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第七章 细胞信号转导. 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。. 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. 受体
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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。
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
受体 存在于细胞表面或亚细胞组分中的天然分子。具有特异性、高亲和力和可逆性等特征。在细胞内放大、传递信号，启动一系列生化反应，最终导致特定的细胞反应。 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 细胞内受体（intracellular receptor)：存在于亚细胞组分（如细胞核等）上的受体。 细胞表面受体(cell sueface receptor)：位于细胞表面的受体。
细胞表面受体 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（G protein-coupled receptor，GPCR）、酶连受体（enzyme-linked receptor）和离子通道连接受体（ion-channel-linked receptor）
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。细胞通常采取三种方式将胞外信号跨膜转换为胞内信号。
通过离子通道连接受体跨膜转换信号 • 离子通道（ion channel）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（ionotropic Glutamate receptor，iGluR），并且可能参与了植物的光信号转导过程。
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。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（His protein kinase, HPK），另一个是效应调节蛋白，（response-regulator protein, 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。
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（GTP binding protein），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。
受体蛋白的氨基端位于细胞外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成几个螺旋的跨膜结构。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。受体蛋白的氨基端位于细胞外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成几个螺旋的跨膜结构。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。 G蛋白联接受 体的分子模型 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(heterotrimeric G-proteins，也被称作大G蛋白)。常把异三聚体G蛋白简称为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，亚基上氨基酸残基的酯化修饰作用将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。。 • 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。
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，包括PLC、腺苷酸环化酶、离子通道等，将信号传递下去。 • 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。
G蛋白自身的活化和非活化作为一种分子开关，将膜外的信号转换为膜内的信号并进一步放大信号！G蛋白自身的活化和非活化作为一种分子开关，将膜外的信号转换为膜内的信号并进一步放大信号！
（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
第二信使（second messenger） 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（inositol 1,4,5-trisphosphate，IP3）、二酰甘油（1,2-Diacylglycerol，DG）、环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）等。 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。
目前植物中普遍接受的胞内第二信使系统主要有：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 肌醇磷脂信使系统 环核苷酸信使系统 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)。
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。 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 ~10-6 mol/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（calcium homeostasis），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。
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
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？ 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。
第一种模式：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。
第二种模式：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。第二种模式：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。
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（calcium dependent protein kinase ，CDPK），
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（inositol phospholopid）是细胞膜的基本组成成分。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。
环核苷酸信号系统 • 环核苷酸是在活细胞内最早发现的第二信使，包括cAMP和cGMP，其分别由ATP经腺苷酸环化酶、GTP经鸟苷酸环化酶产生而来。 • 动物细胞中，外界刺激信号激活质膜上的受体通过G蛋白的介导促进或抑制膜内侧的腺苷酸环化酶，从而调节胞质内的cAMP水平，cAMP作为第二信使激活cAMP依赖的蛋白激酶（PKA）； • PKA被激活后其催化亚基和调节亚基相互分离，其中催化亚基可以引起相应的酶或蛋白质磷酸化，引起相应的细胞反应，或者催化亚基直接进入细胞核催化cAMP应答元件结合蛋白（cAMP response element binding protein, CREB）磷酸化， • 被磷酸化的CREB激活核基因序列中的转录调节因子cAMP应答元件（cAMP response element, CRE），导致被诱导基因的表达。
