1、 玉米淀粉的生物合成及其關鍵酶摘要： 淀粉是許多植物重要的儲藏物質。近10年來，淀粉生物合成的研究進展很快，特別是對淀粉合成過程中的關鍵酶的研究比較深入，已經達到了分子水平。目前，許多研究結果揭示了玉米淀粉的生物合成涉及4類酶ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶和去分支酶，它們在淀粉的生物合成中發揮著不同作用。本文綜述了玉米淀粉合成中4類關鍵酶的生理生化特性、分子生物學特性以及表達調控等方面的研究進展，并討論了今后的可能發展方向，旨在為相關研究提供參考。關鍵詞：玉米淀粉；生物合成；關鍵酶引言 淀粉是人類的主要食物來源之一， 也是化學工業的重要原料。玉米淀粉是最主要的淀粉產品，占據了國際淀

2、粉市場80%以上的市場份額1。美國淀粉加工業95的淀粉是玉米淀粉，我國淀粉的主要生產原料也是玉米。玉米淀粉除了作為食品和飼料外，還被廣泛用于制造酒精、紙張、粘合劑、生物降解塑料、建筑和包裝材料。玉米淀粉有直鏈和支鏈之分，直鏈淀粉是D-葡萄糖基以 -(1，4)糖苷鍵連接的多糖鏈，支鏈淀粉分子中除有叫-(1，4)糖苷鍵的糖鏈外，還有-(1，6)糖苷鍵連接的分支。淀粉在不同領域中的應用取決于其分子結構，淀粉分子結構的重要參數包括: ( 1) 直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例( 直/ 支比) ; (2 ) 直鏈淀粉的聚合度; ( 3) 支鏈淀粉分支鏈長及分布等等，這些參數影響淀粉加工的理化和功能特性。淀粉的理

3、化性質主要包括: ( l) 淀粉凝膠化所需溫度; (2 ) 凝膠化淀粉的赫性; ( 3) 長期保存或凍融過程穩定性。這些特性決定著其在食品和工業應用中的價值其中, 直/支比是淀粉分子結構最重要的分子結構參數, 例如, 普通玉米淀粉直/ 支比為1 ： 3 , 但是直/ 支比大于l 的高直鏈淀粉, 具有更快的凝膠化作用, 凝膠強度高, 作為食品添加劑在改善食品的質地和結構方面有獨特效果許多類型的膠卷中用高直鏈淀粉, 是因其具有獨特的透明性, 柔韌性, 拉伸強度及防水性目前人們對環保日益關注, 高直鏈淀粉生產的可再生可降解膜可以減少工業廢氣及減弱溫室效應氣體的釋放, 正日益引起人們的興趣。支鏈淀粉具

4、有更好的勃性, 可增加膨化食品的體積, 作為食品添加劑具有不同于直鏈淀粉的效果, 在翻合劑領域具有較多應用此外, 那些介于直鏈淀粉和支鏈淀粉之間的中間成分, 其淀粉分支鏈的長度和分支程度等物理參數有所不同, 可能會有不同的理化性質, 因而有著不同的用途2。一 玉米淀粉的生物合成淀粉合成場所可以是葉綠體，也可以是淀粉體。葉綠體存在于光合器官如葉片中，淀粉體存在于非光合器官如胚乳中，它們的淀粉生物合成均有一系列的酶共同作用，但是也有很多不同之處。在葉綠體中(圖一)，通過卡爾文循環固定C02，并形成3-磷酸甘油酸(3-PGA)，然后轉化為磷酸丙糖(TP)。磷酸丙糖可以通過丙糖-磷酸易位體轉運至胞液中

5、，或在葉綠體中轉變成6-磷酸果糖（F-6-P)，先后轉變成6-磷酸葡萄糖(G-6-P)和1-磷酸葡萄糖(G-1-P)。G-1-P在ADP一葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase)作用下形成ADPG。所需的ATP來自光合電子傳遞鏈。ADPG可以作為淀粉合成的直接前體，在淀粉合成酶和分支酶作用下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉3。在胚乳中(圖二)，葉片中合成或淀粉降解產生的蔗糖作為合成淀粉的碳源，它通過韌皮部長距離運輸至貯藏器官，在胞液中蔗糖合成酶的作用下分解為果糖和UDP-葡萄糖(UDPG)，繼而形成6一磷酸葡萄糖(G-6-P)或1一磷酸葡萄糖(G-1-

