植物線粒體能量代謝與相關(guān)蛋白的研究進(jìn)展

植物中軸線電子傳播鏈有很多方法，包括主細(xì)胞色素路徑和兩條路徑：抗氰反應(yīng)路徑和偶聯(lián)聯(lián)蛋白質(zhì)路徑。后兩者與細(xì)胞色素主路途徑中的復(fù)合體I、復(fù)合體III和復(fù)合體IV不同,不產(chǎn)生質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)能。交替氧化酶介導(dǎo)的交替呼吸途徑,對(duì)氰化物不敏感,可氧化泛醌,還原氧。而解偶聯(lián)蛋白介導(dǎo)的解偶聯(lián)呼吸途徑,破壞H+電化學(xué)梯度(McDonald2008)。植物線粒體解偶聯(lián)蛋白(plantuncouplingmitochondrialprotein,PUMP)和交替氧化酶(alternativeoxidase,AOX)具有相同的功能:減少ATP的合成,增加熱能的釋放(Vercesi等2006)。既然這兩種能量耗散途徑會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)的能量合成,因此應(yīng)該存在一種機(jī)制來(lái)調(diào)控能量耗散和能量生成與線粒體中氧氣的關(guān)系。諸多研究表明,PUMP和AOX可能在植物生熱作用和維持細(xì)胞能量平衡中起作用(Vercesi等2006)。PUMP和AOX是共同調(diào)控,還是互補(bǔ)的關(guān)系,才能保證氧化磷酸化作用最有效率和維持植物細(xì)胞中能量平衡的呢?據(jù)此,本文介紹AOX和PUMP兩條能量耗散途徑在植物線粒體中的生理作用,并分析了兩者在功能上的相關(guān)性。1同時(shí)，葡萄質(zhì)酸氧化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)和生理功能1.1aol代謝因子交替氧化酶(AOX)是植物線粒體呼吸鏈中抗氰呼吸途徑(cyanide-resistantrespirationpathway)的末端氧化酶,它擁有2個(gè)跨膜螺旋,具有一個(gè)活性中心區(qū)域和一個(gè)泛醌接合區(qū)(Moore等2002)。AOX的活性位點(diǎn)包含一個(gè)不含血紅素的雙鐵中心,因此稱為雙鐵羧基蛋白(di-ironcarboxylateprotein)。最初的研究認(rèn)為AOX蛋白分子量只有27kDa,后續(xù)的研究表明,AOX蛋白大小在32~39kDa之間。AOX蛋白由核基因編碼,至少有兩大基因家族編碼AOX蛋白,AOX1和AOX2(Considine等2002)。AOX1家族存在于單子葉植物和雙子葉植物中,而AOX2家族僅在雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)。最近,在擬南芥植物中還發(fā)現(xiàn)了AOX3家族(Borecky等2006)。AOX蛋白活性被SHAM(水楊基羥肟酸)和nPG(n-丙基沒(méi)食子酸)抑制,而受α-酮酸(丙酮酸等)活化(Yip和Vanlerberghe2001)。另外,AOX的活性也會(huì)受其自身氧化還原狀態(tài)調(diào)控,共價(jià)結(jié)合的二聚體(氧化態(tài))的活性比單體(還原態(tài))低(McDonald2008)。交替氧化酶廣泛存在于高等植物及部分真菌和藻類中,據(jù)最新的研究報(bào)道認(rèn)為AOX可能存在于除太古細(xì)菌以外的所有生物界中(McDonald和Vanlerberghe2006;McDonald2008)。AOX確定的功能是在天南星科白星海芋屬植物佛焰花序開(kāi)花時(shí)的呼吸產(chǎn)熱(McDonald2008;Wagner等2008)。而對(duì)于AOX在非產(chǎn)熱組織中的功能,長(zhǎng)期以來(lái)“溢流”假說(shuō)廣泛得到接受(雷韜等2006)。在非產(chǎn)熱性植物中,冷脅迫會(huì)誘導(dǎo)AOX的表達(dá)(Calegario等2003;Fung等2004;Lei等2008;Mizuno等2008)。