植物糖代谢及相关酶
发布日期：2023/9/8 19:36:00
糖在植物的代谢、生长、发育上是一个重要的、多重的角色。糖是光合作用的产物, 又是呼吸作用的底物, 它为植物的生长发育提供碳骨架和能量, 并能增强植物抗逆性。糖的代谢是整个生物代谢的中心, 它勾通了蛋白质代谢、脂类代谢、核酸代谢及次生物质代谢。糖类的合成与分解影响细胞及溶液的渗透势, 渗透势的变化是氧份运输的动力之一, 它会影响糖分的运输; 渗透势变化会影响水势及水份的流动, 从而影响气孔开闭、花药裂开等活动; 渗透势的变化影响植物抗协迫环境的能力。糖类的运输及分配勾通 了源器官和库器官。叶片光合作用合成的糖分, 通过韧皮部的装载运到库端, 卸载进入库细胞, 为库的生长提供氧分。如花粉管的萌发、果实、种子的膨大与成熟，块根、块茎的膨大生长。糖类的代谢及运输分配还会影响进入库细胞的糖及库细胞贮存的糖的形式, 从而对作物及果蔬的品质产生影响, 对中药材的有效成份含量产生影响。
植物中的糖感受蛋白对不同种类的糖感受, 起始糖信号, 产生的糖信号在胞内以各自不同的途径进行转导, 最终调控许多相关基因的表达及酶活性。相关基因在时空上的差异表达, 导致了植物在代谢、生长及发育方面的变化。更为复杂的是糖信号不仅是胞内转导的唯一信号, 它能与 Ca 信号系统、光 敏素信号系统、N 信号系统、激素信号系统交错汇通, 形成胞内复杂的调控网络，调控植物的生长、发育及对外界环境的反应。
蔗糖合成酶是由分子量约为 83KD-100KD 的亚基构成的四聚体, 大多数植物中至少有两种SS 的同工酶。可溶性的 SS 存在于细胞质中, 不溶性的 SS 附着在细胞膜上, SS 同工酶在基因调控上有明显不同, 基因表达有发育和器官的特异性。SS 的基因表达和酶定位受培养液中糖的调节。低糖水平下主要有利于 SS 在根的外周细胞中积累, 高糖水平下, SS 在所有细胞中表达加强。SS 催化: 果糖 + UDPG= 蔗糖+ UDP。SS 催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解, 蔗糖合成最适 PH 值 8. 0-9. 5, 分解最适 PH 值 5. 5-6. 5。但通常认为 SS 主要起分解蔗糖作用。SS 调节淀粉合成, SS 调节 UDPG 产生, UDPG 在 UGPase 作用下, 生成 1-磷酸葡萄糖, 再在 AGPase 作用下生成 ADPG, 从而合成淀粉。
蔗糖能分解为己糖, 在植物中, 蔗糖合成酶( SS) 或转化酶( IVR) 都能催化这步反应, 蔗糖合成酶是糖基转移酶, 催化蔗糖+ UDP=UDPG+ 果糖, 转化酶是一种水解酶, 水解蔗糖成两种单糖。蔗糖+ H2O=果糖 + 葡萄糖。转化酶存在几种带有不同生化特点和细胞定位的异构体：细胞壁转化酶、可溶性酸性转化酶、中性转化酶。细胞壁转化酶是以离子键结合到细胞壁上, 其最适 PH 值为 4. 5-5. 0 之间。液泡中的可溶性酸性转化酶与细胞壁酸性转化酶, 作用于双糖的果糖残基。是β-呋喃果糖苷酶, 是可作用于含有β-果糖的寡糖如: 棉子糖、水苏糖的水解酶。而中性和碱性转化酶是蔗糖所专有。酸性转化酶的活性被重金属离子Hg2+、Ag+等抑制, 多肽分子量在 55KD-70KD 之间, N-端糖基化。液泡转化酶与细胞壁酸性转化酶不同之处是, 它带有一个短的延伸的 C-末端。中性转化酶最适 PH在7. 0-7. 8 之间, 主要存在于光合组织中, 植物中性转化酶极其不稳定。酶活性在组织匀浆后快速失去。中性转化酶是同源四聚体, 分子量为 54KD-65KD 的亚单位组成。N端没有糖基化, 活性被葡萄糖、果糖和 Tris 强烈抑制。但不被重金属抑制, 中性转化酶的转录在所有植物和所有发育阶段都可检测到, 在快速发育的组织中有最高水平。
