理學(xué)高等植物生理學(xué)植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

理學(xué)高等植物生理學(xué)植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第1頁/共54頁

高級植物生理學(xué)植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)PlantCellSignalTransductionAdvancedplantphysiology第2頁/共54頁

植物在整個生長過程中，受到來自外部內(nèi)部的各種生物的或非生物的刺激。如溫度、光、重力、植物激素、病原生物，這些刺激都能影響植物的生長和發(fā)育過程。在長期的進(jìn)化過程中，植物體本身形成了許多應(yīng)答這些刺激的機制，其中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(signaltransduction)就是應(yīng)答這些刺激最為重要的環(huán)節(jié)。細(xì)胞通過感受這些物理的、化學(xué)的或生物的信息，并作出適當(dāng)?shù)纳矸磻?yīng)以維持其生命活動的進(jìn)行。例如植物的向光性能促使植物向光線充足的方向生長，在這個過程中，首先植物體要能感受到光線，然后把相關(guān)的信息傳遞到有關(guān)的靶細(xì)胞，并誘發(fā)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)化傳遞，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)或改變酶的活性，從而使細(xì)胞作出反應(yīng)。這種信息的胞間傳遞和胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程稱為植物體內(nèi)的信號傳導(dǎo)。第3頁/共54頁

植物體的信息系統(tǒng)可概括為兩大類：

一類是遺傳基因信息系統(tǒng)。在生物進(jìn)化過程中形成的，以核酸蛋白質(zhì)為組成的生物大分子信息系統(tǒng)。高等植物細(xì)胞全能性的發(fā)現(xiàn)，證實了細(xì)胞中含有發(fā)育成為完整植株的全套的遺傳信息。植物生長發(fā)育就是植物基因受內(nèi)外環(huán)境的影響，在時間和空間順序表達(dá)的結(jié)果。另一類是環(huán)境刺激—細(xì)胞反應(yīng)偶聯(lián)信息系統(tǒng)。植物感受到環(huán)境信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参矬w內(nèi)的信號，從而調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育過程。生長發(fā)育是基因在一定時間、空間上順序表達(dá)的過程，而基因表達(dá)除受遺傳信息支配外，還受環(huán)境的調(diào)控。植物在整個生長發(fā)育過程中，受到各種內(nèi)外因素的影響，這就需要植物體正確地辨別各種信息并作出相應(yīng)的反應(yīng)，以確保正常生長和發(fā)育。植物細(xì)胞受到的刺激或信號環(huán)境的外源信號:如光照、溫度、水分、重力、風(fēng)、雨、氣體、觸摸、機械傷害、病原因子等；細(xì)胞的內(nèi)源信號:

如激素、化學(xué)調(diào)節(jié)因子、電信號(生物電位)等。第4頁/共54頁第5頁/共54頁

這些信號作用于植物體，先到達(dá)細(xì)胞間隙—胞間信號，再到達(dá)細(xì)胞表面與細(xì)胞受體結(jié)合，通過跨膜信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信號，將信息轉(zhuǎn)導(dǎo)到胞內(nèi)的特定效應(yīng)部位起作用，而產(chǎn)生細(xì)胞反應(yīng)，調(diào)節(jié)植物體的生長發(fā)育。

概念:植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）是指細(xì)胞耦聯(lián)(感受)各種刺激信號（包括各種內(nèi)外刺激信號）與其引起特定生理效應(yīng)的一系列分子反應(yīng)機制。胞間信號分子又稱第一信使，而胞內(nèi)信號分子又稱第二信使（是由胞外刺激信號引起改變的具有生理調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞內(nèi)因子）。

信號傳導(dǎo)的途徑:

胞間信號的感知和跨膜轉(zhuǎn)換胞內(nèi)信號傳導(dǎo)蛋白質(zhì)可逆磷酸化細(xì)胞的生理反應(yīng)第6頁/共54頁信號傳導(dǎo)的分子途徑

信號感受膜上信號轉(zhuǎn)換

胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞膜第一信使第二信使膜上信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)細(xì)胞外DAGIP3Ca2+cAMPPKAPKCaPKCPKCa2+CaM酶蛋白磷酸化修飾細(xì)胞反應(yīng)CaM結(jié)合蛋白環(huán)境刺激胞間信號受體G蛋白效應(yīng)器Ca2+調(diào)節(jié)蛋白蛋白激酶離子通道細(xì)胞生理反應(yīng)蛋白質(zhì)可逆磷酸化第7頁/共54頁一、胞間信號感知和跨膜轉(zhuǎn)換

