胞信号传导途径.ppt

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1、细细 胞胞 信信 号号 转转 导导signal transduction生长（生长（growth）：是植物体积的增大，它是通过）：是植物体积的增大，它是通过细胞分裂和伸长来完成的。细胞分裂和伸长来完成的。发育（发育（development）：指在整个生活史上，植物）：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

2、控。植物通过精确、完善的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。信号转导系统来调节自身、适应环境。信息分子信息分子受体受体第二信使第二信使效应蛋白效应蛋白效应蛋白效应蛋白生物效应生物效应肌肉收缩分泌代谢基因表达一、概一、概 论论研究植物感受、传导环境刺激的分子途径及研究植物感受、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其在植物发育过程中调控基因的表达和生理化反应化反应（Signal transduction systemSignal transduction system）。）。1-2seconds信号信号信号-Signal，是

3、一个抽象概念，对植物是一个抽象概念，对植物来讲，环境的变化就是刺激，就是信号。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。分为物理信号和化学信号。物理信号：光，水，温度等；物理信号：光，水，温度等；化学信号：激素，病源等。也称为配体化学信号：激素，病源等。也称为配体（ligand）External Stimuli外界环境刺激外界环境刺激Internal Stimuli 体内细胞间刺激体内细胞间刺激细胞信号分子及信号传递途径的特征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信号分子一般分子量较小而易于移动,如如Ca2+,cAMP,和和IP3等等.2.信号分

4、子应快速产生而且快速灭活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信号传递途径有级联放大作用,它形成一个它形成一个级联级联(cascades)反应将原初信号放大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是一个网络系统.细胞信号转导的主要途径模式图细胞信号转导的主要途径模式图细胞信号的种类信信 号号（Signal）物理信号：光、电物理信号：光、电化学信号：激素、病原因子等，化学信号也化学信号：激素、病原因子等，化学信号也叫做叫做ligand胞外信号（胞间信号）胞外信号（胞间信号）胞内信号胞内信号当环境刺激

5、作用于植物体的不同部位时，会发生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。细胞间的信号传递。胞间信号包括物理信号（电信号）和化学信号胞间信号包括物理信号（电信号）和化学信号（激素、寡聚糖等）（激素、寡聚糖等）。Primary messenger:Environmental stimulations and extracellular signalsSecond messenger:Signals in the cell土土壤壤干干旱旱时时，植植物物根根尖尖合合成成脱脱落落酸酸（ABA），通通过过导导管管向向上上运运到到叶叶片片保保卫卫细细胞胞，引引起起保保卫卫细细胞胞内内的的

6、胞胞质质Ca2等等一一系系列列信信号号转转导导，产产生生生生理理、生化反应，最后使气孔关闭。生化反应，最后使气孔关闭。土土壤壤干干旱旱（胞胞外外刺刺激激）是是信信号号转转导导过过程程中中的的初初级信使（级信使（primary messenger）ABA是是胞胞间间的的化化学学信信号号，保保卫卫细细胞胞内内的的胞胞质质Ca2等等传传递递胞胞外外信信号号的的一一系系列列信信号号分分子子就就是是第第二信使（二信使（second messenger）。）。受体和跨膜信号转换受体和跨膜信号转换受体受体-细胞表面或亚细胞组分中的一种生物大分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

7、物活性的化学子物质，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生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。效应。配体配体-是指这样一些信号物质，除了与受体结合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胞在环境中存在一种点，唯一的功能就是通知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素特殊信号或刺激

8、因素。受受 体体 与与 配配 体体 结结 合合 的的 特特 性性1、高亲和力：、高亲和力：2、特异性：、特异性：3、可逆性：、可逆性：4、饱和性饱和性.受体是一类信号转导分子，它的作用：第一步是识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（别信号分子（RecognitionRecognition）；）；第二步是将信号分子第二步是将信号分子转变成细胞的反应，即信号转导（转变成细胞的反应，即信号转导（Signal Signal transductiontransduction）。）。细胞表面受体和胞内核受体细胞表面受体（细胞表面受体（cell surface receptor）：往往通

