高中生物第七章 植物细胞信号转导竞赛教案Word格式.docx
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（引自Buchananetal.2000）
（二）第二信使
第二信使（secondmessenger）又称次级信使，是指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子，从而将细胞外信息转换为细胞内信息。
一般公认的细胞内第二信使有钙离子（Ca2+）、肌醇三磷酸（inositol1,4,5-trisphosphate，IP3）、二酰甘油（1,2-Diacylglycerol，DG）、环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）等（图7-2）。
随着细胞信号转导研究的深入，人们发现NO、H2O2、花生四烯酸、环ADP核糖（cADPR）、IP4、IP5、IP6等胞内成分在细胞特定的信号转导过程中也可充当第二信使。
细胞外环境信号和胞间信号与胞内信号分子在功能上是密切合作的。
多细胞生物体受到外界环境刺激后，常产生胞间化学信号，到达细胞表面或胞内受体后，通过产生胞内信号起作用，从而完成整个信号转导过程。
人们通常把整个细胞外信号（包括胞外环境刺激信号和胞间信号）称为第一信使或初级信使，而把胞内信号分子统称为第二信使或次级信使。
图7-2植物细胞内几种主要的第二信使结构
（三）受体
受体（receptor）是细胞表面或亚细胞组份中的一种天然分子，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质——配体（ligand）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学效应。
受体与配体（即刺激信号）相对特异性的识别和结合，是受体最基本的特征，否则受体就无法辨认外界的特殊信号——配体分子，也无法准确地获取和传递信息。
二者的结合是一种分子识别过程，靠氢键、离子键与范德华力的作用，配体与受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因素。
在植物感受各种外界刺激的信号转导过程中，受体的功能主要表现在两个方面：
第一，识别并结合特异的信号物质，接受信息，告知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素。
第二，把识别和接受的信号准确无误地放大并传递到细胞内部，启动一系列胞内信号级联反应，最后导致特定的细胞效应。
要使胞外信号转换为胞内信号，受体的这两方面功能缺一不可。
受体依据其存在的部位不同通常分为细胞表面受体和膜内受体（图7-3）。
细胞表面受体存在于细胞质膜上，大多数信号分子不能过膜，通过与细胞表面受体结合，经过跨膜信号转换，将胞外信号传至胞内。
膜内受体是指存在于细胞质中或亚细胞组分（细胞核等）上的受体。
大部分水溶性信号分子（如多肽激素、生长因子等）以及个别脂溶性激素可以扩散进入细胞，与膜内受体结合，调节基因转录。
图7-3细胞表面受体和膜内受体
目前关于植物受体研究较多的是光受体和激素受体。
有关植物细胞受体的类型及其介导的信号转导过程将在第二节中详细讨论。
二、植物细胞信号转导的特点
相对于动物细胞，植物细胞信号转导的研究相对较晚。
早期关于植物细胞信号转导的研究大多跟踪和借鉴动物细胞信号转导的研究思路和技术。
随着对植物激素等生物体内细胞间信号分子，以及光、辐射、电磁场、温度、水分，甚至病原菌等生物外环境因子对生物体代谢、生长发育的细胞及分子机理研究的深入，人们对植物细胞信号转导的认识有了长足的发展。