此外,干旱(Bartoli等2005)、高鹽(Costa等2007;Ferreira等2008)、高光照(Noguchi等2005)、營(yíng)養(yǎng)缺乏(Sieger等2005)、機(jī)械傷害和化學(xué)物質(zhì)(Vandenabeele等2003;Parani等2004;Castro-Guerrero等2008)等脅迫條件也會(huì)誘導(dǎo)AOX的大量表達(dá)。我們實(shí)驗(yàn)室的一些研究也證明冷害(Yan等2004)、滲透脅迫(He等1999)和病原體侵害(雷韜等2006)等脅迫均誘導(dǎo)AOX蛋白表達(dá)?？傊?似乎一切能抑制或降低細(xì)胞色素途徑能力的脅迫都會(huì)對(duì)交替氧化酶產(chǎn)生誘導(dǎo)作用(Moore等2002)。近年來(lái),有關(guān)交替氧化酶在逆境脅迫下的研究表明,交替氧化酶具有清除活性氧(ROS)(Moller2001;Yip和Vanerberghe2001;Robson和Vanerberghe2002;Watanabe等2008)、抑制細(xì)胞凋亡(Ordog等2002;Vanlerberghe等2002)、穩(wěn)定植物生長(zhǎng)速率(Moore等2002;Hansen等2002)和增加植物抵御能力(Elhafez等2006;Fung等2006;Ederli等2006)等功能。另外,交替氧化酶也可在葉的發(fā)育和果實(shí)成熟等生理時(shí)期增強(qiáng)表達(dá)(Considine等2001;Holtzapffel等2002)。交替氧化酶還可能與光合作用有關(guān)(Bartoli等2005;Noguchi等2005;Feng等2007;Yoshida等2007)。1.2h+重吸收劑1995年,Vercesi等人首次在土豆塊莖中發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物褐色脂肪組織UCP1的類似物,稱為植物線粒體解偶聯(lián)蛋白(PUMP),分子量大小為32kDa,具有6個(gè)跨膜區(qū)。隨后,在土豆花和擬南芥植株中克隆出了PUMP基因。PUMP存在于很多種植物中,如番茄、菠菜、胡蘿卜、花椰菜、椰菜和甘藍(lán)等(Jezek等2000)。另外,在果實(shí)中也有,如香蕉、芒果、蘋(píng)果、草莓、木瓜、檸檬、桔子、菠蘿、梨和桃(Jezek等2000)。最新的研究認(rèn)為,解偶聯(lián)蛋白存在于除酵母以外的所有真核生物中(Borecky等2001a)。在植物線粒體中,解偶聯(lián)蛋白作為線粒體陰離子載體蛋白(Haferkamp2007),可以通過(guò)自由脂肪酸循環(huán)將H+重新運(yùn)回線粒體基質(zhì),該過(guò)程繞過(guò)ATP合成酶,破壞質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)能,不產(chǎn)生ATP(Jarmuszkiewicz2001;Sluse和Jarmuszkiewicz2002)。這個(gè)過(guò)程也稱為非偶聯(lián)呼吸(Borecky和Vercesi2005)。不過(guò),對(duì)于脂肪酸(FA)誘導(dǎo)的由PUMPs引起的H+重吸收機(jī)制來(lái)說(shuō),有兩種不同的模型假說(shuō)(圖1):第一種是FA緩沖模型,FAs與UCP結(jié)合,并且其羧基端作為H+受體/供體與UCP上的羧基殘基進(jìn)行H+傳遞。在此過(guò)程中,FAs充當(dāng)輔酶的功能,而UCP才是H+的運(yùn)輸載體。第二種是FA質(zhì)子載體模型,H+通過(guò)FA循環(huán)運(yùn)輸,UCP的作用是將FA陰離子從線粒體基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg腔,FA陰離子在膜間腔再次與H+結(jié)合,中性的FA靠“翻轉(zhuǎn)機(jī)制”穿過(guò)線粒體內(nèi)膜回到線粒體基質(zhì)(Vercesi等2006)。