植物淀粉生物合成酶的酶学特性分析

植物淀粉生物合成酶的酶学特性分析
摘要论述了植物淀粉生物合成酶的酶学特性，主要包括adpase 催化合成adp-葡萄糖、gbss合成直链淀粉、多种sss合成支链淀粉、sbe参与支链淀粉形成、dbe参与支链淀粉的合成等内容。

关键词植物；淀粉合成酶；酶学特性
中图分类号 q946.5文献标识码a文章编号1007-5739（2008）23-0332-02
淀粉是植物体中贮存的养分，存在于种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，其中大米中含淀粉62%～86%。

淀粉是人类食物的主要组成成分，仅禾谷类籽粒中的淀粉就提供了人类70%～80%
的能量所需，同时淀粉也是食品和化学工业的重要原料。

随着淀粉工业的发展，淀粉深加工产品的数量不断增加，淀粉的应用范围不断扩大，对淀粉品质的要求也越来越高。

高等植物淀粉的生物合成在质体中进行，由adp-葡萄糖焦磷酸化酶（adpglucose pyrophosphorylase，agpase）、淀粉合（成）酶（starch synthase，ss）、淀粉分支酶（starch branching enzyme，sbe）和淀粉脱支酶（starch debranching enzyme，dbe）等协同完成。

整个淀粉生物合成途径可分为3个相关的过程：①adp葡萄糖的产生；②支链淀粉的合成和淀粉粒的形成；③直链淀粉的合成（见图1）。

稻米淀粉的合成是由几个重要的酶所催化的。

蔗糖是合成淀粉的主要原料，在淀粉合成的最后阶段涉及到3类关键性的酶：adpg焦
磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶。

这些酶在淀粉合成和代谢中起重要作用。

决定淀粉的组成与结构的第1个酶是淀粉合成酶，细胞内adpg焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶活性的变化对淀粉产量的影响较大，淀粉粒结合淀粉合成酶与直链淀粉的合成有关，而分支酶则与支链淀粉的合成有关。

淀粉合成酶和淀粉分支酶共同影响淀粉颗粒的结构和特性，是影响淀粉品质的关键酶。

1adpase催化合成adp-葡萄糖
在植物体内，淀粉合成的直接前体是adp-葡萄糖。

adp-葡萄糖由agpase催化合成，是植物淀粉生物合成的主要限速步骤。

植物的agpase是由大小亚基组成异四聚体，其中大亚基为调节亚基，而小亚基为催化亚基。

叶绿体的agpase可利用光合作用产生的葡萄糖-1-磷酸合成adp-葡萄糖，agpase是一个受变构调节的酶，被3-磷酸甘油酸（3-pga）、二价阳离子mg2+、mn2+变构激活，被无机磷（pi）抑制；同时agpase活性还受氧化还原势的修饰，还原力强时，二硫键断开，酶被激活。

在水稻胚乳细胞中，可能与大麦和玉米一样，agpase活性主要位于细胞质中，只有少部分（10%）位于造粉体内。

2gbss合成直链淀粉
直链淀粉和支链淀粉的延伸均是由ss完成的，ss催化adp-葡萄糖的葡萄糖基以α-1，4糖苷键连接到葡萄糖链的非还原端。

根据ss与淀粉粒的结合程度、酶学特性和基因结构可分为2类，一是与淀粉颗粒紧密结合的淀粉合成酶（granule-bound starch
synthase，gbss），二是可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，sss）。

gbss与淀粉颗粒紧密结合，游离的gbssi基本丧失了淀粉合成酶的活性。

gbssi基因缺失突变体（谷类植物的waxy、马铃薯的amf 及豌豆的lam突变体）和gbssi反义的转基因植物的研究结果说明，植物直链淀粉是由gbssi合成的。

在gbssi基因缺失的单细胞衣藻及gbssi反义的马铃薯转基因植株中，支链淀粉的结构也发生变化，最长链的支链淀粉无法合成，说明gbssi参与支链淀粉最长链的合成。

此外，在豌豆和小麦的gbssi突变体的非储存器官中分离到一种新的gbss同工酶——gbssii，合成临时性淀粉的直链淀粉，我们在水稻叶片中确定了gbssii，合成叶片直链淀粉。

3多种sss合成支链淀粉
根据氨基酸结构，可溶性淀粉合成酶由4个同工酶家族即sssi、sssii、sssiii及sssiv组成，现有研究表明sssi和sssii也可与淀粉颗粒结合。

