全 文 ：植物体内淀粉磷酸化的生物学研究进展
谢淑蓉 浦跃武
(华南理工大学生物科学与工程学院,广州 510640)
摘 要: 植物中淀粉是主要储存碳水化合物形式, 是食品和工业应用中最重要的植物原材料之一。而植物
淀粉中惟一的取代是磷酸化作用,更体现了淀粉的独特性能。淀粉的品质和理化性质影响其应用。因此对淀粉的
研究是有重要意义的。主要介绍了淀粉磷酸化作用机制, 概述 GWD功能与磷酸化作用和淀粉代谢的关系的生物
学研究进展,并在此基础上讨论利用基因工程改良淀粉品质的可能途径以及今后的研究任务。
关键词: 支链淀粉 直链淀粉 淀粉的生物合成 淀粉磷酸化 R1 蛋白
Progresses in the Studies of Biological Bases of
Starch Phosphorylation in Planta
Xie Shur ong Pu Yuewu
( S chool of Bioscie nce and Bioengineer ing , South China Univ ersi ty of T ech ology , Guangz hou 510640)
Abstract: Starch is t he majo r st orag e carbohydrate in plants and one of the most im po rtant plant raw materials
for bot h fo od and industr ial applications. The only know n in planta substitut ion of starch is phospho ry lation and
phosphory lated starch po ssesses unique improved functionality . The quality and property of star ch determine its ap-
plications. So studies of starch have significance. In this paper summar izes these studies fr om the follow ing: mecha-
nism of star ch phospho ry lat ion and the cor relative key enzymes, the funct ion of GWD and it s influence on starch
phosphory lat ion and matabolism, the possible pro aches to improving quality by gene manipulation. Our future w o rk
also be discussed.
Key words: Amylopectin Amy lose Star ch biosynt hesis Starch pho sphor ylation R1pro tein
在高等植物中,淀粉是一种主要的能量储存物
质。在生物圈中,是继纤维素之后的最丰富的碳水
化合物,是人类饮食的主要能源物质。同时淀粉作
为一种可生物降解的具有优良化学性状的高聚物,
是一种有巨大潜能的多方面用途的可再生资源。淀
粉的品质决定其用途。植物中淀粉磷酸酯化, 使其
在黏度、渗透性、凝胶性、吸水性等理化性能上有显
著的特点。在植物淀粉中发生的天然取代给变性淀
粉行业带来革命性的转变。因此,淀粉的合成过程
及其品质研究一直是生物学研究的重点。
1 淀粉的组成
淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成。直链淀
粉是由A-1, 4糖苷键连接而成的线形多聚糖, 约占
淀粉组成的 30%。支链淀粉时由A-1, 4糖苷键和A-
1, 6糖苷键连接而成的具有高度分支的多聚糖, 约
占 70% [ 1]。直链和支链淀粉的含量比例影响着淀
粉的结构和性质。
2 磷酸酯淀粉
从马铃薯块茎淀粉中检测到含量较少的酯化的
磷酸基团( 0. 2% ~ 0. 4%W/ W) [ 2]。经实验研究发
现,在马铃薯块茎中的支链淀粉上, 约每 200~ 300
个葡萄糖单位有一个被磷酸基团取代,其中, 60%~
70%的磷酸基团结合在葡萄糖残基的 6-c上, 30%
~ 40% 在 3-c 上, 1% 在 2- c 上, 都是以共价键结
合[ 3 ]。在其它谷物的储藏淀粉中, 淀粉磷酸化作用
通常测定不出,而马铃薯块茎中却出现了相对高度
收稿日期: 2005-09-01
