植物生理学-信号转导

植物生理学-信号转导第一页，共61页。第五章植物细胞的信号转导内容提要一、胞间信号的传递二、跨膜信号的转换三、胞内信号的转导*四、蛋白质的可逆磷酸化与基因表达的调控作业14第二页，共61页。第五章植物细胞的信号转导重点：1、跨膜信号的转换2、胞内信号的转导难点：细胞信号转导的分子途径第三页，共61页。第五章植物细胞的信号转导物质、能量、信息，这三个量有组织、有次序的活动是生命的基础。——贝时璋生物体内存在两个信息系统：遗传信息系统：中心法则环境信息系统：环境信息传递法则环境信息传递系统对生物体的物质、能量代谢起重要的调节和协调作用。第四页，共61页。第五章植物细胞的信号转导概念信号(signal):信息的物质体现形式和物理过程，即刺激。信号转导(signaltransduction):细胞偶联各种刺激信号（内、外源信号）与其相应的生理反应之间的一系列分子反应机制。细胞信号转导的分子途径，大致可分为四个阶段：胞间信号传递→跨膜信号感应、转换→胞内信号转导→产生特异细胞反应.第五页，共61页。第六页，共61页。细胞信号转导的典型分子途径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的蛋白激酶第七页，共61页。第五章植物细胞的信号转导信号转导具有复杂性:植物的生命活动是复杂的，影响其生命活动的因素也是复杂的，因此参与传递信号的各因子之间的关系也是非常复杂的;信号系统实际是一个信号网络，多种信号分子、信号途径相互联系，立体交叉，协同作用，实现生物体中的信号转导过程。第八页，共61页。一、胞外刺激信号的传递能引起胞内信号的某些胞间信号和环境刺激，称为初级信使（primarymessenger），或第一信使（firstmessenger）。（一）环境刺激：光、温、水、矿质元素、重力、伤害、病原菌、毒物、气体等。第九页，共61页。一、胞外刺激信号的传递（二）胞间信号的传递环境刺激作用于植物体的不同部位时，会发生胞间信号的传递。1、化学信号化学信号(chemicalsignal)：细胞感受刺激后形成的、并能传递到效应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。第十页，共61页。（二）胞间信号的传递正化学信号(positivechemicalsignal)：随着刺激强度的增加，合成量及向效应位点输出量也随之增加。如植物受到水分亏缺胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸(ABA)，抑制叶片的生长和气孔的开放。负化学信号(negativechemicalsignal)：随着刺激强度的增加，细胞合成量及向效应位点输出量随之减少。如在水分胁迫时，根系合成和输出细胞分裂素(CTK)的量显著减少。第十一页，共61页。已知的化学信号物质：植物激素寡聚糖：1,3-β-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如叶片被虫咬伤后，它们可由由受伤叶片释放并经维管束转移，继而诱导蛋白酶抑制物(PIs)等基因表达，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。第十二页，共61页。已知的化学信号物质：一些生长调节物质，如：壳梭孢菌素水杨酸花生四烯酸茉莉酸、茉莉酸甲酯多胺类物质乙酰胆碱等第十三页，共61页。（二）胞间信号的传递胞间化学信号的传递途径和速度：韧皮部传递：速度为0.1～１mm/s（最高可达4mm/s）。如：ABA、JA-Me、寡聚半乳糖、水杨酸等。木质部传递：通过集流方式在木质部内传递。如：土壤干旱时根系迅速合成的ABA。气腔网络（air-spacenetwork）扩散：速度可达２mm/s，易挥发性化学信号的传递方式，如JA-Me，涝害或淹水时植株体内产生的乙烯。第十四页，共61页。