理论教育 《多酚氧化酶导论:在植物中的定位和分区化》

《多酚氧化酶导论:在植物中的定位和分区化》

时间:2023-10-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:PPO的亚细胞定位也有可变性。在各类植物中,PPO的酚类氧化作用无疑是其最熟悉的角色。健康完整的植物组织中并没有激烈的氧化褐变反应,这可能是因为液泡的作用物理隔绝了酚类底物与酶的结合。PPO与底物之间被物理性分隔开来,因此PPO和底物之间的相互作用需要破坏细胞分区的结构,比如机械损伤等。植物衰老或组织损伤破坏了酶与酚类底物的接触障碍,多酚氧化酶只有在与酚类底物结合时才具备活性,并开始发挥催化作用。

《多酚氧化酶导论:在植物中的定位和分区化》

尽管酚类物质的氧化和黑色素的形成是PPO发挥其生理活性的重要表现,但对于完整的活体组织,PPO的酶活性究竟有何意义仍不明确。

PPO的亚细胞定位是研究该酶生理机能的必要考虑条件(Mayer and Harel,1979),因此研究者对PPO的定位一直很感兴趣。PPO存在于各种亚细胞结构,如过氧化物酶体、线粒体和微粒体中(Mayer and Harel,1979)。20世纪中期,Amon(1948,1949)通过研究甜菜提出了PPO全部定位于叶绿体的观点,从此以后,许多研究开始关注PPO在质体的位置。相当多的证据表明,位于质体内的植物PPO是一种核编码蛋白(Yoruk and Marshall,2003)。值得注意的是,经腾毒素处理的植株缺乏PPO活性,但在非质体中却产生了PPO的新形式(Vaughn and Lax et al.,1988)。相关研究表明该毒素可以抑制PPO蛋白前体进入质体(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。

有研究表明,PPO的合成发生在细胞质中游离的核糖体上,且融入质体前的PPO是没有活性的。酶蛋白部分去折叠并由分子伴侣稳定化,成为可以迁移至类囊体膜的形态。由核编码的前体蛋白分子量较高,这是由于氨基末端具有一个转运肽序列,可以将前体蛋白导向叶绿体。该信号肽被特定的基质蛋白酶在转移过程中酶解切除,并产生了分子量低的成熟蛋白(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。随着PPO转移到内腔,其氨基端转运肽裂解,PPO首先表现为由一个铜结合位点和一个C末端区形成的双结构域蛋白(Flurkey and Inlow,2008)。羧基端与一个高度灵活的自由肽结构相连接,这一自由肽结构被认为是覆盖于活性位点上,在某些条件下可能发生构象的改变(Dirks-Hofmeister and Singh et al.,2014)。这一观察过程可见于杏、苹果蚕豆葡萄土豆菠菜番茄和美洲商陆等多种植物中,PPO蛋白前体和成熟蛋白的分子量分别约为68kD和60kD(Yoruk and Marshall,2003)。

番茄PPO迁移进入类囊体腔分两个步骤(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。第一步,67kDa的前体进入叶绿体基质,通过基质蛋白酶加工成分子量为62kD的蛋白;第二步,基质中形成的中间体被转运到类囊体腔并处理为59kD的成熟蛋白。中间体与成熟蛋白之间的比例取决于物种、成熟度和生长条件(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。PPO的亚细胞定位也有可变性。Arnon最早提出胞内PPO存在于菠菜、甜菜(Beta vulgaris)的叶绿体中(Arnon,1949)。详细的跟踪调查显示,在叶片中,PPO特定地在光系统I和II附近的内腔分布或者松散地附着于类囊体膜上(Mayer and Harel,1979;Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。完成PPO定位于叶绿体的这一机制已经被揭示(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。他们证实了这些核编码序列的蛋白为类囊体靶向的特有蛋白,这种靶蛋白可以利用光产生的类囊体的pH值浓度梯度作为能量来源,让基质蛋白的次级产物穿过类囊体膜转运到腔体内,也称为ΔpH途径(Keegstra and Cline,1999)。最新研究发现的,有的PPO缺乏叶绿体靶向序列(Tran and Taylor et al.,2012),也有在细胞质(Nakayama and Yonekura-Sakakibara et al.,2000)和液泡中发现PPO(Ono and Hatayama et al.,2006)。

