生物小综述钙离子第二信使-.doc

Ca2+在信号传导中对植物生理的影响

一、 摘要
本文简要分析Ca2+在信号传导中作为第二信使配合钙调蛋白和钙依赖型蛋白激酶的机制原理，并概述其对植物生长生理的影响。

二、 关键词：Ca2+ 钙调素 CDPK 第二信使

三、 引言
我们知道，矿质元素对植物的生长发育和生理过程起着重要作用，Ca2+就是其中最为重要的离子之一。Ca2+既是植物细胞壁的重要组成部分，大部分Ca2+在细胞壁中与果胶酸形成果胶酸钙，起支持和加固作用；Ca2+对维持膜结构的稳定性也有一定作用；同时，Ca2+作为第二信使配合钙调蛋白和CDPK在植物生理的信号传导过程中具有重要作用。

四、 正文

1、 钙稳态
在静息态的胞质中Ca2+浓度≤0.1μmol/L，而通常在细胞壁、ER、液泡、线粒体中的浓度会高2~5个数量级。细胞壁是植物细胞的最大钙库[1]。细胞中各处的钙离子浓度梯度在未受刺激时是保持相对稳定的，当受到刺激时，由于胞外Ca2+浓度高与胞内，此平衡就会被打破。
信号分子与受体结合通常引起跨膜的离子流动，从而引起膜电位的改变。在质膜上，存在Ca2+通道，类似于水通道，引起Ca2+的内流；同时存在Ca2+泵，是Ca2+外流的通道。在胞内钙库如液泡、ER等结构的膜上也存在相应的结构，其上的Ca2+通道是从钙库流向胞质的通道，Ca2+泵、Ca2+/nH+反向运输体是Ca2+从胞质流向钙库的通道。因此细胞质中的游离Ca2+的浓度主要受质膜和内膜系统上的Ca2+通道和Ca2+泵的调节。任何一种外界刺激或激素所引起的细胞反应通过Ca2+作为第二信使传递的直接证据是细胞质中是否有游离Ca2+的浓度变化。

2、 Ca2+的作用方式
有两种：第一种是游离Ca2+的浓度直接或间接影响植物的生理过程；第二种是胞质里的Ca2+与钙结合蛋白，如钙调蛋白CaM（也叫钙调素）、钙依赖型蛋白激酶（CDPK）结合而起作用。

3、 钙调素
3.1 钙调素( Calmodulin, CaM)是一种分布最广，功能最重要的钙依赖性调节蛋白。它是1964 年美籍华人张槐耀在研究细胞内cAMP的浓度变化中环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)的调节作用时发现的，不同的研究者根据自己的实验结果而有不同的名称，中国于1987 年徐州会议定名为钙调素[2]
3.2 钙调素结构
CaM，耐热酸性球蛋白，是由148个氨基酸组成的单条多肽,相对分子质量为16.7kDa，每个CaM有4个Ca2+的结合位点。其外形似哑铃,有两个球形的末端,中间被一个长而富有弹性的螺旋结构相连,每个末端有两个Ca2+结构域,每个结构域可以结合一个Ca2+。钙调蛋白与Ca2+结合后的构型相当稳定。然而在非刺激的细胞中钙调蛋白与Ca2+结合的亲和力很低。其结构特点：(1)含30%的酸性氨基酸，为结合钙提供羧基；
　　　 (2)无易氧化的Cys和Trp，因而稳定、耐热；
　　　 (3)不含能使肽链定型的Hyp(羟脯氨酸)，因此具有高度灵活性，可与靶蛋白结合；　
3.3 CaM的作用方式
CaM有两种作用方式，第一种是CaM直接与靶酶结合，引起其构象变化来调节靶酶的活性，从而对代谢其调控作用。第二种是CaM与Ca2+结合（1~4个Ca2+）形成活化态的Ca2+·CaM复合物，此复合物再去结合靶酶使构象发生变化，使靶酶由非活化状态转变成活化状态来实现功能。在这里要指出，CaM的活性由游离Ca2+的浓度调节，但其本身又可以调节胞质中游离的Ca2+浓度。
CaM的下游靶酶有：Ca2+-ATP酶、Ca2+通道、NAD激酶和其他多种蛋白激酶。这些靶酶则参与蕨类植物孢子的发芽、细胞的有丝分裂、原生质流动、植物激素活性、植物向性、蛋白磷酸化等生理过程。

4 、 Ca2+/CaM在信号传导中的作用
4.1 光信号传导
许多证据说明光敏色素调节的快速反应中有Ca2+的参与，红光可诱导Ca2+的流入，引起胞质Ca2+的瞬时变化。Ca2+螯合剂或钙调素抑制剂可遏制红光引起的光敏色素反应，能导入Ca2+的药剂可取代红光引起光敏色素反应。[1]

4.2 介导植物的开花传粉等生殖过程
研究表明，在Ca2+/CaM的下游，即CaMBPs（CaM结合蛋白）对植物的开花调控、花粉发育和萌发具有重要作用。如缺失CaMBD结构域的MCK基因在突变烟草中，主茎花原基败坏，侧枝营养生长延迟。又如在拟南芥中缺失NPG1基因（一种CaMBP）的突变植株，花粉发育不良。
4.3 CaM介导的其他生理过程：参与细胞骨架功能、激素反应、离子吸收、逆境反应等

