GABA代谢途径

植 物 中 的 GABA 代 谢 途 径 是 从 三 羧 酸 （ tricarboxylic-acid ，TCA ） 循 环 延 伸 出 来 的 一 个 侧 枝 （ 图 1 ） ，又称 GABA 支路 （ GABA-shunt ） 。 这个 短的代谢途径中包含 3 个酶： 一个是位于细胞质中 的谷 氨 酸 脱 羧 酶 （ glutamate decarboxylase ，GAD ） ， 另 外 2 个 是 GABA 转 氨 酶 （ GABA transaminase ， GABA-T ） 和 琥 珀 酸 半 醛 脱 氢 酶 （ succinic semialdehyde dehydrogenase ，SSADH ） ［3 － 4 ］。 GAD 有 4 个 结 构 域： 157 氨 基 酸 残 基 的 N 端 GAD 结构 域 对 形 成 和 稳 定 的二聚和六聚体非常重 347 氨 基 酸 残 基 组 成 大 结 构 域， 该 结 构 域 要； 58包含 了 辅 因 子 结 合 位 点 和 一 个 磷 酸 吡 哆 醛 （ pyridoxal 5′-phosphate ，PLP ） 酶 类 特 有 的 α / β 折 448 氨基 酸 残 基 组 成， 其 特 征 叠； 小结构域由 348是 4 个 反 平 行 的 β 片 层 和 3 个 α 螺 旋； 最 后 是 C 端结构 域， 包 含 钙 调 素 （ calmodulin ，CaM ） 结 合 结 构域 （ CaM binding domain ，CaMBD ） 和 pH 感应 ［ 5］ 位点 。 GAD 定 位 于 细 胞 质 中， 可 以 不 可 逆 地 催 化谷氨酸脱去羧基生成 GABA 和 CO 2 ，其活性受细
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参与 了 氮 的 储 存 与 运 输， 以 及 氮 代 谢 的 整 个 过 ［ 18 ］ 。 除 此 之 外， 在 拟 南 芥 的 研 究 中 还 发 现 程 GABA 调控 1433 基因家族的表达 。 1433 是一类 广泛存在的调节蛋白，在调节植物碳氮方面起着重 要作用，其靶蛋白通常参与磷酸化作用，受其靶蛋 白调节的酶中包括硝酸还原酶 、 谷氨酸合成酶 、 淀 3-磷 酸 脱 氢 酶 等 一 系 列 与 碳 粉合 成 酶 Ⅲ 和 甘 油 醛 ［ 19 ］ 。 氮代谢相关的酶类 2. 3 环境胁迫应答 正常生 长 条 件 下， 植 物 中 的 GABA 含 量 相 对 －1 较低，为 0. 03 ～ 2. 0 μ mol · g 。 为 了 响 应 外 界 的 生物和非 生 物 逆 境 胁 迫， 植 物 GABA 支 路 会 迅 速 提高并大量 积 累 GABA ， 其 浓 度 甚 至 能 增 加 10 倍 以上 。 GABA 的 生 化 特 性 和 脯 氨 酸 、 甜 菜 碱 等熟知的渗透调节小分 子 类 似，在 生 理 pH 条 件 下
2010 年第 2 期 二酸作为 氨 基 受 体 的 GABA 转 氨 酶 （ GABA-TK ） ， 虽然早 有 在 烟 草 、 小 麦 、 大 豆 和 萝 卜 中 存 在 的 报 道，但其 活 性 远 低 于 GABA-TP ， 其 在 植 物 中 功 能 ［ 1］ 还有待进 一 步 证 实 。 最 近 的 一 篇 报 道 发 现 在 处 于 最 后 成 熟 阶 段 的 番 茄 果 实 中 GABA-TK 活 性 很 ［ 8］ 高， 并 在 GABA 分 解 代 谢 中 起 着 关 键 作 用 。 2009 年， Clark 等［9 ］发现拟南芥中去掉 N 端定位序 列的 成 熟 AtGABA-T 酶 可 以 以 乙 醛 酸 为 氨 基 受 体， 这说明 GABA 还可能参与了乙醛酸的代谢 。 SSADH 能够可逆催化琥珀酸半醛生成琥珀酸，并将 NAD + 还原成 NADH 。 由于琥珀酸和 NADH 都是线粒体呼 吸链 中 的 底 物，它 们 最 终 要 参 与 ATP 形 成， 因 此 SSADH 酶活性会受到 ATP 的反馈调节 。