（一）胞外信號的傳遞1.化學(xué)信號（chemicalsignals）：是細(xì)胞感受刺激后合成并傳遞到作用部位引起生理反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。如植物激素。重力作用于根冠細(xì)胞造粉質(zhì)體，根的伸長區(qū)產(chǎn)生反應(yīng)，由IAA傳遞信息導(dǎo)致根生長的向重性。玉米，向日葵等根尖遭受干旱后迅速合成ABA，然后通過導(dǎo)管向地上部運輸（此時木質(zhì)部傷流液中ABA可增加25-30倍），到達(dá)葉細(xì)胞的質(zhì)外體，氣孔保衛(wèi)細(xì)胞Ca2+濃度增加，質(zhì)膜去極化產(chǎn)生K+外流和蘋果酸下降，保衛(wèi)細(xì)胞失水，引起氣孔關(guān)閉。局部傷害引起周身性反應(yīng)的信息傳導(dǎo)途經(jīng)，當(dāng)番茄植株一個葉片遭蟲咬傷后，會誘導(dǎo)葉片ABA增加，pin基因活化，產(chǎn)生蛋白酶抑制物（proteinaseinhibitor，PI）等，以阻礙病原或害蟲進(jìn)一步侵害。將受害葉的細(xì)胞壁水解產(chǎn)物(主要是寡聚糖)加到葉片中，又可模擬傷害反應(yīng)誘導(dǎo)PIs的產(chǎn)生，認(rèn)為寡聚糖是由受傷葉片釋放并經(jīng)維管束轉(zhuǎn)移，繼而誘導(dǎo)能使PIs基因活化的化學(xué)信號物質(zhì)。第8頁/共54頁產(chǎn)生PIs蟲咬蟲咬不會產(chǎn)生PIs產(chǎn)生PIs寡聚糖第9頁/共54頁受傷西紅柿植株蛋白激酶抑制物生物合成快速誘導(dǎo)信導(dǎo)途徑的假定模式圖多種植物激素如ABA，IAA，GA，Eth等都屬化學(xué)信號，其它與生長調(diào)節(jié)有關(guān)化學(xué)物質(zhì)如殼梭孢菌素（fusicoccin），水楊酸，多胺，茉莉酸及其甲酯，乙酰膽堿等也都可能是胞間信號分子。

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2.物理信號（physicalsignal）：是指細(xì)胞感受到刺激后產(chǎn)生的能夠起傳遞信息作用的物理因子。如電、光、磁場、水力學(xué)等可以在生物細(xì)胞間或其內(nèi)起信號分子的作用。當(dāng)用一個微電極插入一個未受刺激的細(xì)胞內(nèi)時，可以記錄到細(xì)胞內(nèi)有電位差，稱為靜息電位。一般細(xì)胞中這種電位差為內(nèi)負(fù)外正，在-100mv—50mV之間，即正常細(xì)胞一般都處于極化狀態(tài)。當(dāng)給予一個刺激時，會引起靜息電位發(fā)生一定程度的去極化（內(nèi)正外負(fù)）的電位變化，稱為動作電位。電信號是生物體內(nèi)最重要的物理信號。它主要指細(xì)胞膜靜息電位改變時所引起動作電位的定向傳播，它在植物環(huán)境刺激—細(xì)胞反應(yīng)系統(tǒng)中起重要作用，是植物體長距離傳遞信息的一種重要方式。第11頁/共54頁電信號傳遞特點：對高敏感的植物，外界刺激無需達(dá)到傷害程度即可產(chǎn)生動作電波（actionpotentialAP）；中等敏感植物在傷害刺激條件下產(chǎn)生變異電波（variationpotentialVP）；不敏感的植物只引起不可傳遞的局部電位變化，表明植物都有經(jīng)逆境或劇烈刺激激活的潛在興奮性。第12頁/共54頁含羞草一類“敏感”植物,遇到觸覺刺激時運動極快,受觸的含羞草小葉在1至2秒鐘向下彎，這是由于電波引發(fā)葉枕運動細(xì)胞中大量的K+和Ca+2轉(zhuǎn)運，引起膨壓改變的結(jié)果。第13頁/共54頁