最近模式植物拟南芥（Arabidopsisthaliana）基因组全序列的测定完成，以及对部分基因功能的研究取得重要进展之后，植物科学家们对于植物细胞的信号转导有了许多更进一步的认识。
表7-1一些常见的植物信号转导反应
生理现象
感受的刺激
相应的生理反应
光诱导的种子萌发
光
种子萌发
气孔运动
光、黑暗、ABA等
气孔开闭运动
植物向光性反应
植物向光性生长
含羞草感振运动
机械刺激
含羞草小叶运动
根的向地性生长运动
重力
根向地性生长
光照控制植物开花
植物开花
植物的春化反应
低温
植物叶片脱落
光周期
叶脱落
乙烯诱导果实成熟
乙烯
果实成熟
表7-1简单列述了一些常见的高等植物信号转导反应。
植物细胞在信号转导过程上同动物细胞大体上类似，也分为信号的感受、跨膜信号转导、信号级联放大与整合、细胞特定的生理反应4个阶段，并且已经发现在植物细胞信号转导过程中同样存在类似动物细胞信号转导的胞内信使系统如钙信使系统、肌醇磷脂信使系统等，在信号的跨膜转换方面，植物细胞同样存在着异三聚体G蛋白以及下游相应的靶酶或靶蛋白系统等。
尽管高等植物细胞具有一些与动物细胞类似的信号转导机制，但是高等植物在信号转导的特殊性也是明显的。
第一，植物不能像动物那样能够运动，其一生总是固定在一个地方。
当其生活的环境条件改变，遇到不利于其生存的逆境胁迫时，植物不能通过运动去积极逃避逆境，植物只能被动接受，但是这种被动接受并不是完全意义上的被动，人们研究发现植物体可以通过整和环境信息来调节自身的生理活动去积极努力地适应环境的变化，这是植物细胞有别于动物细胞信号转导的一个重要的区别。
第二，我们知道高等植物属于自养生物，植物如何感受环境中的太阳光，并通过光合作用固定太阳光把光能转换为生物自身的能量的信号转导过程同样是动物所不具备的。
同时在植物的整个生长发育过程中，植物的光形态建成、光周期效应以及春化效应等信号转导过程也是植物有别于动物的重要特点。
第三，我们知道动物的神经系统和循环系统在长距离信号转导传输过程中起着重要的作用，而植物只有木质部和韧皮部两大输导系统，植物如何将长距离信号传输到相应组织细胞的信号转导过程同样有别于动物。
同时，植物细胞信号转导系统在某些方面还保留了低等原核细胞的信号转导机制，例如植物激素乙烯受体ETR1与细菌双组份信号转导系统之间具有极大的相似性。
三、植物细胞信号转导研究内容和意义
自20世纪30年代科学家们致力于细胞信号转导领域的研究以来，特别是细胞信号转导研究史上的三个里程碑：
细胞内三大信使系统cAMP、钙和钙调素（CaM）、肌醇磷脂系统的相继发现之后，细胞信号领域一直是科学家们研究的热点，许多诺贝尔生理及医学奖相继授予了从事细胞信号转导研究的杰出科学家们，特别是上个世纪90年代后的10年时间里本领域先后有5项成果获得诺贝尔生理及医学奖，如1971年的诺贝尔生理及医学奖授予胞内信使cAMP的及第二信使学说的提出者E.W.Sutherland，1992年授予糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化反应的研究者E.Krebs和E.Fisher，1994年授予信号转导领域G蛋白的发现者A.G.Gilman和M.Rodbell，以及1998年的诺贝尔生理及医学奖授予NO信号分子的发现者R.F.Furchgott，L.J.Ignarro和F.Murad等。
随着动物细胞信号转导研究内容的深入、系统和完善，植物细胞信号转导的研究也逐步受到人们的关注，并在近30余年来取得了许多突破性的进展。