9、过）：往往通过胞外配体结合后，使胞外配体结合后，使“胞内第二信使胞内第二信使”水平增加而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。应，但常具有引起短暂而迅速细胞反应的特点。细胞内受体细胞内受体(intracellular receptor)：信号分子为：信号分子为疏水性小分子甾类和水溶性多肽，可以靠简单扩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。一步的传递和放大。受受 体体 家家 族族1、G

10、G蛋白偶联受体（蛋白偶联受体（G protein coupled receptor G protein coupled receptor）（binded receptorbinded receptor）受体蛋白的氨基端们于细胞外侧，）受体蛋白的氨基端们于细胞外侧，羧基端位于内侧，羧基端具有与羧基端位于内侧，羧基端具有与G G蛋白相互作用的区域，蛋白相互作用的区域，受体活化后直接将受体活化后直接将G G蛋白激活，进行跨膜信号转换蛋白激活，进行跨膜信号转换2、离子通道型受体：（离子通道型受体：（ion-channel-linked ion-channel-linked receptorrecept

11、or），），即除了含有与配体结合的部位外，受体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的跨膜流动3、类蛋白激酶受体（类蛋白激酶受体（receptorreceptorlike proteinlike protein kinase）：）：本身是一种酶蛋白，具有胞外感受信号的区域，跨膜区本身是一种酶蛋白，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。内激酶，将下游组分磷酸化而传递信号。第

12、二节 跨膜信号转换信号与细胞表面的受体结合之后，通过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，这个过程受体将信号转导进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换（称为跨膜信号转换（transmembrane transmembrane transductiontransduction）G蛋白连接受体发生的跨膜信号转换蛋白连接受体发生的跨膜信号转换G G蛋蛋白白(G(G protein)protein)全全称称为为异异三三聚聚体体GTPGTP结结合合蛋蛋 白白(heterotrimeric(heterotrimeric GTP GTP binding binding protein),

13、protein),它它具具有有GTPGTP酶酶活活性性，由由三三种种亚亚基基组成。结合在细胞膜面向胞质的一侧组成。结合在细胞膜面向胞质的一侧。G G蛋蛋白白介介导导的的跨跨膜膜信信号号转转换换是是依依赖赖于于自自身身的的活化和非活化状态循环来实现的。活化和非活化状态循环来实现的。异三聚体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

14、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 transduction in cells”G G蛋白的发现：蛋白的发现：蛋白的发现：蛋白的发现：吉尔曼（吉尔曼（GilmanGilman）、）、罗德贝尔罗德贝尔(Rodbell)(Rodbell)获获诺贝诺贝 尔医学生理奖（尔医学生理奖（19941994异三聚体G蛋白的激活循环Binding of GTP to -Dissocia

15、tion from/GDP-P(NH2)PG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末端在胞内离离 子子 通通 道道 型型 受受 体体 类受体蛋白激酶类受体蛋白激酶 这类为跨膜蛋白，受体的胞外部分能这类为跨膜蛋白，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，启动信号转其下游效应蛋白进行磷酸化，启

16、动信号转导。导。Enzyme-linked receptor细胞内的信号分子和第二信使系统细胞内的信号分子和第二信使系统n胞外信号（胞外信号（primary signal）经跨膜转换后，通过第经跨膜转换后，通过第二信使（二信使（secondary messenger）进一步的传递和放大，）进一步的传递和放大，最终引起细胞中的生化反应。最终引起细胞中的生化反应。n第二信使：第二信使：Ca2+、cAMP、cGMP 、ASA、GSH H2O2、三磷酸肌醇、三磷酸肌醇(IP3)、二脂酰甘油二脂酰甘油(DAG)、通常细胞钙（总钙）以结合态和自由离子态（通常细胞钙（总钙）以结合态和自由离子态（CaCa2+

