第一篇 己糖激酶在植物糖信号转导中的作用

己糖激酶在植物糖信号转导中的作用

本文介绍了己糖激酶的概念、亚细胞定位、酶特性。最后重点讲述了己糖激酶在糖信号转导中的作用。

1．摘要

己糖激酶就是能够催化己糖磷酸化的酶，大多数高等植物通过光合作用在叶片中合成碳水化合物, 并主要以蔗糖形式通过韧皮部运输分配到不同的库组织中。在库组织中, 蔗糖可被直接贮藏, 也可在蔗糖合成酶” ,或转化酶作用下分解为己糖—果糖和葡萄糖。己糖必须经磷酸化才能进人糖酵解途径。磷酸化的己糖进人糖酵解途径后, 为植物的生理活动提供能量和中间代谢产物, 因而己糖的磷酸化对维持植物合成淀粉的碳流和呼吸作用是必不可少的。近年来的研究表明, 己糖激酶也参与植物的糖感受和信号转导过程。因此, 己糖激酶在植物生长发育进程中具有重要作用。本文综述植物己糖激酶亚细胞定位、酶特性、及其在糖信号转导中的作用的最新研究进展。

2．植物的己糖激酶

催化己糖磷酸化的酶依据其底物特异性和功能的不同可分为己糖激酶、葡萄糖激酶和果糖激酶, 广义的己糖激酶包括这3种酶, 它们催化己糖代谢的第一步不可逆反应图。目前己糖激酶还没有统一的命名规则, 已有的报道多数将植物己糖激酶称为HXK或HK, 葡萄糖激酶称为GLK或GK, 果糖激酶称为FRK或FK。本文采用3个字母的命名方法, 引用文献遵循原文作者的命名, 一般不作更改。

2.1己糖激酶（HXK）

己糖激酶既调控植物体内贮存糖和游离糖的利用率, 也调控糖酵解和氧化戊糖磷酸途径的代谢速率。Antonia Medina和Alberto Sils在1956年第一个报道了己糖激酶。他们通过对豌豆非光合组织的研究, 表明了果糖特异激酶的存在, 但是该酶直到20年后得到分离和鉴定。随后的研究表明, 植物组织中存在几种不同的己糖激酶同工酶。

到目前为止, 已纯化和鉴定了以下几种植物组织中的HXK：拟南芥、豌豆叶片、小麦胚芽、豌豆种子、大豆、玉米、菠菜叶片、鳄梨、番茄、大麦叶片、烟草叶片、马铃薯块茎、水稻胚和葡萄抽。多数植物HXK都有1到3个同工酶。

2.2果糖激酶（FRK）

对果糖特异的己糖激酶同工酶称为果糖激酶。由于果糖激酶对果糖的亲和性远较己糖激酶大得多, 因而普遍认为在果糖分解代谢中, 果糖激酶起主要作用。

已纯化和鉴定了以下几种植物组织中的果糖激酶拟南芥、番茄、甜菜、马铃薯块茎、

豆、玉米胚乳、大麦叶片、鳄梨、菠菜、百合花粉、山茶花粉和豌豆等。果糖激酶也存在几个同工酶。

2.3葡萄糖激酶（GLK）

由于HXK和GLK均对葡萄糖特异, 到目前为止, 只有少数文献将以下几种植物组织中优先磷酸化葡萄糖的己糖激酶命名为葡萄糖激酶豌豆种子、大豆、马铃薯块茎、番茄果实和水稻胚。

3.己糖激酶的亚细胞定位

己糖激酶不同的亚细胞定位导致其功能上的差异。哺乳动物组织中的几个不同己糖激酶已得到鉴定, 而植物细胞己糖激酶活性的亚细胞定位一直是有争议的问题, 这主要是由于存在不同类型可溶性同工酶的缘故。多数研究表明, 植物己糖激酶主要定位于线粒体膜和细胞质中, 叶绿体膜上也有一定活性。利用细胞分离法和活细胞测定法, 发现菠菜叶片的一个己糖激酶存在于叶绿体和线粒体的外膜上, 而果糖激酶分布在菠菜叶绿体中。芹菜悬浮培养细胞的研究表明, 己糖激酶活性与膜有关, 而果糖激酶大多存在于细胞的可溶性部分。

细胞区隔化是调节己糖激酶活性的一个重要方面。Galina等观察到玉米根中有两个己糖激酶, 其中一个是可溶性的, 另一个与线粒体结合, 后者能被ADP抑制, 这表明, 当ATP/ADP比值改变时, 不同形式的HXK为不同条件下的代谢提供了调节机制。

4.己糖激酶的特性

4.1酶形态与结构

植物组织中,FRK蛋白通常以二聚体形式存在, 也有的以单体形式存在, 其天然分子量从70一85KD到102—118KD不等。其功能部位是由分子量为30一40的亚基组成的高二聚体。Doehlert报道了一个天然分子量为59KD的FRK蛋白, 可能该FRK以单体和二聚体形式同时存在。豌豆FRK同工酶SDS一PAGE分析表明, 它的FRK2单体分子量为72KD, 几乎是其它植物的2倍。已报道的FRK蛋白中分子量最大的为马铃薯块茎FRK1, 为118KD。