（二）胞间信号的传递2、物理信号物理信号(physicalsignal)：细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的物理因子。如电信号和水力学信号等。（1）电信号: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。动作电波(actionpotential,AP，又称动作电位)：由不引起伤害的刺激使植物产生的“突起针峰”状波形的电波。可引起包括基因转录在内的生理生化变化。第十五页，共61页。2、物理信号动作电波传递途径：短距离传递通过薄壁组织（共质体及质外体），长距离传递则是通过维管束。传递速度：草本非敏感植物一般为10～20mm/s，敏感植物可高达200mm/s;涉及范围常限于节间。变异电波(VP)：由引起植物局部伤害的刺激使植物产生的“崎岖高原”状波形的电波。（研究较少）传递途径：一般是导管质外体。传递速度：5～10mm/s（较慢）。涉及范围可遍及植物全身。第十六页，共61页。2、物理信号（2）水力学信号：通过植物体内水连续体系中的压力势的变化传递信号。植物体内通过木质部系统形成的水连续体系贯穿植株的各部分，可传递压力。例如：玉米叶片木质部压力势的微小变化就能迅速影响叶片气孔的开度。传递途径：主要通过木质部系统长距离传递。传递速度：与植株的蒸腾流相同。第十七页，共61页。3、气体信号—NONO产生途径:NR催化硝酸盐和亚硝酸盐单电子还原反应产生；NOS（NO合酶）催化产生；非酶促反应产生NO生理作用：调节植物生长发育：促进种子萌发、豌豆叶片生长、生殖生长；调控光形态建成以及水稻根形态建成；延缓果实、叶片衰老等；作为防御反应的重要信使，参与植物生物和非生物胁迫的应答反应、细胞程序性死亡调节。第十八页，共61页。(一)受体与信号的感应细胞感受信号特点：细胞多通过受体与信号分子结合来感应外部信号；一种受体通常只引起一种类型信号转导过程；一种外部信号可同时被不同的受体识别，产生两种或多种胞内信使物质；一些外界刺激也可能通过引起细胞壁—质膜—细胞骨架蛋白变构而产生生理反应。如细胞壁对病原入侵的防御反应。二、跨膜信号的转换第十九页，共61页。二、跨膜信号的转换（一）受体与信号的感应受体(receptor)：能特异性识别并结合信号分子（配体，ligand），进而引起特异生物学效应的物质。一般为蛋白质（或酶系），个别是糖脂。根据受体的定位分：膜受体：位于细胞膜上，将胞外信号转入细胞内，通过胞内信号转导网络完成信息传递和信号放大。细胞内受体：包括胞浆受体（存在于细胞液内或液泡膜上）、核受体（存在于细胞核内）。第二十页，共61页。(一)受体与信号的感受受体的特点：特异性：受体只存在于某些特殊细胞中；亲和性：受体与其相应的配体具有高度的亲和性；饱和性：受体可以被配体饱和；有效性：受体与配体结合后一定要引起某种反应；可逆性：受体与配体结合可反复进行。第二十一页，共61页。(一)受体与信号的感受质膜受体主要类型：G-蛋白偶联受体：氨基端位于胞外侧，羧基端位于胞内侧，具与G-蛋白相互作用的区域。受体活化后，可激活G-蛋白。酶联受体：本身是一种酶，活化后可起酶的功能。离子通道偶联受体：本身是离子通道（如内质网膜上的IP3R钙离子通道）。激素受体：识别和转导植物激素信号的受体。光受体：光敏色素、隐花色素、紫外光-B受体。第二十二页，共61页。酶联受体假想结构（引自潘瑞炽，2005）第二十三页，共61页。二、跨膜信号的转换（二）G-蛋白(G-protein)：全称为GTP结合调节蛋白（GTPbindingregulatoryprotein）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，常常通过与受体偶联的G-蛋白进行转换的。G-蛋白位于质膜内侧。20世纪70年代初，Gilman和Rodbell在动物细胞中发现了G-蛋白的存在,1994年诺贝尔医学生理奖。第二十四页，共61页。二、跨膜信号的转换（二）G-蛋白(G-protein)高等植物中普遍存在G-蛋白：参与光、植物激素的生理作用、离子跨膜运输、气孔运动、植物形态建成等生理活动的细胞信号转导过程。