转化酶不仅与糖的代谢、转运有关, 它还与植物的发育有关。转化酶降解蔗糖为己糖, 提供呼吸作用所用原料, 提供了碳素和能量, 转化酶产生必要的蔗糖浓度梯度, 利于韧皮部的装载与卸载。分解蔗糖成葡萄糖和果糖, 大大增加了细胞的渗透压, 渗透压是细胞伸长的驱动力之一; 在发育着的大豆种子中和马铃薯的块茎中, 蔗糖合成酶活性明显地被蔗糖影响产生负调节。在某些发育阶段, 持续高的酸性转化酶活性通过降解蔗糖水平来影响细胞分化。向胡萝卜中导入反义酸性转化酶基因, 转基因胡萝卜的酶水平大大降低, 并且出现表型变化, 转基因体细胞胚中, 表达细胞壁转化酶的反义mRNA, 不分化出子叶, 而表达了液泡转化酶的反义 mRNA, 产生十分大的子叶和很小的胚轴和胚根。而表达了细胞壁或液泡转化酶反义mRNA的转基因植株, 都没有叶片的分化。而把这些转基因植株移到土壤中时, 叶片过度发育。这些资料表明转化酶有多重功能。
蔗糖磷酸合成酶SPS在光合组织和非光合组织中都有广泛存在。SPS是一种可溶性酶, 存在于细胞质中, SPS含量不高, 不到可溶性蛋白的 0. 1% , 且不稳定, SPS由分子量 117KD-138KD 的亚基构成为二聚体或四聚体, 最适 PH 值为 7. 0。SPS催化 UDPG+ 6-磷酸果糖=6-磷酸葡萄糖+ UDP。产生的 6-磷酸葡萄糖通常由磷酸蔗糖磷酸脂酶( SPP) , 迅速降解为蔗糖。而SPS和SPP又是以复合体的形式存在于植物体内, SPS催化蔗糖生成在事实上是不可逆的。SPS在蔗糖积累型库组织中具有重要作用。许多果实成熟过程中蔗糖积累与SPS活性升高密切相关。SPS酶活性受其磷酸化而调控。SPS与转化酶协同控制蔗糖长途运输与库组织蔗糖代谢。
己糖激酶是催化己糖磷酸化的酶的统称, 广义上讲, 它包括己糖激酶(HXK)、 葡萄糖激酶(GLK) 、果糖激酶(FRK) 。FRK、GLK 和 HXK之间的区别是功能的差异, 前二者, 分别严格限制在葡萄糖和果糖的磷酸化中, 而后者HXK磷酸化的底物可以是一系列己糖, 如: 果糖、葡萄糖、甘露糖等。GLK和HXK定位有差异, 不同类型的同工酶的定位有所不同, 有的在质体基质中, 有的在液泡中, 有的在细胞质中, 有的在线粒体、叶绿体膜上。在植物组织中, FRK常以二聚体形式存在, 也有以单体形式存在的, 分子量 为 70KD-118KD 不等, 己糖激酶最适 PH 为 8. 0 左右。
己糖激酶有磷酸化和糖感受双重功能。己糖激酶使己糖磷酸化, 磷酸化的己糖才能进入糖酵解; 从而为植物提供碳素和能量。另外, 磷酸化己糖在 AGPase 作用下, 生成 ADPG为淀粉合成提供原料。己糖激酶参与葡萄糖抑制光合作用和糖酵解相关基因的调控。己糖激酶在光合组织中起调节光合作用、生长发育和衰老的调节酶的作用 , 把拟南芥 AtHXK1 基因转入番茄中, 发现转基因植株叶片中叶绿素含量下降，光合速率下降, PSⅡ反应中心的光化学量子效率减小, 植株快速衰老。对正义、反义转基因番茄的研究表明, 番茄中果糖激酶基因 LeFRK2 的抑制表达, 抑制了生长并产生了白化的幼叶, 并提出 LeFRK2 是木质部发育所必需的 。