作者简介:谢淑蓉( 1976- ) ,女,硕士,研究方向:生化工程
生物技术通报
# 综述与专论# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 6期
的磷酸化作用。尽管极少量磷酸基团的引入, 给淀
粉的理化性质带来了显著改变。如增强淀粉的水合
作用、提高粘度等[ 4]。对工业来说, 淀粉的化学修饰
(磷酸化)是必要的。植物淀粉中增加淀粉的磷酸化
基团显得异常重要, 因淀粉的高度天然磷酸化避免
和减少了昂贵的以及污染环境的化工生产过程。
3 淀粉的磷酸化机制
最近几年研究表明,淀粉中的天然取代-淀粉磷
酸化,使淀粉中含有少量磷酸酯淀粉。淀粉磷酸化
发生在一系列酶参加协作反应的所有过程中。通过
P32放射性标记实验 [ 5] , 以及在马铃薯完整淀粉体内
进行的磷酸化淀粉的体外生物合成实验 [ 6] 等研究,
论证了淀粉磷酸化组成淀粉生物合成途径的完整部
分。随着结合在马铃薯淀粉颗粒中的一种新的被称
为 R1蛋白 [ 7]的发现, 隐藏在淀粉磷酸化后的酶的作
用机制也有了突破性进展。马铃薯中 R1蛋白的含
量体现了淀粉磷酸化程度,从而说明这种蛋白对淀
粉磷酸化起了关键的作用。这可由 E . col i中的全长
蛋白的异源表达结果证实 [ 8] , 在重组细胞中的糖原
的磷酸酯含量有很大的增加。最近,证实此 R1 蛋白
是一种淀粉磷酸化酶 [ 9]。纯化的酶通过激酶型反应
使葡聚糖磷酸化, A TP 中的 B-磷酸基转移到葡萄糖
残基的 c-6和 c-3位点上,C-磷酸基与水结合。因此
R1蛋白是一种 A-葡聚糖水合激酶 (A-g lucan w ater
dikinase GWD( EC2. 7. 9. 4) ) ,催化反应如下[ 9] :
葡聚糖+ ATP+ 水 ) ) ) 葡聚糖- PB+ AMP+ PCi
在体外环境条件下, 这种反应结果导致葡聚糖结合
Glu6P 和 Glu3P 残基形成的比例接近 2 B 1,这个比
例跟天然淀粉中的一样。植物中淀粉的惟一取代是
磷酸化作用。Blennow 等人[ 10] 通过结合化学合成,
结晶学和分子建模等方法研究表明, 磷酸化作用位
点在双螺旋状的支链淀粉上, 并且只有支链淀粉可
磷酸化, 磷酸化的链长度比未取代链要长。Wis-
chmann等人[ 6] 用 P32做放射性标记, 进一步研究了
马铃薯中完整的淀粉体是利用 6-磷酸葡萄糖作为有
效的前体合成淀粉, 并且这个全程合成的淀粉是在
c-6位点磷酸化,某些程度上 c-3 上也有。但淀粉磷
酸化作用水平十分低。在谷类胚乳中淀粉, Glu6P
和 Glu3P 残基总量是极低或难以检测到的, 即使是
认为在植物中磷酸化作用最高的马铃薯块茎中的淀
粉,其仅有 0. 2% ~ 0. 5%的葡萄糖残基是磷酸化的,
叶片淀粉的磷酸化作用水平只有 0. 1%或更少[ 2]。
淀粉磷酸化作用的真正生理学机制仍然难以理解。
4 GWD蛋白及其功能
为了研究与淀粉合成过程相关的蛋白质, Lorb-
erth, R. 等人 [ 7] 从马铃薯块茎中分离获得了一种蛋
白质的 cDNA 克隆。此蛋白质就是 GWD(也称 R1
蛋白) , 大小为 160kDa,全长为 1461 个氨基酸, ( R1
cDNA 核酸序列在 EMBL 数据库中, 序列号
Y09533)
[ 7]。其序列与已知的淀粉代谢类酶的序列
或其它的序列上并没有较重要的同源性。但在一系
列植物中 R1 的同源体能被马铃薯中的 GWD抗体
识别,如包括马铃薯的块茎、马铃薯、玉米种子、大
麦、香蕉等, 这表明在植物中 GWD有着广泛的作用
功能。经过推测, GWD基本结构包括 N - 粘性末
端转移肽,二个淀粉结合域,两个 C-末端域(代表一
个磷酸组氨酸区和一个核苷酸结合区) [ 11] 。
尽管实验表明 GWD与决定马铃薯淀粉中的磷
酸盐含量有关, 然而 GWD蛋白的真正生物功能并
不完全清楚。为了研究 GWD 蛋白的生物功能, 利
用反义技术, 在转基因马铃薯中抑制 GWD 蛋白的
表达,结果导致淀粉结合磷酸盐减少了 90% [ 7]。由
于淀粉和糖原质中都含有磷酸单酯, 且淀粉和糖原
质的生物合成途径相似, 因此 E . coli 可以构成研究
淀粉磷酸化作用的一理想模型有机体。N ielsen 等
人的实验中[ 8] , 在 E . col i中 R1蛋白高表达结果是,
产生的糖原物质随着磷酸盐取代度程度增加而增
加,导致糖原质结合磷酸盐增加 6倍,并且由于糖原
质的增加积累成为糖原质过剩显型 g ex ( a g lycogen
excess)。这些结果也说明 R1对于磷酸化作用起了
关键的作用。
