转化酶的分子结构特点

背景及概述^[1-2]

转化酶即蔗糖转化酶，不可逆催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖。随着研究材料范围的扩大，人们发现转化酶不仅存在于光合组织中，而且还广泛存在于非光合组织中(如果实、贮藏块根、块茎等)。蔗糖转化酶在高等植物糖代谢中起着关键的作用。许多研究已发现在高等植物组织中(包括源叶片、库叶片、果实及贮藏库器官)存在着多种转化酶同工酶形式。这些同工酶根据它们的亚细胞定位(细胞壁、液泡和胞质)、溶解性(在低离子强度缓冲液中的溶解或不溶解)、最适pH(酸性、中性/碱性)和等电点(PI)可区分开来。

分子结构特点^[1]

许多研究表明转化酶是由一个多基因家族编码的蛋白质。根据基因编码转化酶功能及基因序列同源性而将高等植物转化酶的基因家族分为两个亚基因家族：编码细胞壁转化酶的基因家族和编码液泡转化酶的基因家族。亚基因家族成员的同源性为>50%，而亚基因家族间的同源性则为<50%。如玉米中，编码细胞壁转化酶的基因有4个，分别为Incw1、Incw2、Incw3和Incw4，基因位于第3条染色体上。在番茄中，编码液泡转化酶的基因有1个，为T1VI。TIVI的mRNA在成熟、完熟的果实中高度表达，然而在其它组织中则很少；编码细胞壁转化酶的基因有4个，分别为Lin5、Lin6、Lin7和Lin8。Lin6在旺盛生长的库组织中特异表达，如在幼根、花芽和块茎中，Lin7的mRNA只在大的花芽、花中表达，Lin8在任何组织中均未测得，为沉默基因。在拟南芥中编码液泡转化酶的基因有2个，分别为Atβfruct1和Atβfruct2；编码细胞壁转化酶的基因至少有两个：Atβfruct3和Atβfruct4。Atβbfruct3位于条染色体上，在茎、根和花中高度表达，而在叶片中较少，Atβfruct4则在花和茎中转录水平高，在叶和根中较少。不同作物转化酶的基因数目及定位是不同的，如胡萝卜液泡转化酶的基因至少有两个，为SI和SII；细胞壁转化酶的基因也有两个，为转化酶Dc1和转化酶Dc2。马铃薯细胞壁转化酶的基因至少有1个，为PCD141，液泡转化酶的基因为PA111等。到目前为止已从八类植物中克隆出编码细胞壁(酸性不可溶)转化酶的基因和cDNA12个及液泡(酸性可溶性)转化酶的基因和cDNA9个。然而在植物中尚未见编码中性/碱性胞质转化酶的基因或cDNA克隆的报道。

不同种植物和同一种植物的不同部位、同一部位的多基因家族的不同成员之间，转化酶的分子量不同。酸性转化酶前体Mr范围为60000～80000，成熟酸性转化酶(AI)Mr范围为50000～70000，但甜菜幼苗的Mr为28000(Masudaetal，1980)，Ricinuscommunis的Mr为11000，表明转化酶分子由无活性转变为有活性的过程经历了肽链加工。甘薯叶片转化酶的全酶分子量为79.4kD。其亚基分子量为39.8kD，表明此酶由两个亚基组成。此外马铃薯块茎中分离出的三种具有转化酶活性的成分AⅠ、转化酶Ⅱ和转化酶Ⅲ均由两个亚基组成。

应用^[1]

转化酶在蔗糖代谢中起着重要作用。转化酶同工酶的生理作用很复杂且依赖其在组织、细胞、亚细胞定位不同而不同。目前各种转化酶同工酶的准确生理功能还不是很清楚。但是最近在生理和分子水平上的研究已有许多重要的发现。

1）转化酶与植物的生长和器官建成有关。高等植物除了绿色细胞可直接利用太阳能进行光合作用外，一切生命活动包括养分吸收、有机物合成与运输、细胞分裂和伸长、植物的生长和发育，无一不需要呼吸作用提供中间产物和能量，而呼吸降解过程中的底物己糖则来自于淀粉、果聚糖、蔗糖等。其中光合作用产生的磷酸丙糖在植物细胞质中形成的蔗糖有两个去处，一部分运输到库器官中，另一部分则直接进入植物呼吸途径，在呼吸途径的最初步骤经转化酶的作用转化为植物体合成各种所需重要化合物的原料。因此，转化酶被认为参与了植物的生长和器官建成。许多研究表明，一般在植物的分生组织和快速生长的幼嫩的组织和器官中(如幼嫩的叶片、茎、花芽、根尖、幼嫩的果实等)转化酶活性较高。转化酶活性强的叶不但截取太阳光多且光合作用能力强，光合作用合成的蔗糖一部分经转化酶的转化生成还原糖，供给嫩叶的生长，另一部分蔗糖运输到茎中贮存积累或供幼嫩的茎组织生长。幼果期处于细胞分裂、分化高峰期，需要构建各种细胞器、细胞壁和细胞液成分，高的蔗糖分解酶活力有利于将输入到果实的蔗糖迅速分解生成单糖和UDPG，为果实合成淀粉、纤维素和各种细胞成分，以及呼吸消耗的旺盛的生理活动提供能量。