Prata等用凝胶过滤层析鉴定出两个己糖激酶, 其中一个为HK一L, 分子量为68KD, 它存在于所有分析材料中, 可能参与糖抑制的调节。另一个为HK—H 分子量为280KD, 是由分子量为50KD的己糖激酶蛋白与未知蛋白复合而成的, 它仅存在于快速生长的器官和组织中, 而在贮藏组织或消耗碳源的悬浮培养细胞中检测不到。这表明HK一H具有库特异性。

4.2己糖激酶在植物糖信号转导中的作用

高等植物体内的糖水平调控植物从萌芽、开花到衰老的整个生长发育过程。近年来的研究表明, 糖作为一个生理信号能激活或阻遏植物体内许多基因的表达。糖参与植物生长发

育的调节早有报道, 而高等植物糖信号转导机制的研究是从Jang等采用单细胞体系和糖阻遏光合基因启动子的研究正式开始的。他们首次指出, 植物细胞能感受和响应细胞间的几个己糖信号, 并且由己糖激酶催化的己糖磷酸化在信号转导途径中是其关键点,2-脱氧葡萄糖和甘露糖同样也能引发糖响应这两种糖能作用为己糖激酶的底物, 但不进人糖酵解途径。将葡萄糖用电穿孔法导人玉米叶片的研究也表明, 植株生长的抑制是由葡萄糖引发的, 而不是G-6-P或糖酵解的其它下游代谢物质。

拟南芥糖饥饿引发din几基因（黑暗诱导型基因）转录水平的增加, 通过2一脱氧葡萄糖和甲基果糖非抑制基因表达的研究表明, 糖抑制的din基因表达是通过己糖激酶磷酸化介导的, 由糖饥饿引发的信号参与蛋白质磷酸化和脱磷酸化。拟南芥转基因植株的研究表明, 植物中存在一条依赖于己糖激酶的葡萄糖信号转导途径。近年来的研究表明, 糖响应过程是由植物激素信号与HXK相偶联共同作用的。

4.3依赖于己糖激酶的葡萄糖信号转导与依赖于己糖激酶的葡萄糖代谢途径的分离

酵母可以为研究高等植物糖感受和信号转导提供一个模型,但是由于高等植物糖信号途径远较单细胞酵母复杂得多, 将其模式限制在酵母信号模式中是不合适的, 因此植物糖信号转导还有待进一步研究。

应用基因工程和生化手段, 可以将植物依赖于己糖激酶的葡萄糖代谢途径从依赖于己糖激酶的葡萄糖信号途径中区分出来。对此已取得以下几点共识第一, 酵母HXK2转化的拟南芥植株, 尽管酶活性增加了3一5倍, 但是它对葡萄糖阻遏较不敏感, 所以这种作用不是由依赖于己糖激酶的葡萄糖代谢引起的第二, 葡萄糖类似物能通过不依赖于己糖代谢的糖信号机制来抑制种子萌发或幼苗生长发育进程, 例如, 低水平甘露糖能抑制拟南芥萌发而不影响种子ATP或无机磷水平, 甘露糖诱导的种子萌发的阻遏能被加入HXK竞争性抑制剂甘露庚酮糖阻遏第三, 己检测出葡萄糖能阻遏基因表达。己糖激酶底物与葡萄糖类似物具有报告基因的中间代谢物共转染表明, 不同基因均具有不同特异性, 己糖磷酸化对植物生长发育是必需的, 磷酸己糖、其它糖酵解产物、ATP和无机磷酸盐等不能调控生长发育。

5.结语

己糖激酶是一个较大的功能基因家族, 它不仅参与糖的代谢, 同时也参与糖感受和信号转导过程。目前对动物己糖激酶已有较深人的了解, 而对植物己糖激酶的研究仍处于起步阶段。随着先进的生理生化分析手段及基因重组技术和现代分子生物学技术的不断发展, 对植物己糖激酶的研究也有了新的工具, 今后应将这些先进的技术引人到己糖激酶的研究中来。具体可从以下几方面着手：（1）分离不同植物己糖激酶基因, 构建正义、反义表达载体, 并进行转基因植株研究, 以明确己糖激酶在植物体内的功能, 探明其在糖信号转导中的特定作用, 阐明复杂的植物糖信号机制, 为用人工手段调节植物生长发育提供理论基础;(2)从生化水平上研究己糖激酶的酶学特性、蛋白质结构及其与功能的关系, 以明确己糖激酶的调节机制;(3)进一步探讨影响己糖激酶活性的因素, 同时检测植物体内双糖和己糖含量的变化, 为采用栽培措施调节果实糖酸比提供理论基础, 进而提高园艺作物的果实品质。