物理信號傳遞特點：導(dǎo)致化學(xué)信號產(chǎn)生：與動物相似，植物的電波也是質(zhì)膜極化及透性變化的結(jié)果，而且拌有化學(xué)信號的產(chǎn)生（如乙酰膽堿生成）。電信號傳遞途徑：植物電波長途傳遞途徑是微管束，短距離傳遞則通過共質(zhì)體和質(zhì)外體。電信號作用：各種電波傳遞都可以產(chǎn)生生理效應(yīng)。

例舉：

Wildon等（1992）用番茄實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)番茄幼苗的子葉受到機械傷害時，導(dǎo)致動作電位從子葉中緩慢發(fā)出并且進(jìn)入第一片真葉，在此與誘導(dǎo)PI（proteinaseinhibitor）的所有反應(yīng)相聯(lián)系。所以傷害刺激產(chǎn)生的電信號，在番茄幼苗中傳遞，可誘導(dǎo)pin基因活化產(chǎn)生蛋白酶抑制物。證明了電信號可引起包括基因轉(zhuǎn)錄在內(nèi)深刻生理生化變化。

植物對水力學(xué)信號（hydraulicsignal）即水壓的變化很敏感。玉米葉片木質(zhì)部壓力的微小變化就能迅速影響葉片氣孔開度，即壓力降低時氣孔開放，壓力提高時氣孔關(guān)閉。第14頁/共54頁當(dāng)一種輪藻（characean）細(xì)胞平行排列時，電刺激一個細(xì)胞產(chǎn)生的動作電位，可以傳遞到相距10mm的另一個細(xì)胞而產(chǎn)生同步節(jié)律的動作電位。第15頁/共54頁（二）跨膜信號轉(zhuǎn)換機制胞外信號少部分可以直接跨過細(xì)胞膜系統(tǒng)引起生理反應(yīng)，多數(shù)只有在被膜系統(tǒng)上的受體（receptor）識別后，通過膜上信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信號，才能調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝及生理功能。能與受體結(jié)合的特殊信號物質(zhì)稱配體(Ligang)。受體可以是蛋白質(zhì)，也可以是一個酶系。1.受體與信號的感受:

物理信號以輻射、電磁場、力等方式使細(xì)胞內(nèi)外受體直接感受刺激，引起受體結(jié)構(gòu)變化而活化。如光受體通過多肽鏈上結(jié)合生色團(tuán)（色素）來接受光信號，生色團(tuán)接受光信號后發(fā)生構(gòu)象變化，進(jìn)而帶動多肽鏈變構(gòu)使光受體活化?；瘜W(xué)信號可通過配基（或激子）與受體在空間結(jié)構(gòu)上的互補性、化學(xué)鍵（氫鍵、離子鍵）、作用力（范德華力）、生物分子（酶蛋白與底物或抑制劑、抗原和抗體）間的親和力等方式與受體發(fā)生特異性結(jié)合或相互作用，使受體感知信號并引發(fā)受體分子構(gòu)象變化而將其激活。第16頁/共54頁

受體存在部位存在于細(xì)胞表面的細(xì)胞質(zhì)膜受體，大多信號分子不能通過膜，信號分子通過與細(xì)胞表面受體結(jié)合，經(jīng)過跨膜信號轉(zhuǎn)換，將胞外信號轉(zhuǎn)至胞內(nèi)。細(xì)胞內(nèi)受體是存在于細(xì)胞內(nèi)即細(xì)胞質(zhì)或亞細(xì)胞組分（細(xì)胞核）上受體。如下三類受體植物激素受體(hormonereceptor)能與激素特異結(jié)合并引起特殊生理效應(yīng)的物質(zhì)，一般是屬于蛋白質(zhì)。光信號受體:對紅光和遠(yuǎn)紅光敏感的光敏色素(Pr、Pfr),對藍(lán)光敏感的藍(lán)光受體(隱花色素)、對紫外光敏感的紫外光受體(UV-B）。感病誘導(dǎo)因子受體。第17頁/共54頁