在不同植物或同种植物的不同组织中各种淀粉合成酶的活性比例各不相同。

首个sssi突变体在水稻中通过逆转座子插入的方法获得。

转基因和突变体的研究说明sssi主要负责延伸较短支链，合成支链淀粉中等长度的分支，其活性的缺失会导致淀粉积累减少或支链淀粉结构或淀粉粒结构的改变，且其功能无法被其他sss同工酶所代替。

sssiii蛋白首先在马铃薯的块茎中分离得到，免疫沉淀分析发现sssiii提供了马铃薯块茎中约80%的可溶性的淀粉合成酶活性。

虽
是如此，马铃薯的sssiii反义转基因植株的淀粉含量却无明显改变，支链淀粉的分支分布也不明显，但淀粉粒具明显的裂缝。

但与sssii反义的植株相比较，sssiii反义植株支链淀粉的长链
（dp25-35）比例较低，说明相较于sssii，sssiii倾向于合成长bl和b2链。

淀粉合（成）酶是植物淀粉合成的关键酶，与淀粉的含量、直链淀粉与支链淀粉的比例、支链淀粉的链长分布和淀粉粒的结构直接相关，因此对淀粉合（成）酶的深入研究将有利于我们认识稻米淀粉的合成与稻米品质形成的分子机制。

4sbe参与支链淀粉形成
支链淀粉结构形成相关的第2类关键酶是sbe，它催化葡聚糖链中α-1，4糖苷键的断裂，并将释放出的寡葡聚糖链以其还原端连接到葡聚糖链的一个葡萄糖残基c6羟基上，形成一个新α-1，6糖苷键。

在植物组织内，sbe也存在多种同工型。

根据酶学特性和氨基酸的同源性，淀粉分支酶各种同工型可以归入2种类型即i型（如玉米的sbei和豌豆的b型）和ii型（如玉米的sbeii和豌豆的a 型）。

对大肠杆菌中表达的sbe融合蛋白纯化后分析其酶学特性发现，从催化特性来看，i型分支酶（如玉米的sbei）偏向催化转移较长分支的链，以直链淀粉为底物时活性明显高于ii型分支酶（如玉米的beiib）；相反，ii型sbe偏向催化转移较短分支的链，以支链淀粉为底物时活性较高。

此外，在不同植物物种中有些sbe组分也与淀粉粒结合，如水稻和玉米的sbeiib。

5dbe参与支链淀粉的合成
淀粉脱支酶（dbe）催化支链淀粉分支链在α-1，6糖苷键处断链。

dbe分为异淀粉酶（isoamylase-like dbe）和支链淀粉酶（又名极限糊精酶或r-酶；pullulanase-or limit-dextrinase-like dbe or r-enzyme）2种同工型。

异淀粉酶催化变性支链淀粉、糖原和极限糊精中α-1，6糖苷键水解，但不作用于普鲁兰淀粉c pullulan，一种以麦芽三糖为单位、以α-1，6糖苷键连接的真菌多聚糖）；支链淀粉酶主要作用于极限糊精和普鲁兰淀粉，对糖原和变性支链淀粉活性很低或没有活性。

在水稻几个sugary基因等位突变体株系中，胚乳异淀粉酶和/或支链淀粉酶活性都大幅下降，而且异淀粉酶更为显著，并证明sugary基因编码水稻异淀粉酶，说明在水稻胚乳中2种脱支酶都参与淀粉的合成。

此外，异淀粉酶在马铃薯淀粉合成时可以通过降解可溶性多糖聚合物而控制淀粉粒的数量和
形态。

6参考文献
[1] 李宏高，江建军.生物化学[m].北京：科学出版社，2007.
[2] 梁传伟，张苏勤.酶工程[m].北京：化学工业出版社，2006.
[3] 包劲松，夏英武.水稻淀粉合成的分子生物学研究进展[j].植物学通报，1999，16（4）：352-358.
[4] 徐军望，李旭刚，朱祯.基因工程改良淀粉品质[j].生物技术通报，2000（1）：14-22.
[5] 张洪渊.生物化学教程[m].成都：四川大学出版社，1995.
[6] xu jw，zhu z，li xg.isolation and identification of starch synthase cdna using a simple procedure based on
pcr[j].high technology commu，2001（8）：1-6.
[7] zheng fq，wang zy，gao jp.isolation of total rna from rice endosperm[j].plant physiology commu，1993，29（6）：438-440.。