三、胞内信号的转导 如果将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过程中的初级信号或第一信使,那么则可以把由胞外刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞内因子称细胞信号传导过程中的次级信号或第二信使(second messenger)。 1.钙信号系统 植物细胞内的游离钙离子是细胞信号转导过程中重要的第二信使。植物细胞质中Ca2+含量一般在10-7~10-6mol·L-1 ,而胞外Ca2+浓度约为10-4~10-3mol·L-1 ;胞壁是细胞最大的Ca2+库,其浓度可达1~5mol·L-1 ;细胞器的Ca2+浓度也是胞质的几百到上千倍,所以Ca2+在植物细胞中的分布极不平衡。几乎所有的胞外刺激信号(如光照、温度、重力、触摸等物理刺激和各种植物激素、病原菌诱导因子等化学物质)都可能引起胞内游离钙离子浓度的变化,而这种变化的时间、幅度、频率、区域化分布等却不尽相同,所以有可能不同刺激信号的特异性正是靠钙离子浓度变化的不同形式而体现的。胞内游离钙离子浓度的变化可能主要是通过钙离子的跨膜运转或钙的螯合物的调节而实现的,此外,在质膜、液泡膜、内质网膜上都有钙离子泵或钙离子通道的存在(图6-26)。胞外刺激信号可能直接或间接地调节这些钙离子的运输系统,引起胞内游离钙离子浓度变化以至影响细胞的生理生化活动。如保卫细胞质膜上的内向钾离子通道(inward K+ channel)可被钙离子抑制,而外向钾离子和氯离子通道则可被钙离子激活等。 图 6-26 植物细胞中Ca2+的运输系统 质膜与细胞器膜上的Ca2+泵和Ca2+通道,控制细胞内Ca2+的分布和浓度;胞内外信号可调节这些Ca2+的运输系统,引起Ca2+浓度变化。在液泡内,Ca2+往往和植酸等有机酸结合。 核膜的Ca2+-ATPase在动物中发现,在植物中还不能确认。(前岛正义,1995) 胞内Ca2+信号通过其受体-钙调蛋白转导信号。现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种:钙调素与钙依赖型蛋白激酶(后者见本节四)。钙调素(calmodulin,CaM)是最重要的多功能Ca2+信号受体,由148个氨基酸组成的单链的小分子(分子量为17 000~19 000)酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后(一般≥10-6mol.L-1), Ca2+ 与CaM结合,引起CaM构象改变。而活化的CaM又与靶酶结合,使其活化而引起生理反应。目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控,如蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM胞内信号起了重要的调节作用。 Ca2+信号反应在气孔关闭过程中,与多个离子通道的活性及H+泵相协调。 在这个模型中,受体(R)感受ABA的作用导致了Ca2+的输入或Ca2+从内部储存中的释放,从而使得细胞质中的自由Ca2+浓度促进了质膜上阴离子与K+Out通道的开放,并抑制了K+in通道的开放。当离开细胞的离子比进入细胞的多时,流出细胞水的量就会超过进入的水,如此,细胞就会失去膨胀作用,从而使得气孔关闭。 蔡南海(NamHai Chan)实验室用光敏色素A缺失的番茄单细胞突变系,研究了完整叶绿体中多种光系统色素蛋白质及酶基因表达所必需的光信号传导过程。将信号系统中各组分,如光敏色素A、G蛋白激活剂,Ca2+及CaM、cGMP、cAMP等以及它们的不同组合微注射入单细胞内,随后对叶绿体内多种色素蛋白和酶系在基因活化、转录、翻译三个水平进行观察研究后得出结论:光刺激后,上游的光敏色素与G蛋白激活对完整叶绿体发育及花色素苷合成是共同必须的;Ca2+-CaM系统参与PSⅡ捕光色素、ATP合成酶、Rubisco等光诱导产生,但不参与诱导花色素苷合成,因而只形成不成熟的叶绿体;而在动物视觉系统细胞光感应中起重要作用的cGMP在植物花色素苷诱导中起决定作用,并与Ca2+-CaM一起诱导PSⅠ和Cyt b-6/f的合成。 