蔗糖,淀粉合成運(yùn)輸要點(diǎn)

第穴章向此的適榆、春金雙檎蚩的碑異

第三節(jié)光會河北拓的南重耗北一、光合細(xì)胞中同化物的相互轉(zhuǎn)化淀粉和蔗糖是光合作用的主要終產(chǎn)物。光合碳代謝形成的磷酸丙糖的去向直接決定了有機(jī)碳的分配(圖6-17)。磷酸丙糖或者繼續(xù)參與卡爾文循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)；或者滯留在葉綠體內(nèi)，并在一系列酶作用下合成淀粉；或者通過位于葉綠體被膜上的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)器(triosephosphatetranslocator,TPT)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，再在一系列酶作用下合成蔗糖。合成的蔗糖或者臨時貯藏于液泡內(nèi)，或者輸出光合細(xì)胞，經(jīng)韌皮部裝載通過長距離運(yùn)輸運(yùn)向庫細(xì)胞。因此，了解光合細(xì)胞中碳水化合物間的相互轉(zhuǎn)化及其調(diào)節(jié)機(jī)理對闡明同化物的運(yùn)輸機(jī)理和調(diào)節(jié)具有重要的理論意義。UDPGUDPG運(yùn)輸圖6-17光合細(xì)胞內(nèi)淀粉和蔗糖的合成蔗糖的合成及調(diào)節(jié)蔗糖是高等植物碳水化合物運(yùn)輸和貯藏的主要形式，也是協(xié)調(diào)植物源庫關(guān)系的信號分子。因此蔗糖在植物生長發(fā)育和同化物分配中起著極其重要的作用。1.合成部位和途徑光合細(xì)胞中參與蔗糖生物合成的所有酶位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，據(jù)此認(rèn)為，蔗糖的合成是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的。光合中間產(chǎn)物磷酸丙糖通過葉綠體被膜上的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)器進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在細(xì)胞質(zhì)中，磷酸二羥丙酮(DHAP)在磷酸丙糖異構(gòu)酶作用下轉(zhuǎn)化為磷酸甘油醛(GAP)，兩者處于平衡狀態(tài)，然后，DHAP和GAP在醛縮酶催化下形成果糖-1，6-二磷酸(F1,6BP)。F1,6BPC1位上的磷酸由果糖-1，6-二磷酸酯酶(FBPase)水解形成F6P。這一步反應(yīng)是不可逆的，也是調(diào)節(jié)蔗糖合成的第一步反應(yīng)。F6P在磷酸葡萄糖異構(gòu)酶和磷酸葡萄糖變位酶作用下，形成G6P和G1P，此三種磷酸己糖處于動態(tài)平衡狀態(tài)。然后由G1P和UTP合成蔗糖所需的葡萄糖供體UDPG和PPi,反應(yīng)是由UDPG焦磷酸化酶(UDPglucosepyrophosphorylaseUGP)催化，這一步反應(yīng)雖然是可逆的，但由于焦磷酸可被用于驅(qū)動位于液泡膜上的質(zhì)子泵，以促使該反應(yīng)向有利于蔗糖合成的方向進(jìn)行(圖6-17)。UDPG和F6P結(jié)合形成蔗糖-6-磷酸(S6P)，催化該反應(yīng)的酶是蔗糖磷酸合成酶(sucrosephosphatesynthaseSPS)，它是蔗糖合成途徑中另一個重要的調(diào)節(jié)酶。蔗糖合成的最后一步反應(yīng)是S6P由蔗糖磷酸酯酶(sucrosephosphatephosphatase)水解形成蔗糖。2.調(diào)節(jié)酶蔗糖合成途徑中至少有兩步酶促反應(yīng)對蔗糖的合成具有調(diào)節(jié)作用。

