細胞信號傳導(dǎo)途徑

關(guān)于細胞信號傳導(dǎo)途徑生長（growth）：是植物體積的增大，它是通過細胞分裂和伸長來完成的。發(fā)育（development）：指在整個生活史上，植物體的構(gòu)造和機能從簡單到復(fù)雜的變化過程，它的表現(xiàn)就是細胞、組織和器官的分化（differentiation）。生長發(fā)育是基因在一定時間、空間上順序表達的過程。而基因的表達則受周圍環(huán)境的調(diào)控。植物通過精確、完善的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)自身、適應(yīng)環(huán)境。第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天信息分子受體第二信使效應(yīng)蛋白效應(yīng)蛋白生物效應(yīng)肌肉收縮分泌代謝基因表達一、概論研究植物感受、傳導(dǎo)環(huán)境刺激的分子途徑及其在植物發(fā)育過程中調(diào)控基因的表達和生理化反應(yīng)（Signaltransductionsystem）。第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1-2seconds第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天信號信號---Signal，是一個抽象概念，對植物來講，環(huán)境的變化就是刺激，就是信號。分為物理信號和化學信號。物理信號：光，水，溫度等；化學信號：激素，病源等。也稱為配體（ligand）第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天ExternalStimuli外界環(huán)境刺激第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天InternalStimuli體內(nèi)細胞間刺激第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞信號分子及信號傳遞途徑的特征1.信號分子一般分子量較小而易于移動,如Ca2+,cAMP,和IP3等.2.信號分子應(yīng)快速產(chǎn)生而且快速滅活.3.信號傳遞途徑有級聯(lián)放大作用,它形成一個級聯(lián)(cascades)反應(yīng)將原初信號放大.4.在細胞內(nèi)，細胞間和植物體內(nèi)信號傳遞途徑是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑模式圖第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞信號的種類信號（Signal）物理信號：光、電化學信號：激素、病原因子等，化學信號也叫做ligand胞外信號（胞間信號）胞內(nèi)信號第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當環(huán)境刺激作用于植物體的不同部位時，會發(fā)生細胞間的信號傳遞。胞間信號包括物理信號（電信號）和化學信號（激素、寡聚糖等）。Primarymessenger:EnvironmentalstimulationsandextracellularsignalsSecondmessenger:Signalsinthecell第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天土壤干旱時，植物根尖合成脫落酸（ABA），通過導(dǎo)管向上運到葉片保衛(wèi)細胞，引起保衛(wèi)細胞內(nèi)的胞質(zhì)Ca2＋等一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生生理、生化反應(yīng)，最后使氣孔關(guān)閉。土壤干旱（胞外刺激）是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的初級信使（primarymessenger）ABA是胞間的化學信號，保衛(wèi)細胞內(nèi)的胞質(zhì)Ca2＋等傳遞胞外信號的一系列信號分子就是第二信使（secondmessenger）。第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天受體和跨膜信號轉(zhuǎn)換

受體---細胞表面或亞細胞組分中的一種生物大分子物質(zhì)，可以識別并特異地與有生物活性的化學信號物質(zhì)（配體）結(jié)合，從而激活或啟動一系列生物化學反應(yīng)，最后導(dǎo)致該信號物質(zhì)特定的生物效應(yīng)。配體---是指這樣一些信號物質(zhì)，除了與受體結(jié)合外本身并無其他功能，它不能參加代謝產(chǎn)生有用產(chǎn)物，也不直接誘導(dǎo)任何細胞活性，更無酶的特點，唯一的功能就是通知細胞在環(huán)境中存在一種特殊信號或刺激因素。第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天受體與配體結(jié)合的特性1、高親和力：2、特異性：3、可逆性：4、飽和性.受體是一類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，它的作用：第一步是識別信號分子（Recognition）；第二步是將信號分子轉(zhuǎn)變成細胞的反應(yīng)，即信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（Signaltransduction）。第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞表面受體和胞內(nèi)核受體細胞表面受體（cellsurfacereceptor）：往往通過胞外配體結(jié)合后，使“胞內(nèi)第二信使”水平增加而引起生理效應(yīng)，它也可以調(diào)節(jié)基因表達產(chǎn)生長期效應(yīng)，但常具有引起短暫而迅速細胞反應(yīng)的特點。細胞內(nèi)受體(intracellularreceptor)：信號分子為疏水性小分子－甾類和水溶性多肽，可以靠簡單擴散進入胞內(nèi)，然后與胞內(nèi)受體結(jié)合后，在細胞內(nèi)進一步的傳遞和放大。第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天受體家族1、G蛋白偶聯(lián)受體（Gproteincoupledreceptor）（bindedreceptor）受體蛋白的氨基端們于細胞外側(cè)，羧基端位于內(nèi)側(cè)，羧基端具有與G蛋白相互作用的區(qū)域，受體活化后直接將G蛋白激活，進行跨膜信號轉(zhuǎn)換2、離子通道型受體：：（ion-channel-linkedreceptor），即除了含有與配體結(jié)合的部位外，受體本身就是離子通道。這種受體接受信號后立即引起離子的跨膜流動3、類蛋白激酶受體（receptor－likeproteinkinase）：本身是一種酶蛋白，具有胞外感受信號的區(qū)域，跨膜區(qū)域和胞內(nèi)的激酶區(qū)域。當胞外區(qū)域與信號結(jié)合，激活胞內(nèi)激酶，將下游組分磷酸化而傳遞信號。第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)跨膜信號轉(zhuǎn)換信號與細胞表面的受體結(jié)合之后，通過受體將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進入細胞內(nèi)，這個過程稱為跨膜信號轉(zhuǎn)換（transmembranetransduction）第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天G蛋白連接受體發(fā)生的跨膜信號轉(zhuǎn)換G蛋白(Gprotein)全稱為異三聚體GTP結(jié)合蛋白(heterotrimericGTPbindingprotein),它具有GTP酶活性，由三種亞基組成。結(jié)合在細胞膜面向胞質(zhì)的一側(cè)。G蛋白介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)換是依賴于自身的活化和非活化狀態(tài)循環(huán)來實現(xiàn)的。第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天異三聚體G蛋白的基本結(jié)構(gòu)1.α，β，γ三個亞基組成,到目前至少發(fā)現(xiàn)20種不同的α亞基,6種β亞基,和10多種γ亞基;理論上可以形成上千種異三聚體G蛋白從而增加了轉(zhuǎn)導(dǎo)信號的多樣性.2.各種G蛋白中α亞基差別較大，被用作G蛋白分類的依據(jù).3.α亞基的共同特點：