激素受體，生長素受體在細(xì)胞中的存在位置有多種說法，但主要有兩種：一種存在于質(zhì)膜上它能促進(jìn)細(xì)胞壁松馳，是酸生長理論。另一種存在于細(xì)胞質(zhì)(或細(xì)胞核)中它能促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)的合成，是基因活化學(xué)說。第18頁/共54頁

光受體：光敏色素。迄今，光敏色素已被純化，基因克隆。其中從蘚類(CertodonRurpureus)中克隆了一個新的光敏色素基因，并證實該光敏色素N端（生色團(tuán)所在）作為光受體分子，C端則在光刺激后產(chǎn)生蛋白激酶活性。第19頁/共54頁光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理第20頁/共54頁2.G蛋白(Gprotein):

又稱信號轉(zhuǎn)換蛋白或偶聯(lián)蛋白。全稱為GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（GTPbindingregulatoryprotein）,此類蛋白由于其生理活性有賴于三磷酸鳥苷（GTP）的結(jié)合以及具有GTP水解的活性而得名.

二十世紀(jì)70年代初在動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了G蛋白的存在，進(jìn)而證明了G蛋白是細(xì)胞膜受體與其所調(diào)節(jié)的相應(yīng)生理過程之間的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)者。

G蛋白的發(fā)現(xiàn)是生物學(xué)一大成就。吉爾曼(Gilman)與羅德貝爾(Rodbell)因此獲得1994年諾貝爾醫(yī)學(xué)生理獎。

G蛋白一般分為兩大類：

異源三體G蛋白：三種亞基（、、）構(gòu)成

小G蛋白：一個亞基的單體第21頁/共54頁

G蛋白的偶聯(lián)功能是靠GTP的結(jié)合或水解產(chǎn)生的變構(gòu)作用完成。當(dāng)G蛋白與受體結(jié)合而激活時，它就同時結(jié)合上GTP，繼而觸發(fā)效應(yīng)器，把外界信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號；而當(dāng)GTP水解為GDP后，G蛋白就回到原初構(gòu)象，失去轉(zhuǎn)換的功能。植物G蛋白的研究始于80年代，現(xiàn)已證明，G蛋白在高等植物中普遍存在，并初步證明它通過光、植物激素對植物產(chǎn)生生理效應(yīng)，如跨膜離子運輸、氣孔運動、植物形態(tài)建成等生理活動的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中有重要調(diào)節(jié)作用。第22頁/共54頁某種刺激信號與其膜上的特異受體結(jié)合后，激活的受體將信號傳遞給G蛋白。G蛋白的α亞基與GTP結(jié)合而被活化?；罨摩羴喕cβ和γ亞基復(fù)合體分離而呈游離狀態(tài)?；罨摩羴喕^而觸發(fā)效應(yīng)器(如磷酸脂酶C)把胞外信號轉(zhuǎn)換成胞內(nèi)信號。而當(dāng)α亞基所具有的GTP酶活性將與α亞基相結(jié)合的GTP水解為GDP后，α亞基恢復(fù)到去活化狀態(tài)并與β和γ亞基相結(jié)合為復(fù)合體。第23頁/共54頁動物細(xì)胞中質(zhì)膜上的三種類型的受體(A)G蛋白偶連受體活化時G蛋白連接受體傳遞信息到G蛋白質(zhì)，其上有GTP。GTP復(fù)合體中的α-亞基能與β、γ亞基分開，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)激活其他酶。(B)酶偶連受體受體通常是蛋白激酶，與信號結(jié)合后，隨受體活化，內(nèi)部分子磷酸化，傳遞信息。

(C)離子通道偶連受體受體可能本身是細(xì)胞表面重要的通道。接受信號時，通道開放。也有些離子通道連接受體是在內(nèi)部膜上。第24頁/共54頁二、胞內(nèi)信號傳導(dǎo)

來自胞外的各種物理或化學(xué)刺激信號作為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的初級信號或第一信使，把由胞外刺激信號激活或抑制的（或引起改變的），具有生理調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞內(nèi)因子稱為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的次級信號或第二信使（secondmessenger）。第25頁/共54頁目前研究較多的胞內(nèi)信號有三類：鈣信號系統(tǒng)：