諸多研究證明,FFA(自由脂肪酸,如亞油酸)可增強(qiáng)PUMP的活性(Borecky等2001b),但PUMP會(huì)受嘌呤核苷酸(如ATP、GTP)和BSA(牛血清蛋白)的抑制(Jezek等2000)。與交替氧化酶一樣,PUMP也受冷脅迫的誘導(dǎo)。在植物中,擬南芥PUMP的編碼基因AtPUMP1、AtPUMP4和AtPUMP5受冷脅迫誘導(dǎo)(Borecky等2006),馬鈴薯PUMP的編碼基因StPUMP和甘蔗PUMP的編碼基因SsPUMP4和SsPUMP5在冷脅迫下也會(huì)上升(Calegario等2003;Borecky等2006)。一直以來(lái),小麥UCP基因常認(rèn)為是不受冷脅迫誘導(dǎo)的(Murayama和Handa2000;Vercesi等2006),但最近的研究表明,小麥葉片UCP1(WhUCP1)的轉(zhuǎn)錄水平在低溫下會(huì)大量積累(Mizuno等2008)。此外,PUMP還可能參與代謝產(chǎn)熱和果實(shí)成熟(Considine等2001;Holtzapffel等2002),調(diào)節(jié)線粒體中活性氧的產(chǎn)生從而響應(yīng)環(huán)境脅迫(Moller2001;Cheong等2002;vanWees等2003)和平衡細(xì)胞內(nèi)的能量代謝(Sluse和Jarmuszkiewicz2002)。2分子氧代質(zhì)系與植物染色體結(jié)構(gòu)、生理和生理特征的關(guān)系植物交替氧化酶(AOX)和解偶聯(lián)蛋白(PUMP)都有相同的功能:耗散自由能轉(zhuǎn)變成熱能,減少ATP的合成。但為什么會(huì)同時(shí)存在這兩種不同的酶呢?其中有什么樣的生理需求?這個(gè)問(wèn)題也許可以從它們解偶聯(lián)質(zhì)子電化學(xué)勢(shì)能的方式得到答案。交替氧化酶是連接于泛醌的一個(gè)分支,直接從泛醌獲得電子傳遞給分子氧,因此不受質(zhì)子梯度勢(shì)能的調(diào)控。相反,PUMP直接降低跨線粒體內(nèi)膜質(zhì)子梯度勢(shì)能。另一方面,根據(jù)交替氧化酶的動(dòng)力學(xué)特征,只有當(dāng)線粒體內(nèi)具有相對(duì)較高泛醌還原水平時(shí),AOX才會(huì)參與電子傳遞。而PUMP在相對(duì)較低的泛醌還原水平條件下也可以發(fā)揮作用,它能促進(jìn)電子傳遞達(dá)到一個(gè)較高水平(Affourtit等2001)。關(guān)于交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在植物線粒體中的真實(shí)作用關(guān)系,有幾種不同的觀點(diǎn)。近年來(lái)的研究仍然是主要集中在果實(shí)成熟和逆境脅迫兩大方面。特別是在果實(shí)成熟過(guò)程中交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白的功能相關(guān)性研究是國(guó)際上的熱點(diǎn)。2.1aol和pump協(xié)同作用的機(jī)制Sluse和Jarmuszkiewicz(2000)在研究采后番茄果實(shí)成熟過(guò)程中抗氰呼吸和非偶聯(lián)呼吸時(shí)表明AOX蛋白及抗氰呼吸在番茄綠熟期就開(kāi)始下降,而解偶聯(lián)蛋白及非偶聯(lián)呼吸在番茄黃色期才開(kāi)始下降,從而說(shuō)明兩種蛋白在果實(shí)成熟過(guò)程中起不同的作用。他們認(rèn)為,果實(shí)成熟過(guò)程中內(nèi)源FFA(自由脂肪酸)會(huì)逐漸上升,FFA促進(jìn)PUMP的活性而抑制AOX的活性,因此PUMP和AOX不會(huì)同時(shí)處于最佳活性狀態(tài),兩者在果實(shí)成熟過(guò)程中的功能應(yīng)該是相繼發(fā)揮的。