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1、细 胞 信 号 转 导,signal transduction,生长（growth）：是植物体积的增大，它是通过细胞分裂和伸长来完成的。发育（development）：指在整个生活史上，植物体的构造和机能从简单到复杂的变化过程，它的表现就是细胞、组织和器官的分化（differentiation）。,生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程。而基因的表达则受周围环境的调控。植物通过精确、完善的信号转导系统来调节自身、适应环境。,一、概 论,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化反应（Signal transduction system）。,1-2se
2、conds,信号,信号-Signal，是一个抽象概念，对植物来讲，环境的变化就是刺激，就是信号。分为物理信号和化学信号。物理信号：光，水，温度等；化学信号：激素，病源等。也称为配体（ligand）,External Stimuli外界环境刺激,Internal Stimuli 体内细胞间刺激,细胞信号分子及信号传递途径的特征,1.信号分子一般分子量较小而易于移动,如Ca2+,cAMP,和IP3等.2.信号分子应快速产生而且快速灭活.3.信号传递途径有级联放大作用,它形成一个级联(cascades)反应将原初信号放大.4.在细胞内，细胞间和植物体内信号传递途径是一个网络系统.,细胞信号转导的主要
3、途径模式图,细胞信号的种类,信 号（Signal）物理信号：光、电化学信号：激素、病原因子等，化学信号也叫做ligand胞外信号（胞间信号）胞内信号,当环境刺激作用于植物体的不同部位时，会发生细胞间的信号传递。胞间信号包括物理信号（电信号）和化学信号（激素、寡聚糖等）。,Primary messenger:,Environmental stimulations and extracellular signals,Second messenger:,Signals in the cell,土壤干旱时，植物根尖合成脱落酸（ABA），通过导管向上运到叶片保卫细胞，引起保卫细胞内的胞质Ca2等一系列信
4、号转导，产生生理、生化反应，最后使气孔关闭。土壤干旱（胞外刺激）是信号转导过程中的初级信使（primary messenger）ABA是胞间的化学信号，保卫细胞内的胞质Ca2等传递胞外信号的一系列信号分子就是第二信使（second messenger）。,受体和跨膜信号转换,受体-细胞表面或亚细胞组分中的一种生物大分子物质，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体）结合，从而激活或启动一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。配体-是指这样一些信号物质，除了与受体结合外本身并无其他功能，它不能参加代谢产生有用产物，也不直接诱导任何细胞活性，更无酶的特点，唯一的功能就是通知细
5、胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素。,受 体 与 配 体 结 合 的 特 性,1、高亲和力：2、特异性：3、可逆性：4、饱和性.,受体是一类信号转导分子，它的作用：第一步是识别信号分子（Recognition）；第二步是将信号分子转变成细胞的反应，即信号转导（Signal transduction）。,细胞表面受体和胞内核受体,细胞表面受体（cell surface receptor）：往往通过胞外配体结合后，使“胞内第二信使”水平增加而引起生理效应，它也可以调节基因表达产生长期效应，但常具有引起短暂而迅速细胞反应的特点。细胞内受体(intracellular receptor)：信号分子为
6、疏水性小分子甾类和水溶性多肽，可以靠简单扩散进入胞内，然后与胞内受体结合后，在细胞内进一步的传递和放大。,受 体 家 族,1、G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor）（binded receptor）受体蛋白的氨基端们于细胞外侧，羧基端位于内侧，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蛋白激活，进行跨膜信号转换2、离子通道型受体：（ion-channel-linked receptor），即除了含有与配体结合的部位外，受体本身就是离子通道。这种受体接受信号后立即引起离子的跨膜流动3、类蛋白激酶受体（receptorlike protein kinase