Ca++CaM肌醇磷脂信號系統(tǒng):

以肌醇磷脂代謝為基礎(chǔ)，IP3(三磷酸肌醇)、DAG(二酰甘油)環(huán)核苷酸信號系統(tǒng):cAMP第26頁/共54頁1.鈣信號系統(tǒng)（1）衡量鈣信使的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞質(zhì)的Ca2+水平必須能對來自環(huán)境與臨近細(xì)胞的刺激有所反應(yīng)；而且Ca2+水平的變化要早于該生理反應(yīng)；在缺乏正常的外界刺激時，通過誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度的變化，能引起該生理反應(yīng)；細(xì)胞必須具有感受Ca2+濃度變化，并將這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N生理反應(yīng)的機制；阻攔第二信使感知系統(tǒng)的運行，必定會阻攔對外界刺激的生理反應(yīng)。第27頁/共54頁（2）細(xì)胞游離Ca2+分布與轉(zhuǎn)移通常細(xì)胞中鈣（總鈣）以結(jié)合態(tài)和自由離子態(tài)（Ca2+）兩種形式存在。一般植物細(xì)胞在未受到刺激時（靜息態(tài)）其細(xì)胞質(zhì)Ca2+水平都相當(dāng)?shù)?，約為10-6～10-7mol/L,而細(xì)胞外可達(dá)10-3mol/L。細(xì)胞壁是細(xì)胞最大的鈣庫，細(xì)胞器如線粒體，葉綠體，微體，液胞，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等的Ca2+濃度也是細(xì)胞質(zhì)的幾百倍到幾千倍。因次，在細(xì)胞質(zhì)中與胞外或胞內(nèi)鈣庫（某些細(xì)胞器）之間存在一個Ca2+濃度梯度。若細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度過高會產(chǎn)生毒害，將會同磷酸反應(yīng)形成沉淀而擾亂以磷酸為基礎(chǔ)的能量代謝。因此，植物細(xì)胞必須具有從胞質(zhì)中主動派出過量Ca2+的機制，而使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度維持在低水平。一般來說，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度十分穩(wěn)定，即使有微小撥動，也是短暫的，故稱為鈣穩(wěn)態(tài)（calciumhomeostasis）。液泡大量積累Ca2+并形成不溶性鈣鹽（草酸鈣，蘋果酸鈣等）可看作是從細(xì)胞溶質(zhì)中清除過量Ca2+的手段之一。第28頁/共54頁

（3）鈣信使作用的分子基礎(chǔ)

Ca2+受體及鈣調(diào)蛋白

Ca2+作為第二信使，是如何起到調(diào)節(jié)酶和細(xì)胞功能作用的呢？植物細(xì)胞的鈣信號受體蛋白之一是鈣結(jié)合蛋白（CaBP），它與Ca2+有很高的親和力和專一性，即使當(dāng)細(xì)胞液中Mg+濃度大于Ca2+濃度1000倍時，仍優(yōu)先與Ca2+結(jié)合。鈣結(jié)合蛋白中分布最廣，目前最普遍的了解最多的是鈣調(diào)素（Calmodulin，CaM）。

第29頁/共54頁鈣調(diào)素生物化學(xué)

CaM是由19種氨基酸組成的一種耐熱，酸性（等電點3.9-4.3）小分子可溶性球蛋白，95℃加熱3min不變性，十分穩(wěn)定。148個氨基酸組成的單鏈小分子（17000～19000）。植物CaM的分子量，氨基酸組成和基本理化性質(zhì)都與動物CaM相似，不同的是植物CaM多一個半胱氨酸殘基。另外，動物CaM含兩個酪氨酸，而植物只有一個。X射線研究CaM三維晶體結(jié)構(gòu)，呈啞鈴形。CaM分子有四個Ca2+結(jié)合位點。第30頁/共54頁