另外, Samuel Zeeman 等人 [ 12, 13] 筛选出的拟南
芥淀粉- 过剩显型突变体( sex )中缺失 GWD, 这种
显型体最显著的表型是叶片中的临时淀粉在黑暗中
不能有效地重新流动,导致叶片中淀粉的积累增加,
而磷酸酯水平显著下降。其中的一种 sex1 突变体
中有与马铃薯高度相似的 GWD, 并且通过拟南芥中
GWD类似基因的转化作用使 sex1 得到修复突变。
在马铃薯和拟南芥 sex1 中, 利用反义技术抑制
GWD活性, 结果淀粉降解严重受阻 [ 14]。sex1 突变
232005年第 6期 谢淑蓉等:植物体内淀粉磷酸化的生物学研究进展
体实验中, 也揭示了 GWD是植物中淀粉降解的一
般调节子,表明淀粉的磷酸化作用要求淀粉的降解。
然而, 这个根本的机制却还没阐明。为了阐明 GWD
与淀粉磷酸化作用以及淀粉降解的关系, 研究者们
进行了多方面的研究, 包括建立各种研究对象和系
统。Mikkelsen 等[ 15] 对 Chlamydomonas 染色体组
分析结果显示, 其中有类似 GWD 序列存在, 能被马
铃薯 GWD抗体识别(资料没公布) , 并且用这种单
细胞生物可以很好地做短期标记研究, 因此
Chlamydomonas 看来很适合用于研究淀粉的磷酸
化。Eckermann 等人利用 Chlamydomonas 和马铃
薯建立了两个全合成途径,分析临时淀粉的磷酸化
作用既能在光照下的生物合成中进行, 也能在黑暗
下降解过程中进行。在这个实验中, 来自黑暗下的
叶片中淀粉颗粒表面的葡聚糖有相当高程度的磷酸
化作用,比来自光照的叶片的淀粉颗粒的要高。因
此,马铃薯叶片中跟单细胞藻类一样,淀粉的降解伴
随着淀粉磷酸化作用的增加;在颗粒的降解期间,淀
粉磷酸化作用增加了, 意味着 GWD在淀粉降解过
程中起着活性作用。
5 基因工程改良淀粉品质
近年来,利用基因工程改良淀粉品质的研究逐
渐增多,一方面,利用基因工程这个手段进一步澄清
目前尚不十分清楚的淀粉合成途径过程, 上述各种
酶及其同工酶的功能、特性, 以及各种酶之间的协调
关系,特别是淀粉磷酸化作用和与之相关的 R1 蛋白
生物学功能和其它代谢活动;另一方面,利用基因工
程来调节淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之
间的比例,蛋白的活性,从而达到增加淀粉含量或获
得独特性质、新型的淀粉以用于食品或其他工业中。
5. 1 改变淀粉的含量
AGPP ( ADP-葡萄糖焦磷酸化酶) 是淀粉合成
的限速酶。因此, 改变此酶的含量和活性来增加或
减少淀粉含量, 这对作物而言都有其利用价值。Re-
g ierer 等人[ 16] 在转基因马铃薯中, 通过调节质体中
的腺酐酸激酶( EC. 2. 7. 4. 3)的活性发现植物块茎
中的淀粉含量显著增加。
5. 2 改变淀粉的质量
直链和支链淀粉的比例以及淀粉分子的惟一取
代(磷酸化作用)影响淀粉品质和特性的直接因素。
以往基因工程改良淀粉质量集中在于对 GBSS(颗粒
结合型淀粉合成酶)、SSS(可溶性淀粉合成酶)和
SBE(淀粉分支酶)三种酶的操作上。例如 Gerhard
P 等人[ 17] 通过抑制转基因马铃薯中的淀粉分支酶
SBEa和 SBEb的活性, 使马铃薯中直链淀粉的含量
提高 38%, 从而达到所需的高产直链淀粉的目的。
而近年来在国外, 淀粉磷酸化作用已经成为研究的
热点。通过基因工程技术调节 GWD的水平改变淀
粉磷酸化作用; 在马铃薯中反义技术抑制 SSIII (淀
粉合成酶)同形体活性, 则使磷酸盐含量增加 70%;
同样,抑制总的淀粉分支酶 SBE 的活性, 增加支链
淀粉的链长,可以显著地增加淀粉磷酸化作用 [ 17]。
6 前景
进入 20世纪 90年代以来, 对于植物淀粉合成
过程,代谢相关的酶类的认识有了很大的突破,使得
基因工程改良淀粉品质成为可行。对于植物淀粉中
淀粉磷酸化作用将使淀粉行业有划时代的意义。但
是植物中淀粉磷酸化作用的生物化学机制有待更进
一步研究透彻。将来的研究工作中主要任务是研究
淀粉磷酸化与淀粉代谢的关系, 淀粉颗粒构建期间
淀粉分子是怎么相互作用的,以及这些相关的酶(如
GWD、淀粉合成酶、分解酶)如何参与催化聚合物底
物的。通过控制 GWD 在植物中的表达来改变淀粉
的代谢将对整个淀粉行业是个革命性的贡献。
参 考 文 献
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24 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 6期