6、P)。G-6-P或G-1-P進入淀粉體，再通過AGPase催化其與ATP反應生成腺苷二磷酸葡萄糖參與淀粉合成。在淀粉合成最后階段有三個關鍵的調控酶：淀粉合成酶(Starch synthase，SS)、淀粉分支酶(Starch branching enzyme，SBE)及去分支酶(Starch debranching enzyme，SDBE)的催化下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉。SS的主要功能是催化G-1-P以-1，4糖苷鍵連接起來，形成直鏈淀粉或延伸支鏈淀粉的分支鏈。直鏈淀粉主要是由顆粒結合型淀粉合成酶催化合成，而支鏈淀粉是由可溶性淀粉合成酶(SSS)、SBE、SDBE三種酶協同催化形成，其中SBE

7、催化葡聚糖鏈中1，4糖苷鍵的斷裂，并將釋放出的寡葡聚糖鏈的還原端連接到另一葡聚糖鏈的一個葡萄糖殘基C-6羥基上，形成一個新的-1，6糖苷鍵，產生一個分支，因此它是支鏈淀粉合成中非常關鍵的一種酶，對淀粉的品質具有重大的影響。然后SDBE對淀粉分支酶產生的分支進行修飾，最后合成具有一定結構特性的淀粉結晶體。葉片和胚乳中淀粉的生物合成途徑相同之處在于G-1-P至淀粉合成步驟和催化反應的酶相同，特別是一些與淀粉合成有關酶的基本酶學特點相同。圖一： 圖二： 二 淀粉合成的關鍵酶1 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶AGP存在于葉片和種子中, 是影響淀粉合成速率的關鍵因子。葉片中AGP主要存在于葉綠體膜上，受異構

8、化調節,3一PGA 激活, 無機磷(P i)抑制2。胚乳AGP 在不同物種的種子中的定位及調控有所不同, 如馬鈴薯、大豆的AGP 酶存在于造粉體, 玉米、大麥、水稻的存在于細胞質中; 馬鈴薯、玉米胚乳中AGP 酶均受到3-PGA 和Pi相對比率的調節, 但在小麥、大麥胚乳中該酶不受此調節。AGPase 分為胞質型與質體型兩種。在大多數植物細胞中, AGPase 主要是質體型, 但在禾本科植物的胚乳中, AGPase 主要是胞質型。AGPase 是一個異源四聚體, 由兩種結構不同的亞基組成, 其中兩個小亞基（SSU）的分子量在50 000 55 000之間, 兩個大亞基(LSU)的分子量在51

9、000 60 000之間。在功能上, 大亞基是酶活性的調節中心, 主要增加小亞基對激活因子的親和性, 降低小亞基對抑制因子的親和性。而小亞基則是酶活性的催化中心, 是酶別構效應的關鍵部位, 對淀粉的合成起關鍵作用4。玉米AGPase的LSU 突變體Sh 2與SSU 突變體Bt2內AGPase活性下降了90% 95%, 淀粉含量降低了75%5。AGPase是合成淀粉的限速酶。Espada 在發現ADP glucose( ADP Glc) 焦磷酸化酶時指出，其是催化淀粉合成第一步反應。Thai等6通過試驗提出玉米淀粉合成產生是通過如下反應得到: ATP + glucose 1-P = ADP-gl

10、ucose +PPi。后來相繼發現，反應中的葡萄糖從蔗糖分解后，再通過AGPase 等一系列催化反應后淀粉合成所利用7，在玉米胚乳中，運輸到胞質蔗糖先經蔗糖合酶的分解，產生的果糖和UDPG 分別由磷酸變位酶和UDPG 焦磷酸化酶反應形成AGPase 的反應底物-glucose 1-P( G1P) ，形成ADP-glucose( ADPG) 后，轉移到造粉體中，再進一步生成淀粉。2 淀粉合成酶在玉米中淀粉合成酶(starch synthase ,SS)主要有GBSS，SSI，SSIIa，SSIIb，SSIII，SSIV 等6 種同工型8，可分為2 大類，即可溶性淀粉合成酶（SSS）和顆粒結合淀粉