（1）果糖1,6-二磷酸酯酶（FBPase）和F2,6BPFBPase催化下列反應(yīng)：F1,6BP+HO-F6P+Pi該酶具有下列特性：對底物F1,6BP具有很高的親和力，Km為2?4umol?L；催化活性需Mg和中性pH；果糖-2,6-二磷酸（F2,6BP）不僅是該酶的強(qiáng)抑制劑，而且還改變了FBPase催化反應(yīng)動力學(xué)特性。另外F2,6BP還能加強(qiáng)AMP對FBPase的抑制活性以及提高該酶對pH和Mg的依賴性。因此，普遍認(rèn)為F2,6BP在調(diào)節(jié)FBPase和蔗糖合成中起關(guān)鍵性的作用。脩陋I*槽圖6-186-磷酸果糖-2-激酶和果糖-2,6-二磷酸酶作用下的2,6-二磷酸果糖的形成和降解。無機(jī)磷、丙糖磷酸和6-磷酸果糖起調(diào)節(jié)作用細(xì)胞內(nèi)F2,6BP的濃度決定于果糖-2,6-二磷酸酯酶（F2,6BPase）和果糖-6-磷酸-2-激酶（F6P,2K）的活性?，F(xiàn)已證明,F2,6Bpase和F6P,2K這兩種酶位于細(xì)胞質(zhì)中。Pi和F6P可提高F6P,2K的Vmax和對F6P的親和性，而三碳磷酸化中間產(chǎn)物如3PGA、磷酸丙糖、PEP則抑制該酶活性。催化F2,6BP水解的F2,6BPase則受Pi和F6P的抑制（圖6-18）。（2蔗糖磷酸合成酶（SPS）SPS催化UDPG與F6P結(jié)合形成磷酸蔗糖：UDPG+F6P蔗糖6P+UDP+HSPS具有以下特性：含量低和穩(wěn)定性差。SPS在葉片中的含量只占總可溶性蛋白的0.1%以下，離體酶很不穩(wěn)定，易失活由2個亞單位組成，每個亞單位的分子量在120000?138000之間催化反應(yīng)所需的最適pH為中性對UDPG和F6P的Km分別為3.0mmol.l和2.0mmol?LSPS受G6P和Pi的異構(gòu)調(diào)節(jié)，G6P提高V和酶對F6P的親和性，而Pi則抑制該酶的活性SPS是一個光調(diào)節(jié)酶，其調(diào)節(jié)機(jī)理與SPS蛋白質(zhì)158位絲氨酸的磷酸化（低活性）和去磷酸化（高活性）有關(guān)SPS還受滲透調(diào)節(jié)。高滲溶液可提高該酶的活性。（二）蔗糖合成對光合作用和同化物分配的調(diào)節(jié)光合作用的正常進(jìn)行不但要求足夠量的ATP的供應(yīng)，而且需要光合中間產(chǎn)物的數(shù)量維持一定的水平，這兩者的數(shù)量與細(xì)胞質(zhì)中Pi的水平密切相關(guān)。Pi太低，磷酸丙糖（TP）通過Pi轉(zhuǎn)運(yùn)器進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的量減少。在這種情況下，卡爾文循環(huán)中間產(chǎn)物的量雖然能維持較高水平，但由于葉綠體間質(zhì)中Pi水平的下降導(dǎo)致ATP合成受阻，反過來抑制光合作用。Pi太高，磷酸丙糖輸出的量超過了維持卡爾文循環(huán)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的用于再生RuBP的量，從而又會引起光合碳代謝速率的下降。因此，Pi在葉綠體間質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)之間有效的再循環(huán)，對維持光合作用的正常運(yùn)行是必需的，這要求蔗糖和其他物質(zhì)如淀粉、氨基酸的合成速率與光合作用的速度相互協(xié)調(diào)。