植物细胞信号转导研究的具体内容包括代谢、发育和遗传许多方面，从其机制上可以简单概括为：
研究植物细胞感受、耦合各种胞内外刺激（初级信号），并将这些胞外信号转化为胞内信号（次级信号），通过细胞内信号系统调控细胞内的生理生化变化，包括细胞内部的基因表达变化、酶的活性和数量的变化等，最终引起植物细胞甚至植物体特定的生理反应的信号转导途径和分子机制。
植物细胞信号转导的研究可以揭示植物对环境刺激反应的遗传和分子机制，使得科学家们从而可以通过生物工程技术和手段，调控植物生命活动，提高植物适应环境能力。
同时，由于植物细胞信号转导的特殊性，对于其机制的研究更加丰富生物体包括动物和植物等的信号转导内容，揭示生命进化的本质；
因此，无论在实践上或理论上植物细胞信号转导的研究均具有重要的意义。
第二节植物细胞信号转导过程
植物细胞的信号转导过程可以简单概括为：
刺激与感受——信号转导——反应三个重要的环节。
一、刺激与感受
当存在刺激信号时，植物细胞必须能够感受并接受这些刺激，这是细胞信号转导的第一步，主要由受体来完成。
受体是细胞信号转导系统中最重要的一员，正是它，首先识别并接受外来信号，启动了整个信号转导过程。
通常来说一种信号只能与特异的受体结合，引起相应的生理反应，但是受体的特异性不能简单理解为任何一种受体仅能与一种配体结合，或者反之，这种情况只是对特定的细胞和生理条件而言。
研究表明，同一细胞或不同类型的细胞中，同一配体可能有两种或两种以上的不同受体，例如在动物细胞中，乙酰胆碱有烟碱型和度蕈型两种受体，肾上腺有α和β两种受体，同一配体与不同类型受体结合会产生不同的反应。
植物细胞中已经发现有类似于动物细胞中存在的三种类型的细胞表面受体：
G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor，GPCR）、酶连受体（enzyme-linkedreceptor）和离子通道连接受体（ion-channel-linkedreceptor）（图7-4）。
由于细胞信号的感受和转换是一个统一和连续的过程中，因此有关此三类受体的详细内容将在信号的跨膜转换中介绍。
图7-4细胞表面受体的三种类型
（引自潘瑞炽等，2001）
二、信号转导
当细胞通过细胞表面受体感受外界信号刺激后，下一步的任务是将胞外信号转化为胞内信号，并通过细胞内信使系统级联放大信号，调节相应酶或基因的活性，这是细胞信号转导的主要过程，此过程相当复杂，主要包括胞外信号的跨膜转换、细胞内第二信使系统和信号的级联放大以及蛋白质的可逆磷酸化。
（一）信号跨膜转换
对于细胞内受体而言，信号物质（配体）可以进入细胞内部与胞内的受体结合，完成细胞信号的直接跨膜进入。
而对于细胞表面的受体反应，外界信号首先与细胞表面的受体结合，不能直接将其所携带的信息传递到细胞内部。
如何将信号转换到胞内，就涉及到一个信号的跨膜转换问题。
外界信号物质与细胞表面的受体结合后，将外界信号转换为胞内信号的过程称为信号的跨膜转换。
细胞通常采取以下三种方式将胞外信号跨膜转换为胞内信号。
1．通过离子通道连接受体跨膜转换信号
离子通道（ionchannel）是存在于膜上可以跨膜转运离子的一类蛋白质。
而离子通道型受体即离子通道连接受体，除了具备转运离子的功能外，同时还能与配体特异的结合和识别，具备受体的功能。
当这类受体和配体结合接收信号后，可以引起跨膜的离子流动，把胞外的信息通过膜离子通道转换为细胞内某一离子浓度的改变的信息。
目前植物中关于离子通道型受体的研究不多，但在拟南芥、烟草和豌豆等植物中发现有与动物细胞同源的离子通道型谷氨酸受体（ionotropicGlutamatereceptor，iGluR），并且可能参与了植物的光信号转导过程。