Ca與鈣調(diào)素的作用機理

在一個體系內(nèi)，Ca2+作為信號是基于其濃度的變化，。細(xì)胞溶質(zhì)Ca2+水平通常低于10-6mol.L-1以下，而胞外則可達(dá)10-3mol.L-1。胞內(nèi)Ca2+濃度變化可通過引起膜透性變化，具體通過開啟/關(guān)閉膜上的Ca2+通道而引起。當(dāng)某刺激到達(dá)細(xì)胞時，質(zhì)膜上Ca2+通道打開，對Ca2+通透性瞬間增加，使細(xì)胞質(zhì)Ca2+到達(dá)一定閾值（高于10-6mol.L-1）；Ca與CaM結(jié)合，形成復(fù)合體，這種激活狀CaM*即可進(jìn)而與它所調(diào)節(jié)的靶酶結(jié)合而激活靶酶。完成特定的生理生化過程。之后Ca2+與CaM分離，CaM與靶酶復(fù)合體解離，CaM與靶酶均回到非活性狀態(tài)，這時細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+通過膜上Ca2+－ATP酶，又被反饋泵出細(xì)胞或泵入鈣庫。細(xì)胞質(zhì)Ca2+降低到與CaM結(jié)合閾值以下，細(xì)胞質(zhì)中Ca2+又回到靜息態(tài)水平。目前有十多種酶受Ca2+－CaM調(diào)節(jié)。如蛋白激酶，NAD激酶，H+-ATPase等和光敏素為受體的光信號轉(zhuǎn)換中起重要的調(diào)節(jié)作用。通過細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度變化而把細(xì)胞外的信息傳遞給細(xì)胞內(nèi)各相關(guān)過程的功能，即為Ca2+的信號功能。第31頁/共54頁高等植物細(xì)胞內(nèi)鈣離子運轉(zhuǎn)多條途徑示意圖（Buchanan，2000）第32頁/共54頁

環(huán)境刺激→胞內(nèi)Ca2+濃度增加→形成Ca2+.CaM→Ca2+.CaM.E→生理反應(yīng)實驗證明，幾乎所有的胞外刺激信號（光照，溫度，重力，觸摸等物理刺激和各種植物激素，病原菌誘導(dǎo)因子等化學(xué)物質(zhì)）都可引起胞內(nèi)游離Ca2+濃度的變化，而這種變化的時間，幅度，頻率，區(qū)域化分布等卻不盡相同，而表現(xiàn)生理效應(yīng)也不同。如GA的作用表現(xiàn)一種適度而持久（min到h量級）的Ca2+增加，緩慢回落；IAA的作用常表現(xiàn)為Ca2+振蕩（即出現(xiàn)重復(fù)的Ca2+峰）。不同刺激信號的特異性可能就是靠Ca2+濃度變化的不同形式而體現(xiàn)的。

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33頁/共54頁作用機理：胞外信號質(zhì)膜Ca通道打開Ca進(jìn)入4Ca++CaMCaMCa+Ca+Ca+Ca++ECaMCa+Ca+Ca+Ca+E生理效應(yīng)[Ca2+]大于10-6mol?L-1第34頁/共54頁植物細(xì)胞中Ca2+的運輸系統(tǒng)質(zhì)膜與細(xì)胞器上的Ca2+泵和Ca2+通道，控制細(xì)胞內(nèi)Ca2+的分布和濃度；胞內(nèi)外信號可調(diào)節(jié)這些Ca2+的運輸系統(tǒng)，引起Ca2+濃度變化。第35頁/共54頁2.肌醇磷脂信號系統(tǒng)

肌醇磷脂是一類由磷脂酸與肌醇結(jié)合的脂質(zhì)化合物。主要以三種形式存在于植物質(zhì)膜上：磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）、和磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP2）。

以肌醇磷脂代謝為基礎(chǔ)的細(xì)胞信號系統(tǒng)，是在外信號被膜受體接受后，以G蛋白為中介，由質(zhì)膜中的磷脂酶C（PLC）水解PIP2，生成肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）兩種信號分子。

IP3通過調(diào)節(jié)Ca2+濃度；

DAG則通過激活蛋白激酶C（PKC）傳遞信息。第36頁/共54頁磷脂酶C（PLC）第37頁/共54頁第38頁/共54頁第39頁/共54頁

肌醇磷脂信號系統(tǒng)的幾個中心環(huán)節(jié)—PLC及由它作用產(chǎn)生的信號物質(zhì)IP3和DAG作用。

IP3作用:具有使貯鈣體液泡釋放Ca2+的功能。一方面，Ca2+控制PLC的底物專一性，決定IP3和DAG信號分子的生成；另一方面，IP3信使的量反過來又影響Ca2+的產(chǎn)生，表明植物細(xì)胞中鈣信使與肌醇磷脂信號系統(tǒng)的共轄性質(zhì)。已有證據(jù)表明，IP3/Ca2+信號系統(tǒng)在干旱和ABA引起的蠶豆，豌豆氣孔開閉，雨樹小葉膨壓運動，植物對病原微生物侵染等環(huán)境刺激-快速反應(yīng)中起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。