AOX可能主要是在果實(shí)生長(zhǎng)期為細(xì)胞提供一系列的平衡,如氧化還原勢(shì)能平衡、磷酸化勢(shì)能平衡及生物合成的供求平衡等。相反,PUMP可能是在果實(shí)內(nèi)FFA濃度上升到一定水平時(shí)才開(kāi)始發(fā)揮作用,起產(chǎn)熱、降低氧化磷酸化效率和終止細(xì)胞內(nèi)生物合成等作用。但是有人在研究芒果果實(shí)成熟期間交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白表達(dá)變化情況時(shí)卻發(fā)現(xiàn)與番茄中不同的現(xiàn)象。AOX和PUMP都是隨著果實(shí)成熟而呈上升趨勢(shì),PUMP表達(dá)量在轉(zhuǎn)熟期達(dá)到峰值,AOX表達(dá)量在完熟期達(dá)到峰值。兩者在成熟過(guò)程中同時(shí)被激活,同時(shí)起作用(Considine等2001)。番茄和芒果同屬于呼吸躍變型果實(shí),結(jié)果卻截然相反,這是由于它們有一個(gè)不同的成熟變化過(guò)程嗎?番茄果實(shí)成熟期間FFA會(huì)逐漸上升,芒果成熟期間FFA也上升。如果番茄果實(shí)中由于FFA對(duì)AOX的負(fù)調(diào)節(jié)效應(yīng)而導(dǎo)致AOX和PUMP在成熟期間呈相繼表達(dá),那么芒果中逐漸上升的FFA對(duì)AOX和PUMP又起什么作用呢?根據(jù)已有的研究結(jié)果,我們推測(cè)植物線粒體交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在果實(shí)成熟過(guò)程中應(yīng)該是同時(shí)受誘導(dǎo)表達(dá),兩者呈互補(bǔ)關(guān)系。交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白存在于線粒體電子傳遞鏈上的兩條不同的支路上,前者從還原態(tài)泛醌處得電子傳遞給氧,可以避免泛醌呈過(guò)飽和狀態(tài)而形成氧自由基,后者破壞跨線粒體內(nèi)膜質(zhì)子梯度勢(shì)能,可保證細(xì)胞在高能狀態(tài)下的電子傳遞。正是兩者的協(xié)同作用才穩(wěn)定了細(xì)胞內(nèi)的能量平衡。對(duì)于在番茄和芒果中出現(xiàn)的不同的現(xiàn)象,我們更傾向于贊同Considine等(2001)在芒果中的研究結(jié)果。由于Sluse和Jarmuszkiewicz(2000)是通過(guò)測(cè)定分離后的線粒體中蛋白活性推測(cè)蛋白間的相互關(guān)系的,所以證據(jù)顯得不足。Holtzapffel等(2002)以活體番茄為材料研究番茄成熟時(shí)期蛋白表達(dá)變化的結(jié)果表明,在果實(shí)成熟期間AOX和PUMP的表達(dá)是上升的。最近,我們?cè)谘芯糠压麑?shí)成熟過(guò)程中抗氰呼吸與果實(shí)成熟的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)抑制抗氰呼吸時(shí),乙烯合成基因和受體基因的表達(dá)會(huì)降低,呼吸躍變和果實(shí)成熟會(huì)延緩(未發(fā)表資料)。從而可以推測(cè),交替氧化酶參與呼吸躍變和果實(shí)成熟,同時(shí)應(yīng)該還有其他物質(zhì)(如PUMP)與呼吸躍變和果實(shí)成熟有關(guān),與交替氧化酶形成互補(bǔ)關(guān)系,共同調(diào)節(jié)呼吸躍變和果實(shí)成熟。2.2AOX和PUMP在增強(qiáng)植物抵御逆境脅迫中的相互關(guān)系其實(shí),有關(guān)AOX和PUMP增強(qiáng)植物抵御逆境脅迫的研究已有較多報(bào)道(Moller2001;Fung等2006)。