2．酶促信号直接跨膜转换
该过程的跨膜信号转换主要由酶连受体来完成。
此类受体除了具有受体的功能外，本身还是一种酶蛋白，当细胞外的受体区域和配体结合后，可以激活具有酶活性的胞内结构域，引起酶活性的改变，从而引起细胞内侧的反应，将信号传递到胞内。
如具有受体功能的酪氨酸蛋白激酶，当其胞外的受体部分接受了外界信号后激活了胞内具有蛋白激酶活性的结构域，从而使细胞内某些蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，进而在细胞内形成信号转导途径。
在研究植物激素乙烯的受体时发现，乙烯的受体有两个基本的部分，一个是组氨酸蛋白激酶（Hisproteinkinase,HPK），另一个是效应调节蛋白，（response-regulatorprotein,RR）。
当HPK接受胞外信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸集团传递给下游的RR。
RR的天冬氨酸残基部分（信号接收部分）接受了传递过来的磷酸集团后，通过信号输出部分，将信号传递给下游的组分。
下游末端的组分通常是转录因子，从而可以调控基因的表达。
3．通过G蛋白偶联受体跨膜转换信号
此种方式是细胞跨膜转换信号的主要方式。
G蛋白
即GTP结合蛋白（GTPbindingprotein），是细胞内一类具有重要生理调节功能的蛋白质。
G蛋白可以和三磷酸鸟苷（GTP）结合，并具有GTP水解酶的活性。
在所有的G蛋白中只有两种类型G蛋白参与细胞信号传递：
小G蛋白和异三聚体G蛋白。
小G蛋白是一类只含有一个亚基的单聚体G蛋白，它们分别参与细胞生长与分化、细胞骨架、膜囊泡与蛋白质运输的调节过程。
在细胞跨膜信号转导中起主要作用的是异三聚体G蛋白（heterotrimericG-proteins，也被称作大G蛋白）。
常把异三聚体G蛋白简称为G蛋白，在本章以后的叙述中如果没有特殊说明，那么G蛋白一般是指与细胞表面受体偶联的异三聚比G蛋白。
异三聚体G蛋白由3种不同亚基（α、β、γ）构成，α亚基含有GTP结合的活性位点，并具有GTP酶活性，β和γ亚基一般以稳定的复合状态存在。
异三聚体G蛋白参与胞外信号跨膜转换的特点是：
胞外信号被细胞表面的受体识别后，通过膜上的G蛋白转换到膜内侧的效应酶上，再通过效应酶产生多种第二信使，从而把胞外的信号转换到胞内。
图7-5概括了G蛋白偶联的胞外信号转导过程：
当无外界刺激时，异三聚体G蛋白处于非活化状态，以三聚体形式存在，α亚基上结合着GDP，此时其上游的受体和下游的效应酶均无活性。
当细胞接受外界信息后，信号分子与膜上的受体（非激活型）结合后引起受体构象改变，形成激活型受体。
激活型的受体可与G蛋白的α亚基结合，并引起α亚基构象改变，释放GDP，结合GTP，形成激活型的α亚基。
活化的α亚基进一步与βγ亚基复合体解离，并与下游的靶效应器结合，将信号传递下去。
G蛋白下游的靶效应器很多，包括磷酯酶C（PLC）、磷酯酶D（PLD）、磷酯酶A2（PLA2）、磷酯酰肌醇3激酶（PI3K）、腺苷酸环化酶、离子通道等。
当α亚基把信号传递给下游组份后，其上的GTP酶活性使结合的GTP水解为GDP，α亚基恢复最初构象，成为非激活型，并与下游靶效应器分离，α亚基重新与βγ亚基复合体结合，完成一次信号的跨膜转换。
在上述过程中G蛋白的作用不仅仅是信号的跨膜转换，而且对于外界微弱的信号起到了放大作用，详细内容见本节蛋白质的可逆磷酸化部分：
细胞内信号的级联放大。
通常认为，G蛋白参与的跨膜转换信号方式主要是α亚基调节，而βγ亚基的功能主要是对G蛋白功能的调节和修饰，或把G蛋白锚定在细胞膜上。
