3,与细胞内贮钙体膜上专一受体结合，促使,Ca,2+,从液泡中释放出来，,Ca,2+,与,CaM,结合形成,Ca,2+,-CaM,复合物，仍留在质膜上的,DAG,使蛋白激酶,C(PKC),激活，催化蛋白质磷酸化；,Ca,2+,-CaM,和蛋白质,(,酶,),磷酸,化导致细胞反应。,IP,3,产生后很快被磷酸二酯酶水解，首先产生肌醇,-1,4-,二磷酸,(IP,2,),，继而是肌醇单磷酸,(IP),及磷脂酰肌醇,(PI),，返回膜中。表示活化。,肌醇磷酸代谢循环过程,IP,3,作为信号分子，在植物中它的主要作用靶为液泡，,IP,3,作用于液泡膜上的受体后，可影响液泡膜形成离子通道，使,Ca,2+,从液泡这一植物细胞中重要的贮钙体中释放出来，引起胞内,Ca,2+,浓度提高，从而启动胞内,Ca,2+,信号系统来调节和控制一系列的生理反应。,DAG,的受体是蛋白激酶,C(PKC),，在一般情况下，质膜上不存在自由的,DAG,。在有,DAG,、,Ca,2+,时，磷脂与,PKC,分子相结合，,PKC,激活，使某些酶类磷酸化，导致细胞反应；,由,磷酸脂酶,C,的活化到引起胞质钙增加的传导顺序。与质膜结合的,磷酸脂酶,C,由,G,蛋白活化，,磷脂酰,-4,5-,二磷酸由磷酸脂酶,C,水解产生第二信使,肌醇,-1,4,5 -,三磷酸和二酰甘油，肌醇,-1,4,5 -,三磷酸活化与,内质网或液泡连结的,肌醇,-1,4,5 -,三磷酸受体，而开始释放,Ca,2+,。磷脂化合物磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇,-4-,磷酸、肌醇,-1,4-,二磷酸和肌醇单磷酸,循环使用。,肌醇,-1,4-,二磷酸,肌醇单磷酸,磷脂酰肌醇,肌醇,-1,4,5 -,三磷酸,磷脂酰,-,4,5-,二磷酸,二酰甘油,磷脂酰肌醇,-4-,磷酸,磷酸脂酶,C,图,18.37,在磷脂酶,C,（,PLC,）与磷脂酶,D,（,PLD,）之间可能相互作用的推测图。磷脂酸（,PtdOH,）从膜磷脂因为,PLD,的作用而释放会诱导包含,Ca2+,与其它靶物（如，蛋白质激酶，肌动蛋白的组装与分泌）在内的几种信号反应的变化。多种因素，包括通道开放，异型三聚体,G,蛋白的促效及刺激的活化作用，以及由于热，冷或寄生虫而造成的膜的破坏，都能够造成膜的破坏，都能够通过钙调素结合区域（,CalB,）与自由,Ca2+,而活化,PLD,。,Mastoparan,（蜂毒中的一种多肽），霍乱病毒以及乙醇能够直接模仿,G-,蛋白的活化作用。活化的,PLD,由重新回到质膜上，并在此水解了磷脂酰胆碱（,PC,）。,PtdOH,可以作为离子载体，使得更多的,Ca2+,进入细胞质。,PtdOH,同时也可以一个由,DAG,激酶催化的反应中的甘油二脂（,DAG,）合成。伴随的,DAG,相关的,PLC,的激发作用将会进一步提高,DAG,激酶的活性。,PtdOH,也可能会由于,PtdOH,激酶作用的甘油二脂焦磷酸（,DGPP,）的转化作用而发生钝化。,PtdOH,的任何增加都会扩大,PLC,的信号的级联反应，这个反应是通过激发磷脂酰激酶肌醇,-4-,磷酸,-5-,激酶（,PIPKIN,）反应而进行，这个激发反应将,PIP,转化为,PLC,底物,PIP2,。,还有一些物质被认为具有第二信使的作用，如,cGMP(,环鸟苷酸,),、,H,+,、某些氧化还原剂,(,如抗坏血酸、谷光甘肽和过氧化氢,),。,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。,环,3,，,5-AMP(cAMP),的合成和分解分别由腺苷环化酶和环,AMP,磷酸二酯酶催化。,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,蛋白之后的下游信号转导过程，环核苷酸信号系统与,Ca,2+,-CaM,信号转导系统在合成完整叶绿体过程中协同起作用,(,见下页图,),。,3.,环核苷酸信号系统,cAMP,蔡南海,(NamHai Chan),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表达所必需的光信号传导过程。将信号系统中各组分，如光敏色素,A,、,G,蛋白激活剂，,Ca,2+,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得出结论：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；,Ca,2+,-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,Ca,2+,-CaM,一起诱导,PS,和,Cyt b,6,/f,的合成,图,6-27,光诱导的花色素苷和叶绿体某组分的合成,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 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,。