2）细胞壁转化酶通过保持蔗糖和库组织之间蔗糖浓度梯度而在光合产物的运输上起着重要作用。酸性不可溶转化酶(细胞壁束缚的)被认为是关于蔗糖卸载的关键酶。蔗糖是许多植物中光合产物的重要运输形式，而蔗糖在进入细胞代谢之前必须先转化成己糖磷酸酯。从理论上考虑，蔗糖的裂解是调控光合同化物进入库细胞代谢的理想方式。事实上已经观察到蔗糖合酶和转化酶活力经常与库组织输入蔗糖的速率紧密相关。调节这些蔗糖裂解酶在植物中的表达的位点和活力，会改变库组织的蔗糖输入速率以及同化物分配情况。糖卸载到果实在很大程度上取决于果实的库强，库强大小的一个重要的生化标志就是与糖代谢相关的关键酶的活性，为了保持库/源之间糖的浓度梯度，其中一个重要的调节方式就是蔗糖在进入果实后转化为其它的化合物。葡萄浆果中蔗糖的浓度很低，其含量不足总糖的4%，且主要集中在维管束组织区。始熟期前果皮和果肉中果糖和葡萄糖含量最高，说明蔗糖离开维管束组织即快速分解。葡萄浆果的质外体有高浓度的糖存在，在浆果中存在着可溶性的和与细胞壁结合的转化酶将蔗糖转化为果糖和葡萄糖，从而增加韧皮部至浆果质外体中蔗糖的浓度梯度。番茄以蔗糖的形式运输同化物，成熟番茄果实中糖的主要积累形式为果糖和葡萄糖，占可溶性固形物的75%。蔗糖进入番茄果实后有几条短运输路径：①质外体卸载：被细胞壁酸性转化酶分解为果糖和葡萄糖之后，被吸收进贮藏细胞；②共质体卸载：在胞浆中由蔗糖合酶(SS)分解为果糖和葡萄糖。蔗糖如直接进入液泡则由其中的酸性转化酶分解。这些主要积累在贮藏细胞的液泡中。

3）转化酶在成熟库器官液泡中蔗糖积累中起作用。最近研究表明，可溶性转化酶调节冷藏马铃薯的己糖：蔗糖比率以及在番茄果实的糖分组成和含量的控制上起作用；通过液泡的蔗糖循环，可能调节蔗糖从叶片输入到液泡的有效性。库器官中的蔗糖可能被区隔化在液泡中，液泡中可溶性酸性转化酶下降导致蔗糖贮存于此。比较甜与不甜的葫芦科果实蔗糖积累特点，发现在不甜的果实中输入的蔗糖可能被区隔在液泡中，在液泡可溶性酸性转化酶作用下蔗糖发生水解，己糖并被进一步分解。如在黄瓜和一些酸的植物果实中己糖被代谢成柠檬酸。这就表明甜与不甜的基因型的差异不是在于输入和区隔的能力而是在于输入的蔗糖的进一步代谢，可溶性酸性转化酶的缺乏阻碍进一步的蔗糖代谢，随后蔗糖则积累。很明显可溶性酸性转化酶的缺乏是蔗糖贮藏的先决条件。其它贮藏蔗糖的植物(如甜菜、柑桔、萝卜、甘蔗等)都具有缺乏酸性转化酶活性的特点。比较黄瓜贮藏蔗糖和贮藏己糖基因型，也证实了以上的结论。所以，蔗糖贮藏必须在缺乏可溶性酸性转化酶条件下进行。可溶性酸性转化酶活性的丧失还需进一步研究。在蔗糖贮藏类型如红菜头、甜菜和甜马铃薯中曾报道存在转化酶抑制剂。但许多研究并不支持存在转化酶抑制剂是酸性转化酶丧失的原因这种说法，基于免疫学可测得的转化酶酶蛋白与转化酶活性的相关关系，认为酸性转化酶活性丧失可能是由于酶蛋白合成能力的降低或丧失。

4）转化酶可能通过控制它们的积累水平，调节胞内己糖水平。在大多数植物的未成熟果实中碱性转化酶的活性高，一般可达15μmol·g-1Fw·h-1，随着果实的成熟活性逐渐降至最低。有研究又发现在番茄未成熟的果实中无碱性转化酶，而在成熟的库器官中则存在碱性转化酶，其主要作用是调节蔗糖代谢。所以碱性转化酶在番茄中的功能可能与其它蔗糖积累型(如甘蔗、胡萝卜)不同。

5）转化酶可能在病原防治机制中起到一定作用许多研究已发现植物受到一些非生物和生物胁迫后(诸如损伤、冷、热、水分胁迫和病菌侵染后)转化酶活性上升。

参考文献

[1] 刘慧英,朱祝军.转化酶在高等植物蔗糖代谢中的作用研究进展[J].植物学通报,2002(06):666-674.

[2] 张玲,王延秀,高清华,段可.蔗糖转化酶家族基因进化、表达及对草莓果实糖分积累的影响[J].园艺学报,2017,44(06):1049-1060.