随着研究的深入，越来越多的证据表明，G蛋白被受体激活后βγ亚基游离出来也可以直接激活胞内的效应酶。
有些甚至是α亚基和βγ亚基复合体协同调节。
在目前所知道的8种不同的腺苷酸环化酶（AC）同工酶中，AC1通过α亚基激活，AC2、AC4、AC7则直接被βγ亚基激活，但需要α亚基存在，两种协同起作用。
图7-5G蛋白参与的跨膜信号转换
（参照潘瑞炽等2001，略有修改）
现已证明，异三聚体G蛋白在植物中普遍存在，运用免疫转移电泳等生化手段先后在拟南芥、水稻、蚕豆、燕麦等植物的叶片、根、培养细胞和黄化幼苗中检测到植物G蛋白，并参与了光、植物激素以及病原菌等信号的跨膜转导，以及在质膜K+离子通道、植物细胞分裂、气孔运动和花粉管生长等生理过程的调控。
在G蛋白偶联受体的研究上，目前已从拟南芥分离到一种G蛋白偶联受体（GPCR），其氨基酸序列上与动物GPCR达到20％左右一致性和50％左右的相似性，在功能上可能参与了细胞分裂素的信号转导过程。
（二）胞内信使系统
胞外的信号经过跨膜转换进入细胞后，通常产生第二信使并通过相应的胞内信使系统将信号级联放大，引起细胞最终的生理反应（图7-6）。
图7-6第二信使学说
目前植物中普遍接受的胞内第二信使系统主要有：
钙信使系统和肌醇磷脂信使系统。
对于动物中研究较为透彻的环核苷酸信使系统是否同样存在于植物以及其在植物中存在的普遍性，尽管目前尚有争议，但已有一部分报道在拟南芥等植物中存在并参与了植物气孔运动、光诱导叶绿体花色素的合成等信号转导过程，因而在此同钙信使系统和肌醇磷脂信使系统一并表述。
植物细胞在感受某一刺激或同时感受多种刺激时，复杂多样的信号系统之间存在着相互交流（cross-talk），并由此形成植物细胞内的信号转导网络（network）。
1、钙信使系统
钙信使系统是植物细胞中重要的也是研究最多的胞内信使系统。
20世纪60年代末期美籍华人张槐耀关于钙信使系统中的重要环节因子Ca2+的多功能受体蛋白――钙调素（CaM）的发现，对于细胞内的钙信使系统的建立具有实质性的贡献。
80年代以来植物细胞中钙信使系统的存在及其信号转导功能先后被大量的实验所证实。
胞内钙梯度的存在是Ca2+信号产生的基础。
正常情况下植物细胞质中游离的静息态Ca2+水平为10-7~10-6mol/L左右，而液泡的游离钙离子水平在10-3mol/L左右，内质网中钙离子浓度在10-6mol/L，细胞壁中的钙离子浓度也高达10-5－10-3mol/L。
因而细胞壁等质外体作为胞外钙库，内质网、线粒体和液泡作为胞内钙库。
静止状态下这些梯度的分布是相对稳定的，当受到刺激时，钙离子跨膜运转调节细胞内的钙稳态（calciumhomeostasis），从而产生钙信号。
Ca2＋信号的产生和终止表现在胞质中游离Ca2＋浓度（［Ca2＋］c）的升高和降低。
由于在胞内、外Ca2＋库与胞质中Ca2＋存在很大的浓度差，当细胞受到外界刺激时，钙离子可以通过胞内、外Ca2+库膜上的Ca2+通道由钙库进入细胞，引起胞质中游离Ca2+浓度大幅度升高，产生钙信号。
钙信号产生后作用于下游的调控元件（钙调节蛋白等）将信号进一步向下传递，引起相应的生理生化反应。
当Ca2＋作为第二信使完成信号传递后，胞质中的Ca2+又可通过钙库膜上的钙泵或Ca2+／H+转运体将Ca2+运回到Ca2+库（质膜外或细胞内Ca2＋库），胞质中游离Ca2+浓度恢复到原来的静息态水平，同时Ca2+也与受体蛋白分离，信号终止，完成一次完整的信号转导过程。
图7-7高等植物细胞内钙离子转运多条途径示意图
