基本介紹
生理功能,轉運特點,TPT蛋白,
生理功能
磷酸丙糖和3-磷酸甘油酸(3-PGA)從葉綠體到胞質的轉運就是通過內膜上專一的磷酸丙糖轉運器來進行的。這種轉運器全稱為磷酸-磷酸丙糖/3-磷酸甘油酸轉運器(Pi/triose-P/3-PGA translocator,TPT) ,它能夠催化磷 酸 、磷酸丙糖/ 3- PGA 以反向交換的方式進行跨膜轉運，也簡稱為磷酸轉運器。它是葉綠 體內膜上的主要蛋白質，其含量占內膜蛋白總量的 10 %~15 % ,在生理狀態下，TPT的運輸嚴格遵循1∶1反向交換的運輸過程 ,即一分子物質運入 ,另一分子物質以相反的方向運出。它是內膜上效率最高的轉運器 ,擔負著內膜的主要運輸功能 。
首 先 , T P T 能 催 化 P i 的 運 入 和 T P / 3 - P GA 的 反 向 交 換 運 輸 。 它 把 光 合 作 用 固 定 的 碳從葉綠體運輸到胞漿中 ,並進一步轉化為其它物質 ,如蔗糖和胺基酸 ,同時將胞質中的無 機 磷 運 進 葉 綠 體 內 。 因 為 P i 和 磷 酸 丙 糖 通 過 T P T 的 運 輸 是 嚴 格 按 照 1 ∶1 的 反 向 交 換 方 式進行 ,所以葉綠體外部的高濃度的無機磷將抑制光合作用。例如離體的葉綠體懸浮在 介質中 Pi 濃度達到 0. 5~1. 0 mmol/ L 時就能測出 CO2 固定受到部分抑制 ,當介質中加入 磷酸丙糖就可以解除抑制 。如果葉綠體的 CO2 固定速度超過胞漿中 Pi 釋放速度 ,即被固 定的碳同化物過剩 ,它就會以澱粉的形式在葉綠體中貯存。當離體的葉綠體懸浮介質中 Pi 濃度很低時 ,光合過程中澱粉的合成顯著增加 (陳珈 ,1999) 。
另外 ,該轉運器能介導 TP 和 3- PGA 穿梭 ,使葉綠體 、胞質及線粒體等其它細胞器的吡 啶核苷酸庫和腺苷酸庫相互溝通 ( Heldt 和 Flügge ,1992) 。這個過程包括 DHAP (磷酸二羥 丙酮) 和 3- PGA 之間的穿梭循環 ,以及一種與胞質中的 NADH-磷酸甘油醛脫氫酶和磷酸 甘油酸激酶相關的催化反應 ,間接地從葉綠體間質向胞質運輸 NADH 形式的還原當量和 ATP。另一種是與胞質中非磷酸化的 NADPH-磷酸甘油醛脫氫酶相連 ,向胞質中運送 NADPH 形式的還原當量 ,保持胞質 NADP 體系處於還原狀態 ,以供生物合成的需要 。
轉運特點
底物專一性
C3 植物的TPT可以結合Pi或C-3上連有磷酸分子的三碳化合物,如3-PGA、3-磷酸甘 油醛 ( GAP) 、磷酸二羥丙酮 (DHAP) 等 。而對於磷酸連線在碳鏈其他部位的化合物 ,如 2- PGA 和 PEP (磷酸烯醇式丙酮酸) 只有很低的親和性和運輸活性 。另外 ,它不能運輸己糖 磷酸 ( Fliege 等 ,1978) 。C4 植物和 CAM 植物的 TPT 與 C3 植物 TPT 在對底物的結構要求方 面有顯著差異 ,C4 植物 TPT可以運輸那些 C-2 磷酸化的三碳化合物如 PEP 和 2-PGA。顯 然這兩種 TPT 的底物結合位點不同 ( Heldt ,1991) 。在 C4 植物黍中還發現維管束鞘和葉肉 細胞的葉綠體 TPT 有不同的底物親和性 ,維管束鞘葉綠體 TPT 對 Pi 的 Km 和對 PEP 的 Ki 比葉肉細胞的高 11 倍和 5 倍 。這表明 C4 植物兩類不同的光合細胞存在著不同的 TPT(Ohnishi 等 ,1990) 。另外 ,在非綠色組織的質體中也有類似於葉綠體的磷酸轉運器在起作 用 ( Emes 和 Traska ,1987 ; Fischer 等 ,1997 ; Kammerer 等 ,1998) 。但是它們與葉綠體內膜上 的磷酸轉運器的功能和轉運特性不同。如豌豆根質體中的磷酸轉運器除轉運 Pi、DHAP和 3- PGA 外 ,還能運輸葡萄糖- 6- P (Borchert 等 ,1989) 。
轉運方式