乳动物中枢神经的首要神经传递抑制素，在 植 物 中 参 与 了 对 逆 境 胁 迫 响 应 、 生 长 发 育 、 信 号 传 递 和 碳 、 氮 营 养 平衡等一系列重要生命活动 。 重点介绍植物 GABA 合成途径和生物学功能两方面的最新研究进展 。 关键词 ： γ － 氨基5 ； Q 517 文献标志码 ： A 9017 （ 2010 ） 02022505 文章编号 ： 0528-
2 2. 1
GABA 支路在植物中的生物功能 调节细胞环境 pH 当植物 细 胞 环 境 发 生 酸 化 时， GAD 酶 活 性 被
激活，细胞 内 合 成 并 积 累 GABA ， 需 要 消 耗 大 量 H + ，从 而 起 到 缓 解 细 胞 环 境 酸 化 的 作 用［3 ］。 Crawford 等［10 ］利用荧光 pH 探针监测植物在 弱 酸 条 件下细胞内 pH 的变化及 GABA 积累 情 况， 结 果 发
0109 收稿日期： 2010 ［ 2］
靠 CaM 来调控，这时 GAD 可以与 CaM 紧密结合释 放自动抑制结构域，从而激活其酶活性； 当细胞环
。
基金项目： 国家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 30771333 ） ； 浙 江 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （ Y3090426 ） ； 杭 州 市 重 点 实 验 室 科 技 创 新 项 目 （ 20090233T15 ） 作者简介： 宋红苗 （ 1977 － ） ，女，山西长治人，博士，从事分子育种方面研究工作 。 注： 徐祥彬为通信作者， E-mail ： xbxuibcas@ 126. com 。
α -KGDH 为 α -酮戊二酸； GDH 为谷氨酸脱氢酶； GAD 为谷 氨 酸 脱 羧 酶； GABA 为 γ -氨 基 丁 酸； GABA-TK 为 以 α -酮 戊 二 酸 为 氨 基受体的 GABA 转氨酶； GABA-TP 为以丙酮酸为氨基受体 的 GABA 转 氨 酶； SSADH 为 琥 珀 酸 半 醛 脱 氢 酶； CoA 为 辅 酶 A ； GS / GOGAT 为谷氨酰胺合成酶 / 谷氨酸合成酶 。 图1 GABA 的代谢途径
逆境胁迫，尤其是非生物逆境胁迫 。 GABA 合成后，可由转运蛋白从细胞质 运 送 到 质体和线粒体， GABA-T 不 仅 存 在 于 细 胞 质 也 存 在 ［ 7］ 于质体和 线 粒 体 。 植 物 体 中 存 在 2 种 GABA-T ， 可以利用丙 酮 酸 或 α -酮 戊 二 酸 作 为 氨 基 受 体 可 逆 催 化 GABA 生 成 琥 珀 酸 半 醛 （ succinic semialdehyde ，SSA ） ［3 ］， 其 中 一 种 是 以 丙 酮 酸 作 为 氨基受体的 GABA 转氨 酶 （ GABA-TP ） ， 在 烟 草 和 ［ 4］ 拟南芥等 多 种 植 物 中 发 现 ， 另 一 种 是 以 α -酮 戊
［ 20 － 21 ］
境发生酸化 时， GABA 代 谢 途 径 中 的 GAD 、 GABAT 和 GDH 等 基 因 表 达 都 呈 现 下 调 趋 势［6 ］。 在 细 菌 中， GABA 同样对抵抗酸胁迫发挥重要作用 2. 2 调节碳氮营养平衡
［ 11 ］
。
植物对外界营养环境的感知和响应主要是通过 感应器 、 受体 、 转运蛋白 、 信号传递原件和基因表 达调控原件等一系列复杂的系统共同作用，调节养 分的吸收和代谢，进而使得植物在生长速度和发育 ［ 12 ］ 。 C 、 N 营养平衡的调控机制包括植 上发生变化 物体内糖含量的感知与调节 、 氮营养吸收等一系列 复杂的过程 。 由于 C 、 N 营养平衡感应器的代 谢 物 有可 能 是 谷 氨 酰 胺 、 GABA 或 其 它 氨 基 酸 和 糖 ［ 13 ］ ，此 外 GABA 也 密 切 联 系 着 氨 基 酸 代 谢 和 类 TCA 循环，因 此 GABA 代 谢 途 径 被 认 为 能 够 调 节 C 、 N 营养平衡 。 植物 体 内 糖 代 谢 途 径 主 要 是 通 过 糖 酵 解 和 TCA 循 环， GABA 支 路 和 TCA 循 环 密 不 可 分 。 利 用突变体研究 GABA 支 路 和 TCA 循 环 之 间 的 相 互 影响发现，在 TCA 循 环 中 涉 及 到 琥 珀 酸 生 成 的 酶 都会影响 到 GABA 支 路 的 活 性， 而 琥 珀 酸 下 游 的 ［ 14 ］ 。 