具有一個GTP結(jié)合位點,GTP酶的活性位點,ADP核糖基化位點,

毒素修飾位點,

受體和效應(yīng)物結(jié)合位點第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1994“fortheirdiscoveriesofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells”G蛋白的發(fā)現(xiàn)：吉爾曼（Gilman）、羅德貝爾(Rodbell)獲諾貝爾醫(yī)學生理獎（1994第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天異三聚體G蛋白的激活循環(huán)BindingofGTPtoα---Dissociationfromβ/γ第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GDP-P(NH2)P第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)構(gòu)示意圖七次跨膜結(jié)構(gòu),肽鏈的N末端在胞外,C末端在胞內(nèi)第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天離子通道型受體

第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天類受體蛋白激酶

這類為跨膜蛋白，受體的胞外部分能與配體結(jié)合，胞內(nèi)部分具有酪氨酸蛋白激酶活性，或與酪氨酸蛋白激酶偶聯(lián)。當配體與受體的胞外部分結(jié)合后，引起胞內(nèi)酪氨酸殘基自我磷酸化而增加酶的活性，對其下游效應(yīng)蛋白進行磷酸化，啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天Enzyme-linkedreceptor第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞內(nèi)的信號分子和第二信使系統(tǒng)胞外信號（primarysignal）經(jīng)跨膜轉(zhuǎn)換后，通過第二信使（secondarymessenger）進一步的傳遞和放大，最終引起細胞中的生化反應(yīng)。第二信使：

Ca2+、cAMP、cGMP、ASA、GSHH2O2、三磷酸肌醇(IP3)、二脂酰甘油(DAG)、第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

通常細胞鈣（總鈣）以結(jié)合態(tài)和自由離子態(tài)（Ca2+）兩種形式存在。細胞內(nèi)鈣分布不均勻，在靜止（非激活）狀態(tài)時，細胞溶質(zhì)Ca2+濃度估計約為10-9－－10-7mol／L，一般代表性取值為10-7mol／L左右。

1）胞質(zhì)Ca2＋的濃度很低，只有100－200nM。

2）胞內(nèi)鈣庫液泡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2＋的濃度約為1mM。

3）在細胞壁中，Ca2＋的濃度約為0.5－1mM。細胞鈣的分布第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)（calciumhomeostasis）的調(diào)節(jié)質(zhì)膜鈣通道：從胞外或胞內(nèi)鈣庫向細胞質(zhì)釋放Ca2＋質(zhì)膜鈣泵：從細胞質(zhì)向細胞外或胞內(nèi)鈣庫運送Ca2＋Ca2＋/nH+反向運輸體：從細胞質(zhì)向胞內(nèi)鈣庫運送Ca2＋第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鈣的靜息態(tài):不進行細胞信號傳遞的狀態(tài)鈣穩(wěn)態(tài)：濃度達到穩(wěn)定的狀態(tài)。第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天紅光刺激后大麥葉肉原生質(zhì)體的鈣離子濃度變化第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天CaM的組成和特性

CaM是一種由19種氨基酸組成的耐熱、耐酸的小分子球蛋白，分子量為15~17kD。CaM的結(jié)構(gòu)

1）分子中有4個Ca2＋結(jié)合區(qū)（環(huán)）；

2）Ca2＋結(jié)合區(qū)包括12個氨基酸，其中富含Asp和Glu；

3）環(huán)兩側(cè)各有兩個螺旋結(jié)構(gòu)。第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天CaM的分布

在細胞質(zhì)和核質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)CaM的存在，還有與質(zhì)膜相連的CaM。結(jié)合蛋白