生物和非生物脅迫都會(huì)誘導(dǎo)植物體內(nèi)AOX和PUMP表達(dá)量上升,這主要是因?yàn)榄h(huán)境脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧(ROS)的上升及破壞細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡,而AOX和PUMP均被認(rèn)為可以減少活性氧的產(chǎn)生(Maxwell等2002;Malgorzata和Wieslawa2005;Borecky等2006),維持細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡(Sluse和Jarmuszkiewicz2000)。ROS作為一種信號(hào)分子,對(duì)AOX和PUMP具有正調(diào)控作用。最近幾年的研究表明,低溫、干旱、傷、滲透脅迫等引起細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生氧化脅迫,AOX和PUMP共同參與形成抗氧化防御體系,保護(hù)植物線粒體免受氧化損傷,維持植物細(xì)胞中的能量平衡(Borecky等2006;Armstrong等2008)。這種保護(hù)機(jī)制在于,AOX作為連接于泛醌的一條支路,可以利用電子傳遞鏈上過(guò)多的電子,阻止呼吸鏈過(guò)氧化(McDonald2008)。而PUMP則直接破壞?Ψm(跨線粒體內(nèi)膜梯度勢(shì)能),可避免高?Ψm形成過(guò)氧化物,并調(diào)節(jié)?Ψm使之處于氧化磷酸化作用的最優(yōu)狀態(tài)(Vercesi等2006)。2.3pump的表達(dá)交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白均證明存在于植物產(chǎn)熱組織中(Ito和Seymour2005)。AOX業(yè)已確定的功能是在植物開(kāi)花時(shí)期的呼吸產(chǎn)熱,并且認(rèn)為在植物產(chǎn)熱作用中起主要作用。而PUMP在產(chǎn)熱組織中的功能尚不清楚。Vercesi等(2006)認(rèn)為PUMP在植物線粒體中的表達(dá)量還不足以引起產(chǎn)熱作用的發(fā)生。不過(guò),新近有關(guān)PUMP在植物產(chǎn)熱組織中的研究有了較大突破。在臭菘肉穗花序中發(fā)現(xiàn)AOX和PUMP可能在產(chǎn)熱組織和產(chǎn)熱時(shí)期共同表達(dá),臭菘解偶聯(lián)蛋白(SrUCP)在產(chǎn)熱作用發(fā)生過(guò)程中扮演著重要角色(Ito-Inaba等2008)。同時(shí),Onda等(2008)研究臭菘肉穗花序產(chǎn)熱調(diào)控表明,LA(亞油酸)抑制AOX的同時(shí)丙酮酸又會(huì)促進(jìn)AOX。也就是說(shuō),丙酮酸對(duì)AOX的活化作用可以抵消LA對(duì)其的抑制作用。因此,AOX和PUMP可以在臭菘肉穗花序產(chǎn)熱過(guò)程中共表達(dá)。3aol和pump基因家族在環(huán)境脅迫下的表達(dá)交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能雖已有大量報(bào)道,但關(guān)于AOX和PUMP在植物能量代謝中的作用,還有待進(jìn)一步研究。交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白在生物和非生物脅迫中具有相似的功效:減少活性氧的產(chǎn)生,增加植物抗性,維持細(xì)胞內(nèi)的能量平衡。因此,了解它們的功能相關(guān)性,解開(kāi)它們共存之謎應(yīng)該是今后研究的重點(diǎn)。特別是在果實(shí)成熟過(guò)程中,兩者的作用仍存在較大的分歧。雖然果實(shí)成熟過(guò)程中不斷上升FFA對(duì)AOX有抑制作用而對(duì)PUMP具有促進(jìn)作用,但AOX和PUMP不僅僅是受FFA單一因子的調(diào)控,嘌呤核苷酸會(huì)抑制FFA對(duì)PUMP的促進(jìn)作用,酮酸會(huì)促進(jìn)AOX的表達(dá)。在