在光合細(xì)胞中，這種協(xié)調(diào)作用是通過FBPase和SPS的調(diào)節(jié)特性達(dá)到的。這里主要討論兩種情況：一種情況是當(dāng)光合作用形成的TP速度超過蔗糖合成速度時，蔗糖的合成受前饋激活（feedforwardactivation）;另一種情況是蔗糖合成速度超過光合速率時，蔗糖的合成受反饋抑制（feedbackinhibition）。當(dāng)光合作用形成TP的速度超過蔗糖合成速度時，TP通過Pi轉(zhuǎn)運(yùn)器進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的速率增加，降低了細(xì)胞質(zhì)中Pi的水平。低Pi和高ATP降低了F6P,2K的活性，也抑制了F2,6Pase的活性，從而F2,6P合成速率下降，而降解速率加快，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中F2,6BP水平降低。同時，F(xiàn)6P和G6P合成速率增加°G6P濃度的增加和Pi濃度的降低直接提高了SPS的活性，抑制了SPS激酶的活性，解除了對蔗糖磷酸磷酸酯酶的抑制，最終蔗糖合成速率增加直至蔗糖合成速率與光合速率達(dá)到新的平衡。這種由于光合速率提高促進(jìn)蔗糖合成的現(xiàn)象稱前饋激活。當(dāng)光合速率降低或蔗糖合成速率過高時，則情況正好相反，細(xì)胞質(zhì)蔗糖的合成受到反饋抑制，直至蔗糖合成速率與光合速率相協(xié)調(diào)為止（圖6-18）。（三）光合細(xì)胞內(nèi)蔗糖的運(yùn)輸和區(qū)隔化蔗糖在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成以后的去向主要決定于消耗碳水化合物的器官或組織對蔗糖的需求大小。當(dāng)需求大時，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖優(yōu)先向這些器官或組織輸出，即蔗糖通過某種（些）機(jī)理到達(dá)質(zhì)膜或胞間連絲通道進(jìn)行跨細(xì)胞的運(yùn)輸（韌皮部裝載）。電鏡觀察和C蔗糖示蹤研究表明，蔗糖很可能是通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸?shù)?。用呼吸抑制劑和氧化磷酸化解偶?lián)劑抑制細(xì)胞質(zhì)環(huán)流時降低蔗糖運(yùn)輸速率，而用ATP處理提高細(xì)胞質(zhì)環(huán)流時則可提高蔗糖運(yùn)輸速率，這說明細(xì)胞質(zhì)環(huán)流參與了蔗糖的胞內(nèi)運(yùn)輸，而且這種運(yùn)輸需要呼吸提供能量。當(dāng)對蔗糖需求降低時，如去庫處理，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖則通過跨膜運(yùn)輸進(jìn)入液泡作為臨時性貯藏。蔗糖進(jìn)入液泡是一種主動過程，因?yàn)楹粑种苿〤CCP（解偶聯(lián)劑）抑制該過程，而ATP則促進(jìn)其進(jìn)行。許多結(jié)果表明，蔗糖進(jìn)入液泡是由位于液泡膜上的蔗糖載體介導(dǎo)的逆蔗糖濃度梯度（圖6-17）。二、庫細(xì)胞中同化物的相互轉(zhuǎn)化蔗糖從庫端韌皮部SE-CC復(fù)合體卸出，進(jìn)入庫細(xì)胞后就可在相應(yīng)酶的作用下形成淀粉。