2.肌醇磷脂信号系统 生物膜由双层磷脂及膜蛋白组成。对于它在信号转导中的作用,多年来人们把注意力集中在功能繁多的膜蛋白上,而脂质组分仅被看成是种惰性基质。20世纪80年代后期的研究表明,质膜中的某些磷脂,在植物细胞内的信号转导过程中起了重要作用。 肌醇磷脂(inositol phospholipid)是一类由磷脂酸与几醇结合的脂质化合物,分子中含有甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因,其总量约占膜脂总量的1/1O左右。其肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目的磷酸酯化 (图6-28),其总量约占膜磷脂总量的1/10左右,其主要以三种形式存在于植物质膜中:即磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)和磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)。 图6-28 肌醇磷脂的分子结构 以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统,是在胞外信号被膜受体接受后,以G蛋白为中介,由质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解PI2而产生肌醇-1,4,5-三磷酸(inositol 1,4,5-triphosphate IP3)和二酰甘油(diacylglycerol,DG,DAG)两种信号分子。因此,该系统又称双信号系统。在双信号系统中,IP3通过调节Ca2+浓度,而DAG则通过激活蛋白激酶C(PKC)来传递信息(图6-29)。 IP3作为信号分子,在植物中它的主要作用靶为液泡,IP3作用于液泡膜上的受体后,可影响液泡膜形成离子通道,使Ca2+从液泡这一植物细胞中重要的贮钙体中释放出来,引起胞内Ca2+浓度升高,从而启动胞内Ca2+信号系统来调节和控制一系列的生理反应。已有证据证明IP3/ Ca2+系统在干旱和ABA引起的气孔开闭、植物对病原微生物侵染及激发子诱导等环境刺激快速反应中起信号转导作用。 DAG的受体是蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),在一般情况下,质膜上不存在自由的DAG。在有DAG、Ca2+时,磷脂与PKC分子相结合,PKC激活,使某些酶类磷酸化,导致细胞反应;当胞外刺激信号消失后,DAG首先从复合物上解离下来,而使酶钝化,与DAG解离后的PKC可以继续存在于膜上或进入细胞质里备用。  |
图 6-29 肌醇磷酸代谢循环过程 IP3作为信号分子,在植物中它的主要作用靶为液泡,IP3作用于液泡膜上的受体后,可影响液泡膜形成离子通道,使Ca2+从液泡这一植物细胞中重要的贮钙体中释放出来,引起胞内Ca2+浓度升高,从而启动胞内Ca2+信号系统来调节和控制一系列的生理反应。已有证据证明IP3/ Ca2+系统在干旱和ABA引起的气孔开闭、植物对病原微生物侵染及激发子诱导等环境刺激快速反应中起信号转导作用。 DAG的受体是蛋白激酶C(protein kinase C,PKC),在一般情况下,质膜上不存在自由的DAG。在有DAG、Ca2+时,磷脂与PKC分子相结合,PKC激活,使某些酶类磷酸化,导致细胞反应;当胞外刺激信号消失后,DAG首先从复合物上解离下来,而使酶钝化,与DAG解离后的PKC可以继续存在于膜上或进入细胞质里备用。 3.环核苷酸信号系统 受动物细胞信号的启发,人们最先在植物中寻找的胞内信使是环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP),但这方面的进展较缓慢,在动物细胞中,cAMP依赖性蛋白激酶(蛋白激酶A,PKA)是cAMP信号系统的作用中心。植物中也可能存在着PKA。蔡南海实验室证实了在叶绿体光诱导花色素苷合成过程中,cAMP参与受体G蛋白之后的下游信号转导过程,环核苷酸信号系统与Ca2+-CaM信号转导系统在合成完整叶绿体过程中协同起作用(图6-27)。 |