7、）：本身是一种酶蛋白，具有胞外感受信号的区域，跨膜区域和胞内的激酶区域。当胞外区域与信号结合，激活胞内激酶，将下游组分磷酸化而传递信号。,第二节 跨膜信号转换,信号与细胞表面的受体结合之后，通过受体将信号转导进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换（transmembrane transduction）,G蛋白连接受体发生的跨膜信号转换G蛋白(G protein)全称为异三聚体GTP结合蛋白(heterotrimeric GTP binding protein),它具有GTP酶活性，由三种亚基组成。结合在细胞膜面向胞质的一侧。G蛋白介导的跨膜信号转换是依赖于自身的活化和非活化状态循环来实现的。,异
8、三聚体G蛋白的基本结构,1.，三个亚基组成,到目前至少发现20种不同的 亚基,6种亚基,和10多种亚基;理论上可以形成上千种异三聚体G蛋白从而增加了转导信号的多样性.2.各种G蛋白中亚基差别较大，被用作G蛋白分类的依据.3.亚基的共同特点：具有一个GTP结合位点,GTP酶的活性位点,ADP核糖基化位点,毒素修饰位点,受体和效应物结合位点,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994,“for their discoveries of G-proteins and the role of these proteins in signal trans
9、duction in cells”,G蛋白的发现：吉尔曼（Gilman）、罗德贝尔(Rodbell)获诺贝 尔医学生理奖（1994,异三聚体G蛋白的激活循环,Binding of GTP to-Dissociation from/,GDP-P(NH2)P,G蛋白偶联受体结构示意图,七次跨膜结构,肽链的N末端在胞外,C末端在胞内,离 子 通 道 型 受 体,类受体蛋白激酶,这类为跨膜蛋白，受体的胞外部分能与配体结合，胞内部分具有酪氨酸蛋白激酶活性，或与酪氨酸蛋白激酶偶联。当配体与受体的胞外部分结合后，引起胞内酪氨酸残基自我磷酸化而增加酶的活性，对其下游效应蛋白进行磷酸化，启动信号转导。,Enzy
10、me-linked receptor,细胞内的信号分子和第二信使系统,胞外信号（primary signal）经跨膜转换后，通过第二信使（secondary messenger）进一步的传递和放大，最终引起细胞中的生化反应。第二信使：Ca2+、cAMP、cGMP、ASA、GSH H2O2、三磷酸肌醇(IP3)、二脂酰甘油(DAG)、,通常细胞钙（总钙）以结合态和自由离子态（Ca2+）两种形式存在。细胞内钙分布不均匀，在静止（非激活）状态时，细胞溶质Ca2+浓度估计约为10-910-7molL，一般代表性取值为10-7molL左右。1）胞质Ca2的浓度很低，只有100200nM。2）胞内钙库液泡
11、和内质网中Ca2的浓度约为1mM。3）在细胞壁中，Ca2的浓度约为0.5 1mM。,细胞钙的分布,细胞内钙稳态（calcium homeostasis）的调节质膜钙通道：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Ca2Ca2/nH+反向运输体：从细胞质向胞内钙库运送Ca2,钙的静息态:不进行细胞信号传递的状态钙稳态：浓度达到稳定的状态。,红光刺激后大麦叶肉原生质体的钙离子浓度变化,CaM的组成和特性 CaM是一种由19种氨基酸组成的耐热、耐酸的小分子球蛋白，分子量为1517kD。,CaM的结构 1）分子中有4个Ca2结合区（环）；2）Ca2结合区包括12个氨基酸
12、，其中富含Asp和Glu；3）环两侧各有两个螺旋结构。,CaM的分布 在细胞质和核质中都发现CaM的存在，还有与质膜相连的CaM。,结合蛋白 The CaM-binding proteins in plants are NAD+kinase,glutamate decarboxylase,protein kinases,and Ca 2+-ATPase.,CaM的作用方式：（1）直接与靶酶结合，诱导靶酶的活性构象而调节它们的活性，如NAD 激酶、Ca2+-ATP激酶等；（2）通过活化依赖 Ca2+CaM的蛋白激酶，将靶酶磷酸化，影响其活性，如磷酸化酶、H+-ATP酶等。,钙调蛋白的存在部位：细
13、胞质和细胞器,作用机理：,胞外信号,质膜,Ca通道打开,Ca进入,生理效应,Ca 2+大于 10-6 mol L-1,质膜中有三种磷脂酰肌醇：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）。,磷脂酰肌醇信号系统,不同的磷脂酶在磷脂上的作用位点,IP3、Ca2+-钙调蛋白激酶途径,这条途径得第二信使为IP3及Ca2+。当信息分子与膜受体结合后通过F蛋白转导激活磷脂酶C（PLC）。后者水解PIP2生成IP3。,IP3,PLC,刺激信号与膜受体结合 受体激活 信号传递给G蛋白 磷脂酶C（PLC）水解PIP2产生肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DG）IP3通过调