蔗糖在庫細(xì)胞內(nèi)代謝的快慢，不但決定了淀粉形成的速度，收獲器官的產(chǎn)量，而且對源端的光合作用及胞內(nèi)同化物的運(yùn)輸和分配，乃至同化物韌皮部運(yùn)輸（包括裝載、長距離運(yùn)輸和卸出）都具有調(diào)節(jié)作用。（一）蔗糖的代謝上述的光合細(xì)胞中的蔗糖代謝主要是合成，而庫細(xì)胞內(nèi)蔗糖代謝主要是降解。1.降解代謝（1）催化蔗糖降解的酶催化蔗糖降解代謝的酶有兩類，一類是轉(zhuǎn)化酶（invertase），另一類是蔗糖合成酶（sucrosesynthaseSS）。轉(zhuǎn)化酶：它催化蔗糖的水解反應(yīng)：蔗糖+HO-葡萄糖+果糖蔗糖的旋光性為右旋，而水解后的葡萄糖和果糖混合物的旋光性則轉(zhuǎn)化為左旋，這樣的糖稱為轉(zhuǎn)化糖，催化此反應(yīng)的酶就叫轉(zhuǎn)化酶。根據(jù)催化反應(yīng)所需的最適pH，可將轉(zhuǎn)化酶進(jìn)一步分成兩種，一種稱為酸性轉(zhuǎn)化酶，即其催化反應(yīng)的最適pH為4?5.5，因而該酶只能在酸性環(huán)境如質(zhì)外體和液泡中發(fā)揮作用，它主要分布在液泡和細(xì)胞壁中。該酶對底物蔗糖的親和力較高，其Km為2?6mmol?L，遠(yuǎn)低于蔗糖的生理學(xué)濃度，而且它的催化活性會受其產(chǎn)物果糖的抑制。另外，酸性轉(zhuǎn)化酶還能被一些可溶性蛋白質(zhì)所活化。另一類轉(zhuǎn)化酶稱為堿性或中性轉(zhuǎn)化酶，其最適pH為7?8,對蔗糖的親和力相對較低，其Km為10?30mmol?L。該酶主要分布在細(xì)胞質(zhì)部分，其生理作用主要有三方面：一是在以蔗糖為最終貯藏物的庫器官內(nèi)起作用；二是在一些缺少酸性轉(zhuǎn)化酶的庫組織中催化蔗糖水解，同時提供能量；三是對控制庫細(xì)胞內(nèi)己糖水平起重要作用。②蔗糖合成酶它催化下列可逆反應(yīng)：UDPG+果糖一蔗糖+UDP該反應(yīng)的平衡常數(shù)為1.3?2。該酶在分解方向的Km（蔗糖）相對較高（30?150mmol?L），所以細(xì)胞中高的蔗糖濃度有利于反應(yīng)向分解方向進(jìn)行。圖6-19在植物庫細(xì)胞中的蔗糖代謝和利用途徑A.蔗糖載體；B.己糖或磷酸己糖運(yùn)轉(zhuǎn)器。①轉(zhuǎn)化酶；②蔗糖合成酶；③己糖激酶；④淀粉酶；⑤磷酸己糖變位酶；⑥UDPG焦磷酸化酶；⑦ADPG焦磷酸化酶；⑧淀粉合成酶蔗糖合成酶位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，由4個亞基構(gòu)成。該酶催化蔗糖分解的活性會被果糖抑制，Mg能促進(jìn)蔗糖的合成，而抑制蔗糖的分解。另外，植株內(nèi)蔗糖合成酶的活性表現(xiàn)出明顯的日變化，即進(jìn)入光期后，酶的活性開始增加，約在光照6h后達(dá)到最大活性。(2)蔗糖降解途徑蔗糖進(jìn)入庫細(xì)胞后由哪一種酶催化降解，取決于植物的種類和庫的特性，但兩者并不相互排斥。蔗糖降解的途徑見圖6-19。當(dāng)蔗糖由轉(zhuǎn)化酶催化水解時，兩反應(yīng)的產(chǎn)物必須先經(jīng)過磷酸化才能參與進(jìn)一步的代謝。而由蔗糖合成酶催化的反應(yīng)中只有果糖需磷酸化。己糖磷酸化是由己糖激酶催化的，激酶分為兩類：一類稱己糖激酶，它作用的底物既可以是葡萄糖也可以是果糖，但前者是最適底物。此酶主要存在于由轉(zhuǎn)化酶催化的蔗糖降解的組織或細(xì)胞中。另一類為果糖激酶，可催化果糖的磷酸化，該酶存在于由蔗糖合成酶催化的蔗糖降解的組織中。