类型：异源三聚体G蛋白：三种亚基(α、β、γ)构成；小G蛋白：只含有一个与α亚基相似的单体；超大G蛋白：为通常G蛋白的2倍大。它们都能结合GTP或GDP，并启动不同的信号转导。第二十五页，共61页。活化酶异源三体G蛋白作用模式（G蛋白触发的效应器，目前证据最充足的是磷脂酶C）第二十六页，共61页。三、胞内信号的转导次级信号或第二信使(secondmessenger):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信号因子。主要的第二信使系统：钙信号系统：Ca2+；肌醇磷脂信号系统：三磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DAG）；环核苷酸信号系统：cAMP、cGMP第二十七页，共61页。三、胞内信号的转导1、钙信号系统植物细胞内游离钙离子是细胞信号转导中重要的第二信使，影响细胞许多生理生化活动。植物细胞中Ca2+分布：细胞质中一般在10-7～10-6mol/L；胞外（质外体）约为10-4～10-3mol/L；细胞壁是最大的Ca2+库，浓度可达1～5mol/L；细胞器的Ca2+浓度也是胞质的几百到上千倍.第二十八页，共61页。三、胞内信号的转导1、钙信号系统引起胞质游离钙离子浓度变化的外部因素：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。不同刺激信号的特异性体现：通过钙离子浓度在时间、幅度、频率、区域化等上不同的变化形式来体现。第二十九页，共61页。三、胞内信号的转导引起胞质游离钙流入的途径：主要通过钙通道跨膜运转。电压门控通道：包括大阳离子通道（选择性低）、电压依赖性阳离子通道（选择性高）；配体门控通道：液泡膜和细胞器膜上受IP3激活的钙通道，液泡膜上受cADPR激活的钙通道。（cAMP、cGMP也可引起胞质Ca2+浓度升高，但机制不明）；张力门控通道（选择性弱）；pH梯度：跨质膜和液泡膜PMF可调节胞质Ca2+浓度。胞质酸化，Ca2+浓度则升高。第三十页，共61页。三、胞内信号的转导1、钙信号系统引起胞质游离钙流出的途径：钙泵（Ca2+-ATPase）：存在于质膜、液泡膜、内质网膜上；Ca2+/nH+反向运转器：存在于质膜、液泡膜、高尔基体膜上，利用PMF驱动Ca2+转运，不消耗ATP。胞质游离钙流动的反馈机制：精细控制胞质钙浓度负反馈：Ca2+激活钙依赖的磷酸酶（CaN），灭活液泡膜钙通道；正反馈：Ca2+激活PLC→产生IP3→激活钙通道。第三十一页，共61页。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。）植物细胞中Ca2+的运输系统第三十二页，共61页。三、胞内信号的转导1、钙信号系统胞质Ca2+作用方式：（1）与受体结合，调节离子通道，直接影响细胞生理生化活动例如，在ABA调节气孔关闭时，Ca2+与钙结合蛋白（CaBP）结合→抑制保卫细胞质膜上的内向钾离子通道，激活外向钾离子和氯离子通道→保卫细胞失水，气孔关闭。第三十三页，共61页。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+泵相协调第三十四页，共61页。三、胞内信号的转导1、钙信号系统作用方式：（2）直接激活一些酶的活性：如钙依赖的磷酸酶、蛋白激酶C（PKC）等。（3）与受体（钙调节蛋白）结合，激活一些调节酶活性植物中研究较清楚的钙调节蛋白主要有两种：钙调素（又称为钙调蛋白）钙依赖型蛋白激酶第三十五页，共61页。三、胞内信号的转导钙调素(calmodulin,CaM)：最重要的多功能Ca2+信号受体，由148个氨基酸组成的酸性蛋白，单链小分子（17～19KD），有4个Ca2+结合位点。作用过程:外界信号刺激→胞内Ca2+浓度上升到一定阈值(一般≥10～６mol/L)→Ca2+与CaM结合→CaM构象改变→活化的CaM与靶酶结合→活化靶酶→产生生理反应。