植物脂肪酸及其相關代謝酶的研究進展

馮亞莉,侯智霞

(北京林業大學省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室,北京100083)

1 植物脂肪酸的生理功能

脂肪酸生物合成是機體基本代謝之一,合成途徑及其調節研究不僅具重要的理論意義,還有廣泛的應用前景,如利用基因工程技術生產有用脂肪酸、改善油和脂肪的品質、增加機體的抗逆性及設計除草劑等。

1.1 植物脂肪酸與植物的抗寒性

甘油脂中的不飽和脂肪酸是生物膜功能所必需的。當催化不飽和脂肪酸合成的酶發生突變時,植物體內不飽和脂肪酸減少,抗寒性減弱。國外Somerville和Brow se以擬南芥為材料,對擬南芥葉綠體sn-2-棕櫚酰去飽和酶和△12-去飽和酶基因突變體fad5和fad6,在低溫下葉片黃化,生長變緩,葉綠體形成也發生改變,同樣其微粒體△12-去飽和酶基因突變體fad2的耐低溫能力也減弱[1]。

1.2 植物脂肪酸與植物的抗病性

脂肪酸去飽和作用是植物防御反應中的一個重要組成部分。如真菌感染和肽激發子Pep25可誘導微粒體△12-去飽和酶和質體ω3-去飽和基因快速和短暫表達[2],催化α-亞麻酸形成。這些α-亞麻酸作為細胞信號分子茉莉同算的一個重要前體[3],引起茉莉酮酸的積累[4]。又如超長鏈脂肪酸主要存在與某些種子油中或位于植物表面是蠟、角質、木栓質的組成部分并參與組成和碳水化合物,乙醇、乙醛的合成[5]。其中植物體表面的蠟是植物防御體系的重要組成部分,在防止病原物侵染、草食性昆蟲及抵御環境脅迫如干旱、紫外線破壞和霜凍中發揮重要作用。

1.3 植物脂肪酸的食品及工業價值

人體內可以合成飽和與不飽和脂肪酸,但不能合成維持機體正常生長所需的一些脂肪酸(稱為必需脂肪酸),如亞油酸和亞麻酸等。它們只能從食物中獲得。隨著生活水平的提高,植物油的飽和脂肪酸含量較動物脂肪酸少50%左右,使人們對脂肪酸的攝入由動物脂肪逐漸轉向植物油。進而對飽和脂肪酸含量低、不飽和脂肪酸含量高的植物油的需求逐漸提高。除食用外,脂肪酸還是生產油酸,潤滑劑、尼龍等化工產品的重要原料。據統計,世界上每年有1/3的植物油用于制藥和化工生產[7]。

2 脂肪酸的種類和重要性

2.1 飽和脂肪酸的生物合成酶和基因

脂肪酸合成的前體為乙酰-CoA。它首先在乙酰-CoA羧化酶的作用下合成丙二酸-CoA。然后脂肪酸合成酶以丙二酸-CoA為底物進行連續的聚合反應,以每次循環增加2個碳的頻率合成酰基碳鏈,進一步合成16～18個碳的飽和脂肪酸。高等植物中飽和脂肪酸的合成,主要是在胞液中合成的,線粒體也能合成。此外,微粒體和葉綠體也具有微弱的脂肪酸合成功能。

2.1.1 乙酰-CoA羧酸化酶(ACC)

ACC是脂肪酸生物合成過程中的關鍵之一,生物體內共發現有兩種形式的ACC。一種是多功能酶,在一條多肽鏈中含有3個功能結構域,催化多個反應進行,被稱為真核形式的ACC,分子量為220～240kpa,與動物和真菌的多功能酶類似,它們只是ACC的微量形式,其活性占葉片總ACC活性的20%,且主要位于表皮組織。單子葉植物種的禾本科植物屬于真核形式的ACC,它們對一些除草劑非常敏感[8]。植物中還發現另一種ACC不位于葉片葉綠體,對除草劑不敏感,其功能有待進一步研究。乙酰-CoA羧化酶另一種為多酶復合體形式,位于質體,類似原核生物的多酶復合體,它可解離成多功能蛋白,如生物素羧化酶、生物素羧基載體蛋白、羧基轉移酶及另一個功能未知的酶,被稱為原核形式的ACC。雙子葉植物如豌豆。煙草等葉綠體ACC為原核形式。雙子葉植物細胞質ACC則可能是真核形式。若要改變種子中的ACC活性,不僅要利用反義RNA調控真核形式的ACC多功能酶,更重要的是調控原核形式的ACC多酶復合體[9-15]。