14、节Ca2+传递信息 DG 通过激活蛋白激酶C（PKC）传递信息。,PLC激活的磷脂信号转导模型,Plasma membrane-bound PLC is activated by a G-protein,二酰甘油,蛋白激酶C,DAG/PKC pathway,DAG/PKC pathway,IP3/Ca2+Pathway,双信号系统,DAG/PKC pathway,IP3/Ca2+Pathway,双信号系统,蛋白激酶：是一类催化蛋白质产生磷酸化反应的酶，可对其底物蛋白质特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，催化将ATP上的磷酸基转到靶蛋白的ser、thr和tyr残基上。磷酸化改变了靶蛋白的活性。以完成
15、信号转导过程.PK（protein kinase）的作用特点 一个PK分子可以使几百个靶蛋白磷酸化，从而起到放大信号的作用。蛋白磷酸酯酶：,蛋白的磷酸化和去磷酸化,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1992,“for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism”,某些酶分子上的基团可以在另一种酶催化下发生共价修饰作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），从而引起酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价
16、修饰作用。这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：（1）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。（2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现象，所以具有信号放大效应。例如肾上腺素引起糖原分解过程中的一系列磷酸化激活步骤，其结果将激素的信号被逐级放大了约300万倍。,共价修饰调控,DG-蛋白激酶C途径,当激素与受体结合后，通过G蛋白转导，激活磷脂酶C可产生IP3以及DG。DG还可以来自于卵磷脂的水解主要由磷脂酶D（PLD）催化。这两种来源的DG可激活蛋白激酶C（PKC），引起
17、生物效应。,PC-卵磷脂,PA-磷脂酸,PAP-磷脂酸磷酸水解酶,PI-磷脂酰肌醇,1、钙依赖型蛋白激酶（calcium dependent protein kinase，CDPK）,丝氨酸/苏氨酸 protein kinaseArabidopsis 基因组34个CDPK,2、促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase MAPK）,MAPKK,MAPK,3、类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinase,RLK),胞外结构区,跨膜螺旋区,胞内蛋白酶催化区,、新型气体分子转导途径,新型气体性信使：NO和CO其特点为：1、非囊泡
18、性储存和释放 2、不作用于细胞膜受体 3、可自由穿透细胞膜，直接作 用于靶蛋白 4、作用的半衰期极短 5、主要作用是激活鸟苷酸环化 酶（GC），调节细胞内cGMP水平，引起信号转导,细胞信号转导,细胞信号转导（cell signal transduction):指的是偶联各种胞外刺激信号与其相应的生理反应之间的一系列分子反应机制。其分子途径分为三个阶段：1、胞外刺激信号传递 2、膜上信号转换 3、胞内信号传递及蛋白质可逆磷酸化,外界环 细胞膜境刺激 cAMP PKA 酪蛋 细 G Ca2+PKCa2+白磷 胞胞间信号 受体 蛋 效应器 CaM 酸化 反(第一信使)白 PKC 修饰 应 IP3
19、CaM Tyr蛋白 DG 结合蛋白 激酶 膜上信号 胞内信号 转换系统(第二信使),植物细胞信号转导的模式,总结（Summary）由于植物移动性不如动物，植物在长期的进化过程中发展起一套完善的信号转导系统，以适应环境的变化，更好地生存。在植物的生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。这样，在植物体内和细胞内，复杂、多样的信号系统之间存在着相互作用，形成信号转导网络，也有人将这种相互作用称作“交谈（cross talk）”。对信号转导网络的认识是近20年来的研究所得，事实上，这个网络会复杂得多，需要更多的实验证据来充实和完善。,复习题,1、名词解释：受体，G蛋白，CaM，2、汉译英，英译汉 ligand，heterotrimeric GTP binding protein，enzyme-linked receptor，intracellular receptor,信号转导，液泡，钙稳态，蛋白磷酸酶3、问答题：1）蛋白质可逆磷酸化在细胞信号转导中有什么作用？2）如何维持胞质溶胶中的钙稳态？3）细胞如何通过G蛋白实现信号的跨膜转换？,