DAG作用:作為信號分子蛋白激酶C（PKC）的受體。PKC的活性依賴于Ca2+和磷脂，它催化蛋白質(zhì)的磷酸化。在正常情況下，質(zhì)膜上不存在自由的DAG，它只是在細(xì)胞受到外界刺激時肌醇磷脂水解才產(chǎn)生。在有DAG和Ca2+時，磷脂與PKC分子相結(jié)合，使PKC激活，從而對某些底物蛋白活酶類進(jìn)行磷酸化，導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)。第40頁/共54頁

（三）環(huán)核苷酸信號系統(tǒng)在動物細(xì)胞中早已證明了cAMP是重要的第二信使物質(zhì)。一般認(rèn)為，當(dāng)某些胞外刺激信號作用于動物細(xì)胞時，質(zhì)膜上的受體通過G蛋白介導(dǎo)，促進(jìn)或抑制膜內(nèi)側(cè)的腺苷酸環(huán)化酶，從而調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)cAMP水平，cAMP作為第二信使進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理生化活動。自70年代人們就開始研究植物細(xì)胞內(nèi)的cAMP，但至今進(jìn)展緩慢，仍未證明它在植物細(xì)胞中的普遍存在以及是否也具有作為胞內(nèi)第二信使的作用。

1994年Bowler等報道了利用分子生物學(xué)和細(xì)胞顯微注射方法，以光敏色素A缺失的番茄突變系為材料，研究了完整葉綠體中多種光系統(tǒng)色素蛋白質(zhì)及酶基因表達(dá)所必須的光信號傳遞過程。第41頁/共54頁

三、蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化

植物體內(nèi)許多功能蛋白轉(zhuǎn)錄后需要共價修飾才能發(fā)揮其生理功能，由蛋白激酶（proteinkinase）/蛋白磷酸脂酶（proteinphosphatases）所催化的磷酸化/去磷酸化就是進(jìn)行共價修飾的一個重要過程，它們是前述幾類胞內(nèi)信使作用（第二信使）的靶酶，也是胞內(nèi)信號通過調(diào)節(jié)磷酸化或去磷酸化過程而進(jìn)一步轉(zhuǎn)導(dǎo)信號。如載體的磷酸化和脫磷酸化與功能的改變。蛋白激酶是一類催化蛋白質(zhì)產(chǎn)生磷酸化的酶，可對其底物蛋白質(zhì)特定的氨基酸殘基進(jìn)行磷酸化修飾，引起相應(yīng)的生理反應(yīng)。從最初信號刺激、G蛋白轉(zhuǎn)化、第二信使、激活相應(yīng)蛋白到促使蛋白磷酸化等一系列反應(yīng)的逐級放大。以完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。

蛋白激酶的底物可以是酶，因此它們既可以直接通過對酶的磷酸化修飾來改變酶的活性,完成特定的生理過程。

蛋白激酶也可以是轉(zhuǎn)錄因子，也可通過修飾轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors)而激活或抑制基因的表達(dá)，從而使細(xì)胞對外來信號作出相應(yīng)的反應(yīng)。