植物ACC受光合脂酰-CoA調節,光可能通過改變基質PH、ATP、ADP和鎂離子等參數來調節酶活性,增加葉片脂類形成,從而影響脂肪酸合成。脂酰-CoA對ACC起抑制作用,很可能通過抑制基因表達來實現[16,17]。

2.1.2 植物脂肪酸合成酶(FAS)

植物FAS為原核形式的多酶復合體,由酰基載體蛋白、β-酮脂酰-ACP脫水酶、β-酮脂酰-ACP合酶、β-酮脂酰-ACP-還原酶、烯脂酰-ACP還原酶、脂酰-ACP硫脂酶等部分構成。酰基載體蛋白在植物體內存在多個ACP同工酶,大麥有3個,分別為 ACP-Ⅰ、ACP-Ⅱ 、ACP-Ⅲ,由Acl2和Acl3基因編碼。同樣在菠菜、擬南芥、蓖麻、油菜籽中均有研究[18,19]。同植物ACP受光調節和種子發育時進行表達。β-酮脂酰-ACP合酶發現有三種KASⅠ 、KASⅡ 、KASⅢ3種,它們分別對乳霉素和淺藍菌有不同程度的敏感。催化不同碳原子數的脂酰-ACP的縮合。縮合反應啟始的底物乙酰-ACP的合成可由單獨的乙酰-ACP的ACP轉酰基酶催化,也可由KASⅢ催化。另一底物丙二酰-ACP由丙二酰-CoA：ACP轉酰基酶催化產生[20,21]。植物β-酮脂酰-ACP-還原酶有兩個等位形式,已從菠菜和鱷梨油菜中純化。植物烯脂酰-ACP還原酶有兩種等位形式,一種為NADP特異的烯脂酰-ACP還原酶,已從油菜中純化,具有α4結構,每個亞基 35KD,編碼基因也已克隆,另一種NADP特異的烯脂酰-ACP還原酶。脂酰-ACP硫脂酶催化FAS循環的終止,已從多種植物中純化,編碼基因也已從紅花、油菜和擬南芥等多種植物種克隆[22,23]。

2.2 不飽和脂肪酸的生物合成酶

生物體內飽和脂肪酸可在脫飽和酶的作用下形成不飽和脂肪酸,包括棕櫚油酸和油酸等單不飽和脂肪酸及亞油酸和亞麻酸長鏈多聚不飽和脂肪酸。棕櫚油酸和油酸分別是有軟脂酸和硬脂酸在作用于碳鏈的第9個和第10個碳原子之間引入雙鍵的脂肪酸脫飽和酶而形成。△9-脂肪酸脫飽和酶是脫飽和途徑的關鍵酶,油酸脫氫酶FAD2是植物產生多聚不飽和脂肪酸的關鍵酶。單不飽和脂肪酸可進一步形成多聚不飽和脂肪酸,如油酸在ω6-,ω3-和ω6-脂肪酸脫飽和酶的催化下可分別形成亞油酸、α-亞麻酸、γ-亞麻酸。多數高等植物只合成γ-亞麻酸,只有少數植物產生x-亞麻酸。雖然高等植物合成多種不飽和脂肪酸,但膜脂中大多數不飽和脂肪酸的雙鍵位于十八碳脂酰鏈的△9,△12、△15位于對應的十六碳脂酰鏈的△7,△10,△13。植物脂肪酸脫飽和作用在葉綠體或內質網上進行[24]。脂肪酸脫飽和酶主要是催化與載體結合的飽和脂肪酸或不飽和脂肪酸在脂酰鏈形成雙鍵。該酶在決定貯脂與膜脂的脂肪酸組成與不飽和度、控制生物膜的形成與物理性質,保護光合機構等方面起關鍵作用,同時也是不飽和脂肪酸合成途徑的關鍵酶,分離和鑒定這些酶基因有重要的意義。

2.2.1 脂肪酸脫飽和酶的種類和分布

目前主要是通過操縱TAG的生物合成來直接改變油的成分,已鑒定出的主要酶類有兩種：脂肪酸修飾酶和TAG組裝酶。脂肪酸修飾酶類是脂肪酸脫飽和酶。植物油種飽和脂肪酸的含量遠低于動物脂肪酸。棕櫚酰-ACP在脂肪酸代謝過程種是一關鍵底物,其碳鏈既能被3-酮酯酰ACP合成酶進一步延長,也可以在乙酰-ACP硫酯酶作用下脫ACP形成棕櫚酸并轉化為貯存態油,因此植物中飽和脂肪酸的含量主要是由3-酮酯酰ACP合成酶和硫酯酶活性所決定[25]。不同生物體中脂肪脫飽和酶可以根據它們的底物特異性、細胞內定調節模式加以劃分,脂肪酸脫飽和酶的種類和分布,根據其所作用的底物脂肪酸結合的載體不同可分為3類[24]。