形成的G6P或者進(jìn)入戊糖磷酸途徑，或者由磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)镕6P,或者由磷酸葡萄糖變位酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)镚1P。其中，F(xiàn)6P或者進(jìn)入糖酵解途徑，或者用于合成蔗糖；而G1P是植物體內(nèi)碳水化合物代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物，它可作為由ADPG焦磷酸化酶或UDPG焦磷酸化酶所催化反應(yīng)的底物。2.合成代謝以蔗糖為最終貯藏物的植物和器官，如甘蔗、甜菜塊根等能進(jìn)行蔗糖的合成反應(yīng)。在這些植物的庫器官中具有催化蔗糖合成的酶類，如蔗糖磷酸合成酶、6-磷酸蔗糖磷酸酯酶等。這些酶的催化特性、調(diào)節(jié)機(jī)理與源器官中的類似。另外，韌皮部運(yùn)輸?shù)奶妓衔锒伎梢酝ㄟ^不同的途徑成為庫器官蔗糖合成的原料(底物)。運(yùn)輸?shù)恼崽强赏ㄟ^“降解-再合成"(breakdownresynthesis)的方式合成蔗糖，即蔗糖經(jīng)過韌皮部卸出而進(jìn)入庫細(xì)胞，在轉(zhuǎn)化酶或蔗糖合成酶作用下，轉(zhuǎn)化為(磷酸)己糖，然后，再在催化蔗糖合成酶的作用下合成蔗糖。(二)淀粉的合成淀粉是光合作用的終產(chǎn)物之一，也是許多農(nóng)作物收獲器官的主要貯藏性多糖之一。由于光合細(xì)胞和庫組織淀粉合成途徑相似，本處僅討論淀粉合成的一般途徑和調(diào)節(jié)機(jī)理。1.淀粉的合成途徑和部位催化淀粉合成的途徑有兩條，一條稱ADP葡萄糖(ADPG)途徑；另一條為淀粉磷酸化酶催化的途徑。然而，植物體內(nèi)淀粉磷酸化酶主要催化淀粉降解代謝。因此，這里主要介紹ADPG途徑。(1)催化淀粉合成的酶催化淀粉合成的關(guān)鍵性酶有下列三種：圖6-20淀粉合成途徑示意圖顯示細(xì)胞質(zhì)代謝物進(jìn)入淀粉體的三條可能途徑。A.腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)器；B.己糖或磷酸己糖轉(zhuǎn)運(yùn)器；C.磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)器；ST.蔗糖載體。①ADPG焦磷酸化酶；②磷酸葡萄糖變位酶；③己糖異構(gòu)酶；④果糖-1，6-二磷酸酯酶；⑤醛縮酶ADPG焦磷酸化酶(ADPglucosepyrophosphorylaseAGP)催化葡萄糖供體ADPG的合成：G1P+ATP-ADPG+PPi淀粉合成酶(starchsynthase)催化ADPG分子中的葡萄糖轉(zhuǎn)移到a-1,4-葡聚糖引物的非還原性末端：ADPG+(葡聚糖)n-ADP+(葡聚糖)

分支酶(branchingenzyme)催化a-1,6-糖苷鍵的形成：線性葡聚糖鏈一具a-1,6-糖甘鍵的分支葡聚糖鏈分支酶對淀粉合成具有兩方面意義：其一，使淀粉的a-1,4-糖甘鍵連接的直鏈變?yōu)楹衋-1,6-糖甘鍵連接的支鏈，使葡聚糖的分子量不斷增大，以便讓有限的細(xì)胞空間能容納更多的具有能量的物質(zhì);其二，a—1,6糖甘鍵的導(dǎo)入使葡聚糖的非還原性末端增加，這有利于ADPG焦磷酸化酶和淀粉合成酶的催化反應(yīng)，使它們能在短時間內(nèi)催化合成更多的淀粉。(2)合成途徑和部位庫細(xì)胞淀粉合成的途徑如圖6-20所示。一般而言，庫細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中形成的G1P或丙糖磷酸要通過位于淀粉體膜上的己糖載體