大量研究表明Ca2＋在众多的植物刺激－反应中作为第二信使，几乎所有不同的胞外刺激信号，如光、触摸、重力、植物激素、病原菌等，都能引起胞内游离钙离子浓度（［Ca2+］c）短暂的、明显升高，或在细胞内的梯度和区域分布发生变化。
钙浓度变化信号如何能对不同的胞外刺激起反应，而最终导致对特定刺激的特定生理效应？
目前认为产生钙信号的特异性可能有如下两种模式：
一种是钙信号本身具有特异性，特异性的钙离子变化决定生理反应的特异性。
另一种是钙信号产生后通过下游的的不同信号转导因子决定反应的特异性。
在前一种模式中，细胞能对某一种刺激产生独特的Ca2+时空特异性变化方式，称为钙指纹（Ca2+signature）。
构成钙指纹的信息有钙峰、钙波、钙振荡和钙信号的空间定位等。
不同的刺激可以反映在钙峰峰值的高低及出现钙峰的早晚、钙振荡的振幅和频率以及钙振荡的形状（正弦型、钉型或不对称型等）、钙波的形状和形式、钙信号产生的细胞内局部空间定位等。
在第二种模式中，钙信号产生后可以通过下游相应的钙受体蛋白产生不同的生理效应。
钙调素（calmodulin,CaM）是最重要的钙受体蛋白。
它是一种由148个氨基酸组成的耐热、耐酸性的小分子可溶性球蛋白，等电点4.0，相对分子量约为16.7kDa。
CaM与Ca2+有很高的亲和力，每个CaM分子有4个Ca2＋结合位点，可以与1-4个Ca2+结合。
CaM以两种方式起作用：
第一，可以直接与靶酶结合，诱导靶酶的活性构象，从而调节靶酶的活性；
第二，与Ca2+结合，形成活化态的Ca2+·
CaM复合体，然后再与靶酶结合将靶酶激活，这种方式在钙信号传递中起主要作用。
CaM异型基因表达的差异很大，其在不同细胞内种类、含量不同可能导致同一个刺激在不同的细胞内产生不同的生理效应，同时CaM在不同细胞内不同区域的分布、含量不同也可能是不同形式的钙信号产生不同生理效应的另一种机制。
除了CaM外，植物细胞中Ca2+信号也可以直接作用于其它的钙结合蛋白，研究最多的钙依赖型蛋白激酶（calciumdependentproteinkinase，CDPK），对于CDPK的具体内容我们将在本节后半部分详细讨论。
2、肌醇磷脂信使系统
肌醇磷脂信使系统是植物细胞信号转导中的另一种重要的胞内信使系统，其发现细胞信号转导研究史上是继cAMP、钙调素发现以来的第三个里程碑。
肌醇磷脂（inositolphospholopid）是细胞膜的基本组成成分。
如图7-8所示，肌醇磷脂主要分布于质膜内侧，其总量约在膜磷脂总量的10％。
现已确定的肌醇磷脂主要有三种：
磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）、磷脂酰肌醇-4-磷酸（phosphatidylinositol-4-phosphate，PIP）和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate，PIP2）。
在磷脂酶C（PLC）的作用下PIP2可以水解产生三磷酸肌醇（IP3）和二酯酰甘油（diacylglycerol，DG，DAG）两种胞内第二信使，产生的IP3和DAG可以分别通过IP3／Ca2+和DAG／PKC两个信号途径进一步传递信号，因此人们常把肌醇磷脂信使途径称之为“双信使途径”。
IP3和DAG完成信号传递后经过肌醇磷脂循环可以重新合成PIP2，实现PIP2的更新合成。
图7-8磷脂酰肌醇代谢循环过程
（参照Berridge1986略有修改）
不断积累的证据表明，植物细胞的确存在一个和动物类似的肌醇磷脂信息传递系统，肌醇磷脂信号系统的中
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