在 生 理 條 件 下 , T P T 嚴 格 按 1 ∶1 交 換 底 物 , 並 符 合 米 氏 特 征 。 重 組 在 人 工 脂 質 體 上 的TPT 在反向轉運方式下 ,最大速率可達 50 mmol ·m - 3 ·min - 1 。但是 ,如果對稱地增加膜兩 側的底物濃度 ,其轉運活性顯著升高 ,可達 600 mmol·m- 3·min - 1 。顯然 ,這種底物條件誘 導了轉運蛋白內部構象的改變 ,導致轉運速率的升高。在這種條件下的轉運是以一種不 同於反向交換的方式進行的 ,可能是通過一種類似於離子通道的單向機制進行 ( Flügge , 1992) 。電生理實驗也表明 ,TPT 可作為一種依賴電壓的離子通道 ,選擇性透過陰離子 (Schwarz 等 ,1994) 。因此在特定條件下 ,TPT 介導的轉運可以從嚴格的反向交換方式轉換 為離子通道型的單向方式 。
轉運活性的調節
TPT的轉運功能受光的調節。當葉綠體處於黑暗條件下時 ,磷、磷酸丙糖和 3-PGA 都具有相同的 Km和Vmax。在光照條件下,3-PGA的外運受限制,而內運增加。Flügge(1981) 認為這是因為磷酸轉運器轉運二價陰離子 ,而 3- PGA 在生理 p H 下主要以三價陰離子存 在 ,因此 3- PGA 與 Pi 或 TP 的交換 ,意味著間接的跨膜質子外運 。葉綠體照光碟機動質子泵 將質子運入類囊體 ,導致間質的鹼化 ,此時 3- PGA 的外運就將造成 H+ 的逆濃度梯度的運 輸 。所以光照條件下 ,PGA 的外運受限制 ,而內運增加 。
TPT蛋白
已經從一些植物中分離到 TPT 蛋白 ,它們的胺基酸序列具有高度保守性 。例如 ,菠菜和豌豆葉綠體 TPT 蛋白具有 87 %的同源序列 。菸草與豌豆具有 89 %的胺基酸同源性 ,與 菠菜有 86 %的同源性 。但它們和已知的線粒體或細菌的 TPT 蛋白無任何同源性 ,說明葉 綠體 TPT 是完全不同於其它細胞器的另一種蛋白 。
菠菜葉綠體 TPT分子量約為60 kD,由兩個相同的亞基組成。SDS-PAGE表明每個亞 基的分子量為29 kD(Flügge,1985)。TPT蛋白有6個疏水區,以α-螺旋跨膜(Wagner等, 1989) 。TPT 可以轉運兩價陰離子 ,被轉運的陰離子可能和位於 TPT 底物結合部位的 Lys 和 Arg 殘基上的兩個正電荷相結合 ,因為與 L ys 殘基作用的磷酸吡哆醛和 2 ,4 ,6- 三硝基苯 磺酸以及與 Arg 殘基相互作用的苯乙二醛都能強烈抑制其轉運活性 。與- SH 反應的試劑如對氯汞苯磺酸也抑制轉運 ,由此可見 ,TPT含有一個活性-SH,它也是轉運功能所必需的 基團。
TPT 由核基因編碼 ,它有一個分子量為 44 kD 左右的蛋白前體 ,在 N- 末端含有一段信 號肽 。前體蛋白在胞漿中合成 ,隨後運往葉綠體 ,在那兒受到專一蛋白酶的作用 ,水解掉 信 號 肽 , 形 成 成 熟 TP T 蛋 白 。分 析 表 明 , 菠 菜 和 豌 豆 葉 綠 體 TP T 蛋 白 的 前 體 N- 端 分 別 含 有 80 和 72 個胺基酸殘基組成的信號肽 ,這兩個信號肽有 40 %的同源性。當時認為信號 肽中含有使 TPT 蛋白在內膜定位的特異信息 。後來 Knight 和 Gray (1995) 發現 ,在膜上定 位的信息存在於成熟 TPT 蛋白 N- 末端一段序列中 ,而信號肽只是含有蛋白跨膜的信息 。
菠菜 (Flügge 等 ,1989) 、豌豆 (Willey 等 ,1991) 、馬鈴薯 (Schulz 等 ,1993) 和菸草 ( Knight 和 Gray ,1994) 等磷酸轉運器蛋白的 cDNA 序列已全部測出 ,全長約為 1200 bp 。並 且菠菜和豌豆的 cDNA 在體外翻譯產生的前體蛋白 ,能直接插入葉綠體內膜中 。原位雜 交發現 , TPT 基因只在綠色組織中表達 ( Schulz 等 ,1993) 。