17、2+）两种形式存在。两种形式存在。细胞内钙分布不均匀，在静止（非激活）状态时，细细胞内钙分布不均匀，在静止（非激活）状态时，细胞溶质胞溶质CaCa2+2+浓度估计约为浓度估计约为1010-9-91010-7-7molmolL L，一般代，一般代表性取值为表性取值为1010-7-7molmolL L左右左右。1 1）胞质）胞质CaCa2 2的浓度很低，只有的浓度很低，只有100100200nM200nM。2 2）胞内钙库液泡和内质网中）胞内钙库液泡和内质网中CaCa2 2的浓度约为的浓度约为1mM1mM。3 3）在细胞壁中，）在细胞壁中，Ca Ca2 2的浓度约为的浓度约为0.5 0.5 1mM

18、1mM。细胞钙的分布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质膜钙通道：从胞外或胞内钙库向细胞质释放Ca2Ca2质膜钙泵：质膜钙泵：从细胞质向细胞外或胞内钙库运送从细胞质向细胞外或胞内钙库运送Ca2Ca2Ca2Ca2/n nH H+反向运输体：反向运输体：从细胞质向胞内钙库运送从细胞质向胞内钙库运送Ca2Ca2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的组成和特性的组成和特性 CaM是一种由是一种由19种氨基酸组

19、成的耐热、耐酸种氨基酸组成的耐热、耐酸的小分子球蛋白，分子量为的小分子球蛋白，分子量为1517kD。CaM的结构的结构 1）分子中有）分子中有4个个Ca2结合区（环）；结合区（环）；2）Ca2结合区包括结合区包括12个氨基酸，其中富含个氨基酸，其中富含Asp和和Glu；3）环两侧各有两个螺旋结构。）环两侧各有两个螺旋结构。3CaM的分布的分布4 在细胞质和核质中都发现在细胞质和核质中都发现CaM的存在，还的存在，还有与质膜相连的有与质膜相连的CaM。4结合蛋白结合蛋白5 The CaM-binding proteins in plants are NAD+kinase,glutamate de

20、carboxylase,protein kinases,and Ca 2+-ATPase.CaM的作用方式：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：细胞质和细胞器钙调蛋白的存在部位：细胞质和细胞器作用机理作用机理作用机理作用机理：胞外信号胞外信号质膜质膜Ca通道打开通道打开Ca进入进入4 Ca+CaMCaMCa+Ca+Ca+Ca+ECaMCa+Ca+Ca+Ca+E生理效应生理效应Ca 2+大于 10-6

21、mol L-1质膜中有三种磷脂酰肌醇：质膜中有三种磷脂酰肌醇：磷脂酰肌醇（磷脂酰肌醇（PIPI）磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇 4 4 磷酸（磷酸（PIPPIP）磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇 4 4，5 5 二磷酸（二磷酸（PIPPIP2 2）。）。磷脂酰肌醇信号系统磷脂酰肌醇信号系统不同的磷脂酶在磷脂上的作用位点不同的磷脂酶在磷脂上的作用位点IP3、Ca2+-钙调蛋白激酶途径钙调蛋白激酶途径 这条途径得第二信使为这条途径得第二信使为IP3及及Ca2+。当信息分子与膜。当信息分子与膜受体结合后通过受体结合后通过F蛋白转导激活磷脂酶蛋白转导激活磷脂酶C（PLC）。后者）。后者水解水解PIP2生成生成IP3。IP3

22、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二酰甘油蛋白激酶蛋白激酶CDAG/PKC pathwayDAG/PKC pathwayIP3/Ca2+Pathway双信号双信号系统系统DAG/PKC pathwayIP3/Ca2+Pathway双信号双信号系统系统蛋白激酶：是一类催化蛋白质产生磷酸化反应的酶，