受Ca2+-CaM调控的酶和生理过程:蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等（已知有十多种），以光敏色素为受体的光信号转导过程等。第三十六页，共61页。钙调素(CaM)假想结构（引自潘瑞炽，2005）第三十七页，共61页。三、胞内信号的转导钙离子依赖的蛋白激酶（CDPK）：具有类似CaM的钙结合位点，作用不依赖CaM，可能是植物中独有。作用过程:外界信号刺激→胞内Ca2+浓度上升→Ca2+与CDPK结合→CDPK激活→对蛋白质底物的特定氨基酸残基进行磷酸化修饰→直接引起生理反应，或调节基因表达。受CDPK调控的酶(或底物分子):细胞骨架成分、膜运输成分、质膜H+-ATPase等。第三十八页，共61页。三、胞内信号的转导2、肌醇磷脂信号系统：肌醇三磷酸（IP3）/二酰甘油（DAG）双信号系统肌醇磷脂(inositolphospholipid)是膜脂的组分：由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物，其总量约占膜脂总量的1/10左右。肌醇分子六碳环上的羟基可被不同数目的磷酸酯化。主要有三种形式：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(PIP2)。肌醇磷脂在磷脂酶C（PLC）作用下水解产生IP3和DAG。第三十九页，共61页。肌醇磷脂的分子结构　　　　　　（王忠，2009）PIPI(4)PPI(4,5)P2PI(3)PPI(3,4)P2PI(3,4,5)P3第四十页，共61页。IP3和DAG信号分子的产生（潘瑞炽，2005）二酰甘油（DAG）肌醇三磷酸（IP3）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)第四十一页，共61页。三、胞内信号的转导2.肌醇磷脂信号系统作用过程:胞外信号与膜受体结合→激活G蛋白→激活质膜中的磷酸脂酶C(PLC)→水解PIP2→产生肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DG或DAG)两种第二信使。因此，该系统又称双信号系统。IP3：作用于内质网或液泡膜上的受体后→活化离子通道→使Ca2+从内质网或液泡中释放出来→引起胞内Ca2+浓度升高→启动胞内Ca2+信号系统→调控生理反应。第四十二页，共61页。肌醇磷酸代谢循环过程第四十三页，共61页。三、胞内信号的转导2、肌醇磷脂信号系统IP3/Ca2+系统参与的植物信号途径：干旱和ABA引起的气孔开闭植物对病原微生物侵染及激发子诱导等环境刺激快速反应第四十四页，共61页。ABA引起的气孔开闭过程中，Ca2+信号系统由IP3信号激发第四十五页，共61页。三、胞内信号的转导2.肌醇磷脂信号系统作用过程:DAG：与受体[蛋白激酶C(PKC)]结合→激活PKC→使某些酶类磷酸化→产生细胞反应在一般情况下，质膜上不存在自由的DAG，在有磷脂、Ca2+时，DAG与PKC分子相结合，PKC激活。当胞外刺激信号消失后，DAG首先从复合物上解离下来，而使PKC酶钝化。第四十六页，共61页。应P第四十七页，共61页。三、胞内信号的转导3、环核苷酸信号系统动物细胞中：cAMP依赖的蛋白激酶(蛋白激酶A，PKA)是cAMP信号系统的作用中心。主要模式：cAMP激活PKA→靶细胞发生蛋白质磷酸化级联反应→调节代谢、基因表达及细胞反应植物中也广泛存在cAMP信号系统：调控离子通道参与细胞生长参与逆境胁迫信号转导参与植物抗病防御反应第四十八页，共61页。cAMP信号产生：胞外信号通过G蛋白介导→激活腺苷酰环化酶→催化ATP生成cAMP（cAMP经磷酸二酯酶PDE水解失活）第四十九页，共61页。三、胞内信号的转导4、二元组分信号系统（Two-componentsystem)Ninfa和Magasanik(1986)：首次报道了大肠杆菌渗透势变化的信号转导的二元组分系统，现已证实，该系统是细菌信号转导的普遍机制。