以往认为PPO紧密结合于类囊体膜,但也有报道称在类囊体腔内也有可溶性PPO(Sommer and Ne'Eman et al.,1994)。在类囊体腔内检测到PPO的催化产物,这说明PPO定位在类囊体膜的内腔表面(Sherman and Vaughn et al.,1991)。由此得出PPO以可溶性形式和膜结合形式共同存在。可溶性形式可能是成熟衰老进程中,膜结合形式PPO脱落的结果(Meyer and Biehl,1981),也可能是与膜结合PPO毫无关联的另一种独立形式。在番茄PPO基因家族内,只有3/7的蛋白具有足够的疏水性可以与膜结合,其余的蛋白均缺乏跨膜结合域(Newman and Eannetta et al.,1993)。(www.daowen.com)

在各类植物中,PPO的酚类氧化作用无疑是其最熟悉的角色。但是,与多数叶绿体定位的PPO相反的是,酚类化合物仅存在于液泡内(Mayer and Harel,1979;Vaughn and Duke,1984)。这些液泡中的物质还包括那些被认为是PPO反应底物的物质。迄今为止,基于酶催化活性或结构的比较,已经确认的PPO潜在底物有花青素、黄烷醇、黄酮、黄酮醇和异黄酮亚类,如类黄酮多酚和水杨酸,还有羟基苯甲酸、羟基肉桂酸亚类,如酚酸(Parveen and Threadgill et al.,2010)。健康完整的植物组织中并没有激烈的氧化褐变反应,这可能是因为液泡的作用物理隔绝了酚类底物与酶的结合。PPO与底物之间被物理性分隔开来,因此PPO和底物之间的相互作用需要破坏细胞分区的结构,比如机械损伤等。植物衰老或组织损伤破坏了酶与酚类底物的接触障碍,多酚氧化酶只有在与酚类底物结合时才具备活性,并开始发挥催化作用。这解释了植物在受到节肢动物和病原体(Li and Steffens,2002;Thipyapong and Hunt et al.,2004)侵害时,PPO所起的作用,即邻醌-蛋白质的交联可以降低组织的营养价值(Felton and Donato et al.,1992;Thipyapong and Hunt et al.,2004),并且,ROS(PPO次级反应物质)可以触发防御反应(Thipyapong and Stout et al.,2007)。然而,这引出一个问题,除了膜完整性破坏以外,在衰老、发育或损伤过程中,是否有其他因素参与影响活性酶的合成、活性酶的表达量以及改变酶的活性水平。

另外,表面上看,这种酶和底物的物理分离具有逻辑性,但是一味地把成熟的PPO蛋白靶向于类囊体腔多少有点浪费能量,因为将PPO靶向于细胞液同样可以使其与液泡底物之间有足够的分隔区。因此,考虑到这种特性在高等植物中是广泛存在的,甚至在检测不到底物的植物中,例如紫苜蓿(Medicago sativa)(Sullivan and Hatfield et al.,2008),也是这样的,PPO这种独特的分区性说明这一定位是有明显优势的。然而PPO在叶绿体中的作用仍不清楚。为使PPO的活性能够在没有破坏的组织结构中发挥作用,这就有可能存在一种方式使酶接近叶绿体中的底物。典型的PPO底物是具有可氧化的羟基群的邻苯二酚(Parveen and Threadgill et al.,2010)。通常认为PPO底物是特定的两种多酚:酚酸和黄酮(Parveen and Threadgill et al.,2010)。虽然有报道酚酸和黄酮存在于叶绿体中(Agati and Matteini et al.,2007;Liu and Gao et al.,2009),但是据相关文献报道,只有儿茶酚是PPO在茶的叶肉组织叶绿体中的底物(Liu and Gao et al.,2009)。证实单酚和邻苯二酚在叶绿体中是PPO的底物,对论证PPO在活体结构中的功能具有重要意义。

对于漆酶而言,一般认定植物漆酶是组成型酶,但目前并未得到验证,同时发育过程中的酶含量水平改变并无追踪研究。把漆酶活性与木质化作用相联系时,漆酶往往接近或位于木质化细胞的细胞壁。在其他组织,如叶或茎组织,除漆树科的树脂道外,均无漆酶的细胞定位或亚细胞定位测定。这也使得有关漆酶功能的基本要素消息匮乏。

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