23、蛋白激酶：是一类催化蛋白质产生磷酸化反应的酶，蛋白激酶：是一类催化蛋白质产生磷酸化反应的酶，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可对其底物蛋白质特定的氨基酸残基进行磷酸化修可对其底物蛋白质特定的氨基酸残基进行磷酸化修可对其底物蛋白质特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，饰，饰，饰，催化将催化将ATPATP上的上的磷酸基转到靶蛋白的磷酸基转到靶蛋白的serser、thrthr和和tyrtyr残基上。磷酸化改变了靶蛋白的活性。残基上。磷酸化改变了靶蛋白的活性。以以以以完成信号转导过程完成信号转导过程完成信号转导过程完成信号转导过程.PKPK（prot

24、ein protein kinasekinase）的作用特点）的作用特点 一个一个PKPK分子可以使几百个靶蛋白磷酸化，从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。而起到放大信号的作用。蛋白磷酸酯酶蛋白磷酸酯酶：蛋白的磷酸化和去磷酸化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

25、种酶催化下发生共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。这种作用称为共价修饰作用。起酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价修饰作用。这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：这类酶则称为共价调节酶。有如下两个特点：（1 1）被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为）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（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反

26、应，并且都将引起酶活性的变化。饰反应，并且都将引起酶活性的变化。（2 2）共价修饰调节作用可以产生酶的连续激活现）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的信号被逐级放大了约300300万倍万倍。共价修饰调控共价修饰调控DG-蛋白激酶C途径 当激素与受体结合后，通过当激素与受体结合后，通过G蛋白转导，激活磷脂酶蛋白转导，激活磷脂酶C可产生可产生IP3以及以及DG。DG还可以来自于卵磷脂的水解主要

27、还可以来自于卵磷脂的水解主要由磷脂酶由磷脂酶D（PLD）催化。这两种来源的）催化。这两种来源的DG可激活蛋白可激活蛋白激酶激酶C（PKC），引起生物效应。），引起生物效应。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、钙依赖型蛋白激酶（calcium dependent protein kinase，CDPK）丝氨酸丝氨酸/苏氨酸苏氨酸 protein kinaseArabidopsis 基因组基因组34个个CDPK2、促分裂原活化蛋白激酶促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase MAPK）MAPKKMAPK

28、3、类受体蛋白激酶（、类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinase,RLK)胞外结构区胞外结构区跨膜螺旋区跨膜螺旋区胞内蛋白酶胞内蛋白酶催化区催化区、新型气体分子转导途径、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

29、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外界环 细胞膜细胞膜境刺激境刺激 cAMP PKAcAMP PKA 酪蛋酪蛋 细细 G CaG Ca2+2+PKCa PKCa2+2+白磷白磷 胞胞胞间信号胞间信号 受体受体 蛋蛋 效应器效应器 CaM CaM 酸化酸化 反反(第一信使第一信使)白白 PKC PKC 修饰修饰 应应 IP IP3 3 CaM CaM Tyr Tyr蛋白蛋白 DG DG 结合蛋白结合蛋白 激酶激酶 膜上信号膜上信号 胞内信号胞内信号 转换系统转换系统 (第二信使第二信使)植物细胞信号转导的模式植物细胞信号转导的模式

30、总结（总结（SummarySummary）由于植物移动性不如动物，植物在长期的进化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这种相互作用称作“交谈（交谈（cross

31、talkcross talk）”。对。对信号转导网络的认识是近信号转导网络的认识是近2020年来的研究所得，事年来的研究所得，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。据来充实和完善。复习题1、名词解释：受体受体，G G蛋白，蛋白，CaM，2、汉译英，英译汉 ligand，heterotrimeric GTP binding protein，enzyme-linked enzyme-linked receptorreceptor，intracellular receptor,信号转导，信号转导，液泡，液泡，钙稳态，蛋白磷酸酶，钙稳态，蛋白磷酸酶3、问答题：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？蛋白质可逆磷酸化在细胞信号转导中有什么作用？2 2）如何维持胞质溶胶中的钙稳态？）如何维持胞质溶胶中的钙稳态？3 3）细胞如何通过）细胞如何通过G G蛋白实现信号的跨膜转换？蛋白实现信号的跨膜转换？