在植物激素（细胞分裂素、乙烯）信号转导中也存在类似机制。（引自潘瑞炽，2005）第五十页，共61页。4、二元组分信号转导系统（引自潘瑞炽，2005）第五十一页，共61页。四、蛋白质可逆磷酸化与基因表达调控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。在基因表达的调节中，蛋白质可逆磷酸化是一种基本机制。蛋白质磷酸化:由蛋白激酶(proteinkinase，PK)催化；蛋白质去磷酸化:蛋白磷酸（酯）酶(proteinphosphatase)所催化。它们受上述的几类胞内信使的调节（即为其靶酶）。第五十二页，共61页。四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化（一）蛋白激酶：催化ATP或GTP磷酸化修饰蛋白质所特定的氨基酸残基直接改变酶的活性；也可通过修饰转录因子，激活或抑制基因的表达；有些信号受体本身就具有蛋白激酶活性。有关蛋白质磷酸化所参与的生理反应：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。第五十三页，共61页。由蛋白磷酸化酶转导的信号级联反应和基因表达MAPK－促分裂原激活的蛋白激酶；TF－转录因子；Ras－一种小的GTP酶（王忠，2009）第五十四页，共61页。四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化（一）蛋白激酶：植物中已知有数十种根据激活酶的信号物质分：钙离子依赖的蛋白激酶(CDPK)：其作用靶有细胞骨架、膜运输成分、质膜H+-ATPase等。同时受Ca2+和CaM调节的蛋白激酶(PKCa2+·CaM)类受体蛋白激酶：大多为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶根据磷酸化的氨基酸残基分：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：如CDPK、PKCa2+·CaM；酪氨酸蛋白激酶(TPK)：如受体酪氨酸激酶(RTK)；组氨酸蛋白激酶(HPK)：属类受体蛋白激酶。第五十五页，共61页。四、蛋白质的磷酸化和去磷酸（一）蛋白激酶类受体蛋白激酶（receptor-likeproteinkinase,RLK）：泛指具有与动物细胞受体酪氨酸蛋白激酶同源的受体。在植物中RLK大多属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。RLK是一种酶连受体：具有胞外感受信号的糖基化结构域，跨膜螺旋结构域和胞内蛋白激酶结构域。作用过程：与胞外信号分子结合→激活胞内侧蛋白激酶域→磷酸化靶蛋白第五十六页，共61页。RLK5假想结构（引自潘瑞炽，2005）第五十七页，共61页。四、蛋白质可逆磷酸化与基因表达调控（二）蛋白磷酸（酯）酶：逆转蛋白磷酸化的作用，与蛋白激酶相对应的终止信号或一种逆向调节。植物中已知的蛋白质磷酸酯酶：Type1蛋白磷酸酶（豌豆、胡萝卜）：可能与植物细胞有丝分裂过程的调控有关；豌豆保卫细胞Ca2+依赖型蛋白磷酸酶：与K+跨膜运转和气孔关闭有关。Type2A和Type2C蛋白磷酸酶：存在豌豆、胡萝卜、小麦中。第五十八页，共61页。四、蛋白质可逆磷酸化与基因表达调控（三）蛋白质可逆磷酸化对基因表达的调控信号转导的末端组分常常是调节基因表达的转录因子(为蛋白质，可与DNA结合)，其活性主要受到蛋白质可逆磷酸化的调节。第五十九页，共61页。小结信号转导概念及其基本过程胞外信号的类型和传递跨膜信号的感应和转换：受体、G-蛋白胞内信号的转导三大系统：钙信号系统、肌醇磷脂信号系统、环腺苷酸系统蛋白质可逆磷酸化：蛋白激酶、蛋白磷酸酯酶（受第二信使的调节）类受体激酶：受第一信使的调节第六十页，共61页。作业14植物细胞信号转导过程可大致分为哪几个阶段？各有何特点？返回第六十一页，共61页。