,蛋白质可逆磷酸化反应式,NTP,代表,ATP,或,GTP,，,NDP,代表,ADP,或,GDP,，,外来信号与相应的受体结合，会导致后者构象发生变化，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，引起细胞反应。,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,18.63,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,通过受体激活一系列的蛋白激酶，导致蛋白质磷酸化的,级联,(cascade),反应,，在一系列反应中，前一反应的产物是后一反应中的催化剂，每次修饰就产生一次放大作用,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。,(,一,),蛋白激酶,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,(calciumdependent 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,Ca,2+,结合后，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。,钙依赖型蛋白激酶,+Ca,+2,激酶活性,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,17 000,高度磷酸化的蛋白质以及另一个分子量为,65 000,，具有蛋白激酶活性的蛋白质，蛋白激酶的活性依赖于,Ca,2+,的存在。,筛管汁液内依赖,Ca,2+,的蛋白激酶的发现，说明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,Ca,2+,的浓度,Ca,2+,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。,(,二,),蛋白磷酸酯酶,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,Type2C,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。,图,18.36,磷脂酶,A2,（,PLA2,）在植物信号反应中假定的作用。,PLA2,的活化作用将磷脂酰胆碱（,PL,）水解成为溶血卵磷脂（,LysoPC,）释放的自由脂肪酸可以用于调节基因表达诱导作用的茉莉酸。虽然连接所有组分的确切关系尚未完全阐明，这种途径也无疑在胁迫信号的传导过程中具有重要的作用。,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,+,、,H,2,O,2,、,Mg,2+,、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。,图,18.71,在植物信号传导网络中一些已知的反应。,这些反应的复杂性可能会随着研究研究的深入而得到进一步的了解。网络中央的图形为蛋白质激酶，其中有许多蛋白质激酶还有待进一步描绘,MAPK-,促分裂素活化的蛋白质激酶。,植物对病原体产生的激发与抑制物的反应,A.,抗性寄主的抗病反应,。抗性寄主能识别病原体产生的激发子，识别反应后激活信号转导系统引起,Ca,2+,的释放和蛋白酶的磷酸化，诱导抗病基因活化，导致植保素、病原相关蛋白等抗病因子的生物合成，从而抗御病原体的侵染。,B.,寄主的感病机理,。病原体产生的抑制物如寄主特异毒素,HST,，能抑制质膜上,ATP,酶的活性，使质膜中信号转导系统丧失功能，不能对病原体的侵染及时作出反应，即抗病基因不活化，细胞不合成抗病因子；也可能病原体产生的抑制物直接抑制抗病的基因的表达，从而使寄主感病。,PI.,磷脂酰肌醇；,PIP.,磷脂酰肌醇,-4-,磷酸；,PIP,2.,磷脂肌醇二磷酸；,PA.,磷脂酸；,DAG.,二酰甘油；,lysoPA.,可溶性磷脂酸；,IP,3,.,肌醇,-1,，,4,，,5-,三磷酸；,cAMP.,环腺苷酸,图,18.72,传导子可能的组分，一种用来传导信号的蛋白质复合体,Ca,2+,通道与,Ca,2+,-ATP,酶是与,Ca,2+,信号的调节作用相关的。钙调素，蛋白质激酶以及磷酸酶处理了,Ca,2+,信号的解释。肌动蛋白微丝的贴近表明,Ca,2+,信号反应的主要靶物包含了细胞骨架的改变。,