11、合成酶(GBSS)。SSS主要與淀粉分支酶共同作用合成支鏈淀粉。GBSS與淀粉顆粒緊密結合，作物籽粒中主要起催化作用的GBSS是指由waxy基因編碼的GBSS I，它是與直鏈淀粉合成直接有關的酶9。SS是植物淀粉合成的關鍵酶，與淀粉的含量、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例、支鏈淀粉的鏈長分布和淀粉粒的結構直接相關。淀粉合成酶以寡聚糖為前體，ADPG為底物，通過-l，4糖苷鍵不斷增加寡聚糖的葡萄糖單位，最終合成以一1，4糖苷鍵連接的多聚糖，該產物又作為SBE的底物合成支鏈淀粉。3 淀粉分支酶SBE 的分子量一般在70 114 kD 范圍內。依據酶的結構、底物專一性和免疫反應等特點，SBE可分為兩類：同工

12、型A和同工型B。玉米的SBEa、SBEIIb屬于同工型A，玉米的SBEI屬于同工型B。對比同工型A和同工型B的氨基酸序列發現，同工型A比同工型B多出一個額外的N-末端區域，通常以3個連續的脯氨酸結尾，這個額外的N-末端區域具有高度的可塑性，推測它在決定與其它酶的相互作用或決定酶的作用底物等方面起作用。據研究表明，N-末端結構域決定鏈長轉移的專一性，而C-末端結構域參與底物的特異性10。在離體條件下，觀察到SBE同工酶在支鏈淀粉生物合成中所起的作用不同。同工型A類的SBE作用的底物為支鏈淀粉，能使較短的糖苷鍵轉移到支鏈淀粉上；而同工型B對直鏈淀粉的親和力更高，在玉米中SBEI在直鏈上產生分支的效

13、率是在支鏈上產生分支的十倍以上9。SBE具有雙重功能，一方面切開-1,4-糖苷鍵連接的葡聚糖，另一方面對切下的短鏈通過-1,6 糖苷鍵連接在受體上。SBE 通過水解直鏈淀粉的-1,4- 糖苷鍵, 把切下的短鏈轉移到C-6 氫氧鍵末端, 形成-1,6 糖苷鍵, -1,6 糖苷鍵連接形成支鏈淀粉的分支結構。4 淀粉去分支酶淀粉去分支酶(Starch debranching enzyme，SDBE)，能水解支鏈淀粉的一1，6糖苷鍵，對淀粉的結構起“修飾”作用，根據它們作用的底物不同可將其分為兩類：直接去分支酶和間接去分支酶。間接去分支酶存在于動物及酵母中，通過與4-葡萄糖轉移酶及淀粉-1,6-葡萄糖

14、轉移酶的共同作用去除-l,6連接。直接去分支酶存在于細菌及植物中，可直接去除-1,6糖苷鍵。直接去分支酶根據作用底物不同又可分為兩種：極限糊精酶或稱R酶(Limit dextrinase；R enzyme，RE)和異淀粉酶(Isoamylase，ISA)。極限糊精酶以極限糊精為底物，特異去除它們的-1，6糖苷鍵；而異淀粉酶則以支鏈淀粉或糖原為底物，去除它們的-1,6糖苷鍵，它不能作用于極限糊精9。DBE 主要催化多糖鏈中-( 1-6) 糖苷鍵的水解, 在淀粉合成中起最后的修飾作用。改變DBE活性可改變直、支鏈淀粉的比例, 而且還可改變支鏈淀粉的結構, 形成分支程度不一的支鏈淀粉, 從而賦予淀粉

15、新的理化特性。它的兩種同工酶的功能分別是: ISA 主要水解支鏈淀粉和糖原的-1,6-糖苷鍵, 但不能作用于極限糊精, 它在支鏈淀粉合成中起著主要作用。其中ISA-1 和ISA-2 具有相似的催化活性, 它們構成一個復合體, 共同分枝可溶性葡聚糖, 而ISA-3 所起的作用與它們不同,可能主要參與淀粉的運轉11 。ZPU 主要水解極限糊精, 但不能作用于糖原, 它在淀粉合成過程中起著某種程度的補償作用, 與ISA 的功能并不重疊12 。目前, 有關DBE 在支鏈淀粉合成中的作用機理主要有2 種假說13 , 一種是以Erlander14 為代表,認為植物糖原( Phytog ly cogen,

16、PG) 是支鏈淀粉合成的中間產物, 經過DBE的作用形成支鏈淀粉。另一種以Nakamura 和Yuki15 等為代表, 認為SBE 和DBE 這2種酶的酶活性平衡對- 1, 6- 分支酶的頻率或支鏈淀粉的- 1, 4- 側鏈的鏈長的分配有著重要的決定作用16。之后，有人認為上面2 種假說其本質是一致的, 只是著眼點不同。前一假設是以DBE 的底物為著眼點,而后一假設則是以SSS、SBE、DBE 3 種酶的協同作用為著眼點, 并且這2 種假說彼此是相互補充的。5 淀粉合成過程中酶之間的互作及磷酸化反應 淀粉的合成是一個復雜的生理生化過程，需要不同酶的協同參與。Gao 等17從玉米轉座插入突變體中