(1)脂酰CoA脫飽和酶。它存在于動物、酵母和真菌細胞中,與內質網相結合,催化以CoA為載體的脂肪酸形成雙鍵。

(2)脂酰ACP脫飽和酶。它存在于植物質體基質,催化與ACP結合的脂肪酸形成雙鍵。

(3)脂酰-脂脫飽和酶。它存在于植物內質網膜、質體膜和藍藻類囊體膜上,催化與甘油脂結合的脂肪酸形成雙鍵,這一類脫飽和酶是膜脂不飽和程度響應溫度變化最有效的調節器。脂酰-脂脫飽和酶可能根據電子供體不同分為兩類。一類是定位于植物細胞的內質網,以細胞色素B5為電子供體。另一類存在與植物細胞質體和藍細菌中,以鐵氧還原蛋白為電子供體。

脫飽和酶還可以根據其在脂肪酸鏈形成雙鍵時參考點的不同分為兩種類型：A型脫飽和酶朝向羧基端以亞甲基間隔模式形成雙鍵。ω-型脫飽和酶則朝向甲基端[26]。

2.2.2 脂肪酸脫飽和酶

(1)植物脂酰ACP脫飽和酶。植物脂酰ACP脫飽和酶定位于植物質體中,是植物中唯一可知的可溶性脫飽和酶家族。目前研究最多的,就是植物硬脂酰ACP脫飽和酶(SAD)。目前已從蓖麻、大紅花、黃瓜、油菜、菠菜、土豆、亞麻、葡萄和芝麻等植物種分離獲得。植物硬脂酰ACP脫飽和酶催化結合與ACP的特定長鏈飽和脂肪酸在特定位置形成雙鍵,是植物典型不飽和脂肪酸生物合成途徑的第一步脫飽和,因此直接調節了膜脂與貯脂種的飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的比例。植物硬脂酰ACP脫飽和酶催化硬脂酰ACP在第9-10碳原子之間脫氫形成了雙鍵,產生油酰ACP[27]。

(2)植物脂酰-脂脫飽和酶。脂酰-脂脫飽和酶主要是存在與藍藻植物中,膜結合蛋白,故采用常規生化方法難以鑒定,目前主要采用直接克隆相關基因的方法。植物中存在這兩套膜結合脫飽和酶,分別定位于質體和內質網膜。通過采用圖位可供發和插入圖變法首先克隆成功擬南芥的相關酶。研究人員又在菠菜、大豆種也提煉出來。除此之外從稻米、青豆、蓖麻、小麥和煙草等植物也分離克隆了內質網和質體定位的脫飽和酶基因。脫飽和酶基因對植物激素和環境刺激包括光,溫度和受傷等有不同的反應[28,29,30]。

(3)脂酰CoA脫飽和酶。存在與動物、酵母和真菌細胞中,目前也有相關研究,本研究以植物為主,所以我們不多做介紹了。

2.2.3 超長鏈脂肪酸的生物合成及相關酶

脂肪酸從頭合成脂形成軟脂酸,要合成鏈長為20～30碳或更長的飽和或不飽和超長鏈脂肪酸,必須由膜結合的脂肪酸延長酶系統繼續把碳鏈延伸。對超長鏈脂肪酸生物合成的研究是近幾年逐漸受重視的,研究尚不深入。

3 結語

脂肪酶是油脂分解代謝過程中的重要酶類,在植物脂肪酶基因的克隆、表達分析和體外表達報道較少,尤其是油料作物脂肪酶基因的相關報道更少。在脂肪酸去飽和過程研究中,仍然無法對該過程涉及的一些細節提出合理解釋或給出實驗證據。在對脂肪酸去飽和酶及其基因研究中,對儲油果實的研究較少。儲油果實中加強該方面的研究不僅可以擴大優質油脂的育種資源,而且對于改良油料作物的脂肪酸組成和提高含油量也具有一定的參考價值。

隨著研究手段的不斷進步,人們對不飽和脂肪酸合成過程的了解會逐步深入,并且隨著對這些基因表達規律的認識的進一步深入,人們對植物種子脂肪酸組成的定向改良也會更方便、有效。

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