在胡椒花粉萌发过程中, 蔗糖在转化酶作用下分解成己糖, 再被HXK 和FRK磷酸化。在胡椒花粉中, FRK在花粉成熟过程中起显著作用, 并且, 其活性不断增加, 而 HXK活性很低, 并且无变化。认为花菽花粉中的 FRK 起到一个促进花粉萌发的作用, 可能是 FRK 催化产生了 6 -磷酸果糖。可进入酵解, 或是通过与 UDPG 酶相互作用, 促进细胞壁的合成, 从而利于花粉管的伸长。
己糖激酶是糖感受器, 它不仅参与糖代谢的调控, 它还在糖信号中有作用。葡萄糖的类似物有甘露糖、2-脱氧葡萄糖( 2-dGlc)、3-O-mGlc、6-脱氧葡萄糖等。其中, 葡萄糖和甘露糖、2-dGlc 是HXK 的底物能被催化为磷酸己糖, 从而进入糖酵解代谢。其中, 甘露糖进入糖酵解很缓慢。而 3-O-mGlc 和 6-脱氧葡萄糖不是 HXK 的底物, 能吸收进细胞不能被 HXK 磷酸化而进入代谢，是不代谢的糖类似物。不抑制光合作用或乙醛酸循环基因, 而甘露型庚酮糖是 HXK 的抑制剂。植物中的糖感受机制有依赖于 HXK 的糖信号途径和不依赖于 HXK 的糖信号途径。
2. 5 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UGPase) 与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶( AGPase)
马铃薯中RNA分析和免疫蛋白杂交结果表明: UGPase 在根茎、地上茎、叶、愈伤组织, 甚至悬浮培养细胞中均有分布, 在根茎、地上茎中含量较多, UGPase 在植物的非光合作用组织, 尤其是储藏组织中含量较高。UGPase 是合成多糖的关健酶, 植物组织细胞中的 UGPasa 绝大多数分布在胞液里。UGPase 还与胞液中 AGPase 相偶联形成 ADPG, 参与造粉体淀粉的合成。不同来源的 UGPase 的Mr 介于 30 000-80 000 之间, 马铃薯的UGPase 有 477 个氨基酸。马铃薯 UGPase 在体内可能有多种活化形式, 包括单体、二体。UGPase 发挥催化活性必须有二价阳离子作为辅酶, 其中 Mg 2+ 最有效。UGPase 在 PH 为6. 5-9. 0 均 有活性。在马铃薯中 7. 5 -9. 0 是最适 PH。
UGPase 与 AGPase 相偶联, 形成 ADPG, 参与造粉体中淀粉的合成。马铃薯块茎形成时, 一般淀粉的合成加强, AGPase 被认为是淀粉合成途径中的关键酶。许多糖信号介导的酶活性调节是通过转录水平调节的。AGPase 可通过翻译后的氧化还原调节其活性，活性上升促进淀粉合成，细胞内内源的糖与 AGPase 的活性状态高度相关。外源添加了蔗糖或葡萄糖通过细胞吸收后, 能通过 AGPase 翻译后的氧化还原调节其活性。但二者的调节途径不相同, 葡萄糖必须经过己糖激酶的磷酸化来完成调节。而蔗糖需要 SnRK1 的介导, 磷酸化来完成调节。将 AGPase 一个亚基的反义基因导入马铃薯, 以钝化 AGPase 基因, 阻断淀粉合成的途径, 在转基因植株中, 淀粉合成的阻断并未抑制植株形成块茎的能力。块茎的数量增多, 但其中糖成份含量有很大变化, 对照中以淀粉为主, 而转基因植株中以蔗糖和单糖为主。表明块茎发生与营养物质积累是两个不同的生物学过程。