5、钙依赖性型蛋白激酶（CDPK）
5.1 概述
在20世纪80年代，钙依赖性型蛋白激酶（CDPK）才被发现，CDPK被认为可能是植物信号传导中最重要的一类蛋白激酶。CDPK属于Ser/Thr激酶，为植物细胞特有。机械刺激、激素、环境胁迫等都可以引起CDPK基因的表达。
其结构主要分三部分，N端是蛋白激酶催化域，该区段的同源性较高，可达80%；中间为自身抑制域，为一31个氨基酸构成的区域，抑制本身的活性；C端为CaM样结构域，该区内有4 个能与Ca2+结合的EF 手型结构,每个手型结构包含1个由12个氨基酸残基组成,两侧带有2个螺旋的环状结构, 这种结构使得CDPKs可以不依赖CaM和磷脂而依赖Ca2+被激活。[5]
5.2 CDPK作用的机制和靶酶
Ca2+结合CDPK的CaM样结构域后，该结构域与自身抑制结构域结合，使本来结合在自身抑制域的CDPK激酶活性位点移开并暴露，使之可以磷酸化下游的靶酶。
可以被CDPK磷酸化的靶蛋白有质膜ATP酶、离子通道(如保卫细胞质膜的氯离子和钾离子通道)、水孔蛋白、代谢酶、细胞骨架成分。
5.3 CDPK的生理作用
5.3.1参与植物激素的信号传导和代谢
激素引起植物体内Ca2浓度的变化，而CDPK则将Ca2信号向下游做进一步的传递。同时实验验证了在基因表达水平上，GA（赤霉素）、ABA、CK（细胞分裂素）、IAA（吲哚乙酸）等对CDPK的转录有促进作用。在GA处理的水稻种子中，CDPK的活性增强。
5.3.2介导植物对逆境的响应
CDPKs介导钙信号对干旱、冷害和盐胁迫等逆境信号的传导。如干旱时ABA诱导的气孔关闭。据发现，ABA（脱落酸）、黑暗、CO2、缺氧等外界刺激都会是气孔关闭，同时引起胞质内Ca2+的变化。不同的刺激引起胞质内Ca2+浓度变化的不同，即使是相同的刺激，在每个细胞内引起的Ca2+浓度变化也是有差异的。其中研究得最多的是ABA的信号传导途径。
ABA与膜上受体结合后，诱导膜上Ca2+通道开放，胞内钙离子浓度上升，激活外向Cl-通道，使质膜快速去极化，形成一正反馈，钙离子浓度由于IP3诱导胞内钙库释放Ca2+而持续增加，Cl-外流。高浓度的Ca2+抑制内向的K+通道，同时胞内PH的升高激活外向K+通道。这些过程使胞内膨压下降，最终导致气孔关闭。而在这个过程中将钙信号传递给下游的便是CDPKs。
cADPR(环腺苷酸二磷酸核糖)的作用：NAD被ADP-核糖基环化酶催化即生成cADPR。当cADPR为纳摩尔水平时就可以激活Ca2+通道，显微注射cADPR可以诱导鸭趾草保卫细胞Ca2+浓度升高导致气孔关闭。而加入cADPR的抑制剂只能部分抵消ABA引起的气孔关闭。说明cADPR是在ABA诱导钙离子浓度升高中的途径之一。
5.3.2参与对植物细胞骨架的调节
植物细胞骨架在维持细胞形态和组织特定结构具有重要作用。Putnam-Evans等的实验表明，植物体内的CDPKs，在花粉管的顶端和节间细胞等具有快速伸长能力的细胞中，能与肌动蛋白微纤丝形成聚合体，活性也高，同时在这些细胞中的Ca2+浓度也较高。
5.3.3CDPK的其他生理作用
CDPK的生物学功能很多，其他例如参与植物碳氮代谢调节、介导植物的防御过程、介导植物的生长发育调控等等。

五、结语
Ca2+不仅仅作为植物所需的重要矿质元素，同时也是植物体的重要的第二信使，了解其机制和过程，会有利于我们加深对植物信号传导的认识。相信不久后，对Ca2+信号传导的研究，尤其是CaM和CDPK的研究必定会取得进一步的突破。

六、参考文献
[1]武维华《植物生理学》，科学出版社，2003年4月第一版
[2] 顾永青. 钙调素的生理功能[J]. 生物学通报，1994，29，（10）:12~14
[3] 陈玉玲等《保卫细胞钙信号的研究进展》，植物学通报，2003，20（2）：144~151
[4] 霍建飞等《植物中重要的信号分子——CaM》，天津农业科学Tianjin Agricultural Sciences 2010 ，16（3）：30-35
[5] 倪天华, 魏幼璋 《钙依赖型蛋白激酶(CDPKs) 在植物中的生理功能》西北农林科技大学学报( 自然科学版) 2002，12 ，第30卷，第6期
[6] 毛国红、宋林霞、孙大业《植物钙调素结合蛋白研究进展》
植物生理与分子生物学学报,2004，30（5）：481~488
[7] 王娇娇《钙依赖蛋白激酶( CDPKs) 介导植物信号转导的分子基础》，草业学报，2009，6，18卷第3期