蓖麻脂肪酸合成相关酶的研究

   日期:2018-03-22    


引 言

植物脂肪酸既具重要生理功能 ,又有巨大食用和工业价值。其生物合成途径较为复杂,涉及乙酰-CoA羧化酶、脂肪酸合成酶、脂肪酸去饱和酶和脂肪酸延长酶等一系列酶。近年来 ,对脂肪酸生物合成途径进行了大量研究,克隆出许多相关基因,初步阐明了脂肪酸合成规律,并在此基础上开展了利用基因工程技术调控脂肪酸合成研究,取得可喜进展。本文详细介绍了植物饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸和超长链脂肪酸的生物合成与基因工程研究的新结果[1]。

1植物脂肪酸结构及特点

1.1植物脂肪酸的结构

植物脂肪酸是由碳、氢、氧三种元素组成的一类化合物,是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。脂肪酸根据碳链长度的不同又可将其分为短链脂肪酸,其碳链上的碳原子数小于6,也称作挥发性脂肪酸;中链脂肪酸,指碳链上碳原子数为6-12的脂肪酸,主要成分是辛酸(C8)和癸酸(C10);长链脂肪酸,其碳链上碳原子数大于12[2]。一般食物所含的脂肪酸大多是长链脂肪酸。脂肪酸根据碳氢链饱和与不饱和的不同可分为三类,即:饱和脂肪酸,碳氢上没有不饱和键;单不饱和脂肪酸,其碳氢链有一个不饱和键;多不饱和脂肪,其碳氢链有二个或二个以上不饱和键。富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸组成的脂肪在室温下呈液态,大多为植物油,如花生油、玉米油、豆油、坚果油(即阿甘油)、菜子油等[3、4]

1.2脂肪酸的特点

脂肪酸具有长烃链的羧酸。通常以酯的形式为各种脂质的组分,以游离形式存在的脂肪酸在自然界很罕见,最普通的脂肪酸大多存在于植物之中。脂肪酸大多数含偶数碳原子,因为它们通常从2碳单位生物合成。植物最丰富的脂肪酸含16或18个碳原子,如棕榈酸(软脂酸)、油酸、亚油酸和硬脂酸。植物脂质的脂肪酸中超过半数为含双键的不饱和脂肪酸,并且常是多双键不饱和脂肪酸。细菌脂肪酸很少有双键但常被羟化,或含有支链,或含有环丙烷的环状结构。某些

植物油和蜡含有不常见的脂肪酸[6]。不饱和脂肪酸必有1个双键在C-9和C-10之间(从羧基碳原子数起)。脂肪酸的双键几乎总是顺式几何构型,这使不饱和脂肪酸的烃链有约30°的弯曲,干扰它们堆积时有效地填满空间,结果降低了范德华相互反应力,使脂肪酸的熔点随其不饱和度增加而降低。脂质的流动性随其脂肪酸成分的不饱和度相应增加,这个现象对膜的性质有重要影响。饱和脂肪酸是非常柔韧的分子,理论上围绕每个C—C键都能相对自由地旋转,因而有的构像范围很广。但是,其充分伸展的构象具有的能量最小,也最稳定;因为这种构象在毗邻的亚甲基间的位阻最小。和大多数物质一样,饱和脂肪酸的熔点随分子重量的增加而增加[7、8]。

2脂肪酸的合成

2.1脂肪酸合成机理

脂肪酸合成的起始原料是乙酰CoA,它主要来自糖酵解产物丙酮酸,脂肪酸的合成是在胞液中。

乙酰CoA的转运:脂肪酸的合成是在胞液中,而乙酰CoA是在线粒体内,它们不能穿过线粒体内膜,需通过转运机制进入胞液。三羧酸循环中的柠檬酸可穿过线粒体膜进入胞液,然后在柠檬酸裂解酶的作用下放出乙酰CoA进入脂肪酸合成途径。

丙二酸单酰CoA的合成:脂肪酸的合成是二碳单位的延长过程,它的来源不是乙酰CoA,而是乙酰CoA的羧化产物丙二酸单酰CoA,这是脂肪酸合成的限速步骤,催化的酶是乙酰CoA羧化酶。

乙酰ACP和丙二酸单酰-ACP的合成:乙酰CoA和丙二酸单酰CoA首先与ACP活性基团上的巯基共价连接形成乙酰ACP和丙二酸单酰-ACP。每延长2个C原子,需经缩合、还原、脱水、还原四部反应。

脂肪酸的延长是在真核生物中,β -酮脂酰-ACP缩合酶对链长又专一性,它就收14碳酰基的活力最强,所以大多数情况下仅限于合成软脂酸。

植物脂肪酸合成大多数是不饱和脂肪酸它的合成是在去饱和酶系的作用下,在以合成的饱和脂肪酸中引入双键的过程,这是在内质网膜上进行的氧化反应,需要NADH和分子氧的参加。软脂酸和硬脂酸是动物组织中两种最常见的饱和脂肪酸,是棕榈油酸和油酸的前体,是在C-9和C-10间引入順式双键形成的。