TheCaM-bindingproteinsinplantsareNAD+kinase,glutamatedecarboxylase,proteinkinases,andCa2+-ATPase.第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天CaM的作用方式：（1）直接與靶酶結(jié)合，誘導(dǎo)靶酶的活性構(gòu)象而調(diào)節(jié)它們的活性，如NAD激酶、Ca2+-ATP激酶等；（2）通過活化依賴Ca2+·CaM的蛋白激酶，將靶酶磷酸化，影響其活性，如磷酸化酶、H+-ATP酶等。第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鈣調(diào)蛋白的存在部位：細胞質(zhì)和細胞器作用機理：胞外信號質(zhì)膜Ca通道打開Ca進入4Ca++CaMCaMCa+Ca+Ca+Ca++ECaMCa+Ca+Ca+Ca+E生理效應(yīng)[Ca2+]大于10-6mol?L-1第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)膜中有三種磷脂酰肌醇：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）。磷脂酰肌醇信號系統(tǒng)第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天不同的磷脂酶在磷脂上的作用位點第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天IP3、Ca2+-鈣調(diào)蛋白激酶途徑

這條途徑得第二信使為IP3及Ca2+。當信息分子與膜受體結(jié)合后通過F蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)激活磷脂酶C（PLC）。后者水解PIP2生成IP3。IP3PLC第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天刺激信號與膜受體結(jié)合受體激活

信號傳遞給G蛋白磷脂酶C（PLC）水解PIP2產(chǎn)生肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DG）IP3通過調(diào)節(jié)Ca2+傳遞信息DG通過激活蛋白激酶C（PKC）傳遞信息。第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天PLC激活的磷脂信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模型Plasmamembrane-boundPLCisactivatedbyaG-protein二酰甘油第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白激酶CDAG/PKCpathwayDAG/PKCpathwayIP3/Ca2+Pathway雙信號系統(tǒng)第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天DAG/PKCpathwayIP3/Ca2+Pathway雙信號系統(tǒng)第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白激酶：是一類催化蛋白質(zhì)產(chǎn)生磷酸化反應(yīng)的酶，可對其底物蛋白質(zhì)特定的氨基酸殘基進行磷酸化修飾，催化將ATP上的γ－磷酸基轉(zhuǎn)到靶蛋白的ser、thr和tyr殘基上。磷酸化改變了靶蛋白的活性。以完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程.PK（proteinkinase）的作用特點

一個PK分子可以使幾百個靶蛋白磷酸化，從而起到放大信號的作用。蛋白磷酸酯酶：蛋白的磷酸化和去磷酸化第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1992“fortheirdiscoveriesconcerningreversibleproteinphosphorylationasabiologicalregulatorymechanism”第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天某些酶分子上的基團可以在另一種酶催化下發(fā)生共價修飾作用（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起酶活性的激活或抑制。這種作用稱為共價修飾作用。這類酶則稱為共價調(diào)節(jié)酶。有如下兩個特點：（1）被修飾的酶可以有兩種互變形式，即一種為活性形式（具有催化活性），另一種為非活性形式（無催化活性）。正反兩個方向的互變均發(fā)生共價修飾反應(yīng)，并且都將引起酶活性的變化。（2）共價修飾調(diào)節(jié)作用可以產(chǎn)生酶的連續(xù)激活現(xiàn)象，所以具有信號放大效應(yīng)。例如腎上腺素引起糖原分解過程中的一系列磷酸化激活步驟，其結(jié)果將激素的信號被逐級放大了約300萬倍。共價修飾調(diào)控第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天DG-蛋白激酶C途徑

當激素與受體結(jié)合后，通過G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活磷脂酶C可產(chǎn)生IP3以及DG。DG還可以來自于卵磷脂的水解主要由磷脂酶D（PLD）催化。這兩種來源的DG可激活蛋白激酶C（PKC），引起生物效應(yīng)。PC-卵磷脂PA-磷脂酸PAP-磷脂酸磷酸水解酶PI-磷脂酰肌醇第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1、鈣依賴型蛋白激酶（calciumdependentproteinkinase，CDPK）絲氨酸/蘇氨酸proteinkinaseArabidopsis基因組34個CDPK第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2、促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinaseMAPK）第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天MAPKKMAPK第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3、類受體蛋白激酶（receptor-likeproteinkinase,RLK)胞外結(jié)構(gòu)區(qū)跨膜螺旋區(qū)胞內(nèi)蛋白酶催化區(qū)第57頁,共64頁，2024年2月25日，星期天、新型氣體分子轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑新型氣體性信使：NO和CO其特點為：1、非囊泡性儲存和釋放

2、不作用于細胞膜受體

3、可自由穿透細胞膜，直接作用于靶蛋白

4、作用的半衰期極短

5、主要作用是激活鳥苷酸環(huán)化酶（GC），調(diào)節(jié)細胞內(nèi)cGMP水平，引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第58頁,共64頁，2024年2月25日，星期天細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（cellsignaltransduction):指的是偶聯(lián)各種