17、篩選到dul突變體。該突變體胚乳中SSII 和SBEIIa 的活性下降，胚乳中直鏈淀粉含量、中間類型的淀粉含量以及支鏈淀粉的分支度顯著提高。于是認為du1 是玉米胚乳淀粉結構的決定因子之一。Cao 等18發現在發育的玉米胚乳中大部分的SS 活性由DU1 和zSSI 表達的，在淀粉合成過程中2 種同工酶的相對活性并沒有顯著改變。在缺乏DU1的突變體中發現其對剩余的SS 有顯著的刺激作用，認為DU1 和zSSI 相互補充。 在催化淀粉合成過程中, 與淀粉合成相關的幾個關鍵酶還需經歷磷酸化過程。Telow 等19 發現完整的質體經-32P-ATP培養后, 在檢測出的質體可溶性磷酸蛋白中, 造粉體的B

18、E、BE a與BE b及葉綠體的BE與BE a均發生磷酸化反應, 位點在ser(絲氨酸)殘基上; 在顆粒結合磷酸蛋白中,BE和兩個SS(包括SS a)也發生了磷酸化反應。磷酸化能提高造粉體與葉綠體BE a及造粉體BE b 的活性, 去磷酸化則降低這些酶的活性。三 展望 隨著生物技術的迅速發展，人們對植物玉米淀粉的生物合成機理、關鍵酶的生化特性、表達調控等方面有了很大的突破。但現今玉米淀粉生物合成方面仍有許多問題有待進一步的研究。如：1. 如各個同工酶之間的互作關系以及它們對淀粉結構形成的調控機制還未完全清楚; 2.各個同工酶基因轉錄后調控對淀粉合成影響的研究甚少；3. 除了這四種酶以外其它較重

19、要的酶( 如異化酶、磷酸化酶、淀粉酶等) 是否參與淀粉的合成,目前尚未有明確的結論。4.四類關鍵酶是如何相互作用的？因此，關于玉米淀粉的生物合成還有待我們更加深入的研究。參考文獻1陳國清，陸大雷，陸衛平.玉米胚乳淀粉合成研究進展.中國農學通報，2014,30：8-15.2張紅偉，譚振波，陳榮軍，等.玉米淀粉生物合成及其遺傳操作.遺傳HEREDITAS(Beijing),2003,25:455-460.3彭信松，鄭志仁，劉滌，等.淀粉的生物合成及其關鍵酶.植物生理學通訊，1997,33:297-303.4譚彩霞，封超年，陳靜，等.作物淀粉合成關鍵酶及其基因表達的研究進展.麥類作物學報，2008,

20、28：912-919.5康國章，王永華，郭天財，等.植物淀粉合成的調控酶.遺傳HEREDITAS(Beijing),2006,28:110-116.6Tsai C,Nelson O.Starch deficient maize mutant lacking adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase activity.Science, 1966, 151: 341343.7Creech R . Genetic control of carbohydrate synthesis in maize Endosperm. Genetics, 196

21、5,52: 11751186.8Huegel R, Keeling P, James M, et al. Analyzing the structure and function of maize GBSS and SSI. 47th Annual Maize Genetic Conference,2005:6.9陳亭亭.玉米籽粒淀粉合成關鍵基因sbe+I,waxy的研究.山東農業大學碩士學位論文，2013.10劉玉匯，王麗，楊宏羽，等.植物淀粉分支酶基因的研究進展.麥類作物學報，2010,30:581-586.11H iroaki Y, Yas unori N. Organ specif i

22、cit y of isof orms of starch b ran ching en zyme in rice . Plan t and Cell Physiology, 1992, 33: 985- 991.12Kubo A, Fujita N, Jarada K, et al . The starch debranching enzymes isoamylase ZPU-lulanase are both in volved in amylopect in biosynthesis in rice endosp erm. Plant Physiology,1999, 121: 399- 410.13蔡一霞, 徐大勇, 朱慶森. 稻米品質形成的生理基礎研究進展 . 植物學通訊, 2004, 21: 419- 428.14Shannon J C, Creech R G, Loerch J D. Starch s