总之,酶系和能量起了很重要的作用。

在第四步合成时,乙酰-ACP与丙二酸单酰-ACP先发生缩合反应,这时丙二酸单酰-ACP的-COOH去掉的,缩合后形成乙酰乙酰-ACP,在被还原和脱水,形成丁烯酰-ACP,最后再被还原为丁酰-ACP,完成第一次循环,第二次循环是丁酰-ACP与丙二酸单酰-ACP进行缩合[7、8、10]。

2.2脂肪酸合成中酶的作用

在脂肪酸合成过程中,酶担任着十分重要的作用,每一步的反应都离不开酶。酶的主要作用有合成、分解、限制、高度专一性等。

脂肪酸合成酶是一个具有多种功能的酶系统,在低等生物中,脂肪酸合成酶系是一种由1分子脂酰基载体蛋白(ACP)和7种酶单体所构成的多酶复合体;但在高等动物中,则是由一条多肽链构成的多功能酶,通常以二聚体形式存在,每个亚基都含有一ACP结构域。在脂肪酸合成酶中,底物和中间产物分子在各个功能结构域(可以位于同一酶分子,也可以位于不同酶分子)中传递直到完成脂肪酸的整个合成过程。

脂肪酸合成酶组构的传统模型(“头对尾”模型)大部分是基于双功能试剂DBP能够将一个脂肪酸合成酶单体上的酮脂酰合成酶结构域活性位点上的半胱氨酸的巯基和另一个单体上的载体蛋白结构域中的磷酸泛酰巯基乙胺辅基联接在一起的现象。

但对脂肪酸合成酶二聚体所进行的突变研究发现酮脂酰合成酶和单酰/乙酰转移酶结构域可以与二聚体中任何一个单体上的载体蛋白共同作用;而对DBP联接实验结果的再分析显示酮脂酰合成酶的活性位点的巯基可以被联接到任何一单体中载体蛋白4'-磷酸泛酰巯基乙胺的巯基上。而且,近来发现只含有一个完整单体的异源二聚化的脂肪酸合成酶能够进行棕榈酸酯的合成。以上的这些实验结果与之前的“头对尾”模型并不相符,于是另一个模型被提出:两个单体上的酮脂酰合成酶和单酰/乙酰转移酶结构域位于接近脂肪酸合成酶二聚体中心的位置,在这一位置上,它们能够与任一单体中的载体蛋白接触[9、15]。在脂酸合成酶系内各种酶的催化下,依次进行酰基转移、缩合、还原、脱水、再还原等连续反应,每次循环脂酸骨架增加2个碳原子,7次循环后即可生成16碳的软脂酸,经硫酯酶水解释出。

3 脂肪酸合成需要的关键酶

3.1脂肪酸脱饱和酶

脂肪酸脱饱和酶催化与载体结合的饱和脂肪酸或不饱和脂肪酸在脂酰链上形成双键。脂肪酸脱饱和酶分为酯酰COA脱饱和酶、脂酰ACP脱饱和酶和脂酰脂脱饱和酶三类。它在控制生物膜的形成与物理性质,保护光合机构和决定贮脂与膜脂组成与不饱和度等方面起着关键作用[11、12]。

3.2乙酰辅酶A羧化酶

乙酰辅酶A羧化酶是催化乙酰辅酶 A+ATP+HCO3-→丙二酰辅酶A+ADP+Pi反应的生物素酶。广泛存在于生物界。此反应制约着脂肪酸合成第一阶段的速度。本反应由二个步骤组成,即利用ATP把CO2固定在酶所结合的生物素上和把CO2转移给乙酰辅酶A的反应。大肠杆菌或植物中的这种酶可以区分为催化这二个反应的蛋白质和结合生物素的蛋白质,而动物或酵母中的这种酶则不能分开,动物的酶是一种变构酶,原体不显示活性,而聚合成纤维状的多聚体则呈现活性。动物由于营养条件、激素条件的不同使脂肪酸的合成速度发生变化,在这种变化调节中此酶起着主要作用。即一方面酶量在变化,另一方面每一分子酶的催化力可为柠檬酸等所激活的长链脂肪酸辅酶A等所阻抑(原体即多聚体的转换)[17

3.3蛋白磷酸酶

蛋白磷酸酶:催化磷酸化氨基酸残基脱磷酸的酶。与蛋白激酶一起配合调节底物蛋白质的磷酸化作用,调控多种细胞生物学过程。根据底物蛋白质分子上磷酸化的氨基酸残基的种类主要分为蛋白质丝氨酸/苏氨酸磷酸酶、蛋白质酪氨酸磷酸酶和双特异性磷酸酶[21]。 蛋白磷酸酶是具有催化已经磷酸化的蛋白质分子发生去磷酸化反应的一类酶分子,与蛋白激酶相对应存在,共同构成了磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。

近年来在植物中已经获得了丝氨酸/苏氨酸蛋白酶PP1和PP2,它们参与植物逆境胁迫反应。另外,在动物细胞程序性死亡中,天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶家族发挥了重要的作用。活化的半胱氨酸蛋白酶通常触发信号的级联反应而导致DNA降解与细胞解体。目前已经在燕麦细胞中发、19]。