第42頁/共54頁Ca2+CaMIP3cAMP第43頁/共54頁1．蛋白激酶在植物中，目前已知的蛋白激酶至少有30多種，其中最重要的一類蛋白激酶有兩類：

一類鈣依賴型蛋白激酶（Ca2+-dependentproteinkinase，CDPK）或稱鈣調(diào)素樣蛋白激酶（Calmodulin-likedomainproteinkinase，CDPK）。它最初從大豆培養(yǎng)細(xì)胞中分離鑒定出，現(xiàn)已證明是植物細(xì)胞中一個蛋白激酶家族，僅從擬南芥中克隆的CDPK基因就有10種左右。此酶由508個氨基酸組成，在其氨基端有一激酶活性區(qū)域，而在其羧基端有一類似于CaM的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域（其中有4個Ca2+結(jié)合位點），在兩者之間存在由31個氨基酸組成的自身抑制區(qū)域（autoinhibitorydomain）。當(dāng)Ca2+與CDPK結(jié)合時，其自身抑制區(qū)域?qū)っ富钚缘囊种票唤獬?，CDPK被活化。這類激酶活性只依賴于Ca2+而不依賴于CaM。在植物中，目前已知的蛋白激酶至少有30多種，它們的作用也表現(xiàn)在多個方面，包括向光性、抗寒、抗病、根部的向地性、光合作用、自交不親和性以及細(xì)胞分裂等。第44頁/共54頁（Calmodulin-likedomainproteinkinase，CDPK）第45頁/共54頁

除CDPK類蛋白激酶外，還有與植物光敏色素密切相關(guān)的Ca2+依賴性蛋白激酶、同時受Ca2+和CaM調(diào)節(jié)的蛋白激酶。研究得較多的是最初從大豆中得到的依賴于鈣離子的蛋白激酶(calciumdependentproteinkinase,CDPK)，CDPK有一與鈣結(jié)合位點?，F(xiàn)已知的可被CDPK磷酸化的作用靶(或底物分子)有細(xì)胞骨架成分、膜運輸成分、質(zhì)膜上的質(zhì)子ATP酶等。如從燕麥中分離出與質(zhì)膜成分相結(jié)合的CDPK成分可將質(zhì)膜上的質(zhì)子ATP酶磷酸化，從而調(diào)節(jié)跨膜離子的運輸。

另外是類受體蛋白激酶，在動物細(xì)胞表面有一類受體稱為受體蛋白激酶，后來在植物中發(fā)現(xiàn)與之同源的基因，由于基因產(chǎn)物的受體功能未能得到證實，故將它們稱為類受體蛋白激酶（receptor-likeproteinkinase,RLK）。這些蛋白激酶可能與調(diào)節(jié)花粉自交部親和、病源信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及生長發(fā)育有關(guān)過程。第46頁/共54頁2．蛋白磷酸酶蛋白磷酸脂酶逆轉(zhuǎn)磷酸化作用，是終止信號或一種逆向調(diào)節(jié)，與蛋白激酶理論上有同等重要意義。現(xiàn)在植物中鑒定出幾種不同的蛋白質(zhì)磷酸酯酶。如豌豆、胡蘿卜中的Type1蛋白磷酸酯酶、豌豆、胡蘿卜、小麥中的Type2A和Type2C蛋白磷酸酯酶等。有研究表明，Type1蛋白磷酸酯酶可能與植物細(xì)胞的有絲分裂過程的調(diào)控有關(guān)。在豌豆保衛(wèi)細(xì)胞中存在一種依賴鈣離子的蛋白磷酸酯酶，它與K+的轉(zhuǎn)移和氣孔的開閉有關(guān)。雖然磷酸化和去磷酸化的過程本身是單一的反應(yīng)，但不同蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化的結(jié)果卻是不同的，很可能與實現(xiàn)細(xì)胞中各種不同刺激信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程有關(guān)。實際上，正是蛋白質(zhì)磷酸化的可逆性為細(xì)胞的信息傳遞提供了一種開關(guān)作用；在有外來信號刺激的情況下，通過脫磷酸化而失活（或磷酸化）能夠再將之關(guān)閉，這就使得細(xì)胞能夠有效而經(jīng)濟的調(diào)控對內(nèi)外信息的反應(yīng)。第47頁/共54頁MAPK－活化的促進(jìn)細(xì)胞分裂的蛋白激酶TF－轉(zhuǎn)錄因子Ras－一種小的GTP酶通過受體激活一系列的蛋白激酶，導(dǎo)致蛋白質(zhì)磷酸化的級聯(lián)(cascade)反應(yīng)，在一系列反應(yīng)中，前一反應(yīng)的產(chǎn)物是后一反應(yīng)中的催化劑，每次修飾就產(chǎn)生一次放大作用許多由蛋白磷酸化酶傳導(dǎo)的信號，級聯(lián)反應(yīng)和基因表達(dá)