Studart-Guimares 酶 对 GABA 代 谢 没 有 影 响 ［ 15 ］ 等 利用 RNAi 技术抑 制 植 物 琥 珀 酰 -辅 酶 A 连 接 酶表达活性，发现由于该酶的抑制而造成的琥珀酸 缺乏可以 通 过 GABA 支 路 活 性 的 提 高 来 弥 补 。 但 对琥珀酰 -辅酶 A 的 动 力 学 特 征 的 研 究 表 明， 琥 珀 酰 -辅酶 A 对 琥 珀 酸 生 成 的 调 控 与 GABA 支 路 不 同
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GABA 在植物体内的合成代谢及生物学功能
1 1 2 2 宋红苗 ， 陶跃之 ， 王慧中 ， 徐祥彬
（ 1. 浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所，浙江 杭州
310021 ； 2. 杭州师范大学 生命与环境科学学院，浙江 杭州
310036 ）
摘
要 ： GABA （ γ － 氨基丁酸） 是普遍 存 在 于 生 物 体 内 的 一 类 小 分 子 物 质 ， 生 物 学 功 能 十 分 广 泛 。 它 是 哺
GABA 是一个四碳氨基酸，在绝大多数状态 下 是以两性离子 （ 带 负 电 荷 的 羧 基 和 带 正 电 荷 的 氨 基） 的形 式 存 在 。 它 的 分 子 构 象 取 决 于 它 的 存 在 状态： 呈气态时，由于两个带电基团的静电吸引其 分子构象高度折叠； 呈固态时，分子间相互作用由 于反式构象的氨基和旁氏构象的羧基而加强，其分 子构象为伸展状态； 而在溶液中，两种分子构象同 时存在 。 GABA 这种多变的分子构象有利于其与 不 同的受体蛋白结合，发挥其不同的生物功能
226 境为酸性 （ pH < 6 ） 条 件 下， GAD 碳 端 的 CaMBD 不能稳定地和 CaM 结合， GAD 酶活性主要依赖 pH
［ 5］ 2+ 调节 。 因此，在 植 物 细 胞 中， 由 于 pH 和 Ca / CaM 协同调 控 GAD ， 使 GABA 能 有 效 地 响 应 外 界
γ -氨基丁酸 （ GABA ） 是 一 个 四 碳 非 蛋 白 氨 基 酸，它广泛存在于动物 、 植物和微生物中 。 长久以 来， GABA 仅 仅 被 认 为 是 植 物 或 微 生 物 的 代 谢 产 物 。1950 年， GABA 在 哺 乳 动 物 的 中 枢 神 经 系 统 被发现，此 后 GABA 逐 渐 成 为 科 学 研 究 的 一 个 热 点 。 GABA 的功能十分广泛，它是哺乳动物中 枢 神 经的首要神经传递抑制素，在调节神经元兴奋度上 起着重要作用； 在人体内， GABA 可以直接作 用 于 肌肉张力的调节； 在昆虫中， GABA 可以作用 于 神 经兴奋信号受体； 在植物中， GABA 参与了包 括 调 节细胞内 pH 环 境 、 碳 （ C ） 、 氮 （ N ） 营 养 平 衡 、 抑制昆虫啃食 、 防止氧化胁迫 、 渗透调节 、 信号传 ［ 1］ 递等在内 的 各 种 生 理 生 化 反 应 。 本 文 在 前 人 研 究的基础 上， 重 点 对 植 物 中 GABA 的 合 成 途 径 及 功能研究的最新进展作简要介绍 。 1 GABA 分子及其代谢循环中的酶
2+ 胞环境 pH 和 Ca / CaM 调节，在 GAD 碳末端有一 个结构域可以感知细胞环境 pH 的变化或与 CaM 结 ［ 4 － 6］ 。 当细胞 环 境 处 于 正 常 生 理 pH 范 围 内 时， 合 GAD 酶活性 很 低， 但 也 足 够 维 持 细 胞 正 常 生 长 发 育所需； 当 pH 大 于 生 理 pH 时， GAD 酶 活 性 主 要
宋红苗，等： GABA 在植物体内的合成代谢及生物学功能 现细胞内 pH 在 1 s 内降低了 0. 6 ， GABA 的含量在 15 s 内提高 2 ～ 3 倍， 45 s 内由 GABA 合成而 消 耗
+ + 的 H 占酸胁迫 H 总 量 的 50% 。 基 因 芯 片 分 析 表 明，对低 pH 环境敏感的拟南芥突变体 stop1 ， 在环