现了类似于半胱氨酸蛋白酶的丝氨酸蛋白酶,在热诱导与病原菌引起的燕麦细胞程序性死亡中,参与Rubisco的降解[22]。

3.4 酰基脂肪酸合成酶

酰基载体蛋白位于复合体中央,其他则环绕在四周。在细菌及植物细胞中,这种复合体是由7个分离的多肽(分别为7个活化位置)组成;在酵母菌中则是分成2个多肽;对脊椎动物而言,7个活化位置是分布于单一的一个多肽之上[22]。

3.5 脂肪酸脱氢酶

脂肪酸脱氢酶是一类催化脂肪酸酰基链特定位置C-C脱氢形成C=C的酶,是多不饱和脂肪酸合成途径关键酶。脂肪酸脱氢酶的分布很广泛,除了少数微生物外,几乎所有生物体中都有脂肪酸脱氢酶存在。生物膜脂中都含有特定的不饱和脂肪酸,恒温动物或某些变温动物,能通过对膜脂的脱饱和来适应外界环境温度的降低。细胞改变膜脂物理特性的能力主要通过脂肪酸脱氢酶对脂肪酸的脱饱和作用来实现,因此脂肪酸脱氢酶在生物膜的形成和物理性质、调节膜脂中脂肪酸的组成与不饱和度等方面起主要调节作[22、23]。

3.6高半胱氨酸巯基酶

高半胱氨酸巯基酶又称为同型半胱氨酸巯基酶是甲硫氨酸的中间代谢产物,在体内由甲硫氨酸转甲基后生成,有两种去路,一是半胱氨酸(Hcy)可在胱硫醚缩合酶(CBS)和胱硫醚酶的催化下生成半胱氨酸,需要维生素B6的参与,或经巯基氧化结合生成高胱氨酸,另外Hcy还可在叶酸和维生素B12的辅助作用下再甲基化重新合成甲硫氨酸,此过程需甲硫氨酸合成酶(MS)的催化,并且必须有N5-甲基四氢叶酸作为甲基的供体,后者是四氢叶酸经5,10-甲烯四氢叶酸还原酶(MTHFR)催化而产生[22、23]。

3.7脂肪酸合成酶 脂肪酸合成酶是在这个反应式中 乙酰CoA+7丙二酸CoA+14NADPH+14H+→棕榈酸+7CO2+8CoA+14NADP++6H2O。催化上述反应的酶,不过酵母酶的最终产物是棕榈酸CoA。在丙二酸基和乙酰基缩合时,在每次延长C2单位的同时发生还原反应,在这个复杂的反应中,各有相应的酶参与作用。而酰基以CoA转移到酰基载体蛋白(ACP)上,以与此蛋白质结合的形

态进行反应。通过如图所示的反应反复进行可生成棕榈酸。在大肠杆菌中,各部分反应的酶以及ACP是不结合在一起的,但在动物和酵母中,各种酶是结合型,形成所谓多酶复合体[24]。

4 植物脂肪酸合成的展望

脂肪酸是天然的油脂加水分解生成的脂肪族羧酸化合物的总称,目前已经发现的天然脂肪酸有200多种,广泛存在于动植物油脂中。

植物脂肪酸不仅是人类营养需求的重要保证,而且已经成为许多化工产品的重要环保原料,广泛应用于肥皂、洗洁剂、生物燃油、化妆品以及油漆等的生产。近年来人类对植物使拥有的需求呈持续性直线上升。因此如何提高植物脂肪酸的合成已经成为人们关注的焦点。生物的自身脂肪酸合成以不能满足人们的需求,要想更多的得到脂肪酸只能通过人类的化工合成[1、3]。

脂肪酶是油脂分解代谢过程中的重要酶类,在植物脂肪酶基因的克隆、表达分析和体外表达报道较少,尤其是油料作物脂肪酶基因的相关报道更少。在脂肪酸去饱和过程研究中,仍然无法对该过程涉及的一些细节提出合理解释或给出实验证据。在对脂肪酸去饱和酶及其基因研究中,对储油果实的研究较少。储油果实中加强该方面的研究不仅可以扩大优质油脂的育种资源,而且对于改良油料作物的脂肪酸组成和提高含油量也具有一定的参考价值。随着研究手段的不断进步,人们对不饱和脂肪酸合成过程的了解会逐步深入,并且随着对这些基因表达规律的认识的进一步深入,人们对植物种子脂肪酸组成的定向改良也会更方便、有效[1、2、4]。

结束语

对脂肪酸的合成的研究还有待我们去研究。酶在其中的作用是必不可少的,所以我们就要在这上面加大力度。酶的一些特性在脂肪酸的合成中起到得作用是十分重要的,所以我们在研究怎样提高它的作用就有很大的发展空间。不同的酶结合在一起可以达到很多不同的效果,去提高它的特性,还是抑制它的作用,就显得很有必要了。现在要我们学好有关的知识,了解并且明白它的特性,更好的把握它的知识,去为人类做更大的贡献吧。
 

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