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纤维素合酶的结构及细胞壁中纤维素的合成过程（综述）莫文洲(中国农业大学农学与生物技术学院植物108，1001080823)摘要：纤维素地球上最丰富的生物大分子和最重要的可再生资源，，植物纤维素的生物合成需要多个纤维素合成酶与其他相关酶，本文综述了从蛋白结构和基因组成上总结了纤维素合酶的特点以及植物细胞壁中纤维素合成的过程。关键词：纤维素合酶纤维素的合成纤维素是地球上数量最多的有机大分子物质，是构成细胞壁的基础物质，占初生细胞壁物质的20%~30%。纤维素分子是由β（1-4）连接的D-葡聚糖组成的高分子聚合物，并通过分子内氢键使其形成一种类螺旋状的结构。随着社会的快速发展，人类对植物纤维的需求激增，而过度利用自然界的植物纤维资源将对人类生存造成极大的破坏。植物纤维素生物合成机制的研究对材质改良，木材定向培育以及农业、造纸等化工业都十分重要。而纤维素主要有纤维素合酶来合成，所以对植物纤维素台酶基因及其蛋白的研究显得更有价值。要掌握纤维素合成酶基因的调控。1.纤维素合酶的结构1.1纤维素合酶蛋白结构特点在不同植物的纤维素合成中，不同的纤维素合成酶(CesA)基因的具体作用是不同的，并且在纤维素的生物合成中，需要多个纤维素合成酶基目的共同作用。纤维素的糖基转移酶有两个催化位点。所有的CesA和Csl蛋白都具有跨膜蛋白的特征，在N一端与C一端具2个或多个跨膜区域，其中间为亲水胞内区，CesA与Csl蛋白之间最大的同源性出现在中间胞内区。植物纤维素合成酶的N末端一段氨基酸可形成一个特殊的结构域，类似于锌指状或LIM转录因子构向，此种该结构域具有保守序列CxxC(半胱氨酸氨一x半胱氨酸氨)，与蛋白间的相互作用有关。其次，植物纤维素合成酶包含有2个高变区，其中一个在N端，约150个氨基酸残基，富含酸性氨基酸，另一个在A区与B区之间，约5O个氨基酸。A区和B区是植物纤维素合成酶基因所特有的保守区，A区含有几个保守的天冬氨酸残基，排列特征为Dx⋯xDxD(D为天冬氨酸)。B区除含有一个保守的天冬氨酸残基外，还有另一个序列QxxRw。A区可结合纤维素合成的底物：尿苷二磷酸一葡萄糖，而B区则与纤维素合成酶的催化活性有关。第三，纤维素合酶共有8个跨膜区，其中有两个在N一末端，另外6个在C一末端。N端和C端跨膜结构域之间约有550个氨基酸长度的间隔，具有典型的亲水性，可形成环状结构延伸至细胞质，称为胞内区。跨膜区是β—1，4-葡萄糖苷链穿过质膜进入细胞壁的重要通道。1.2纤维素合酶的基因结构特点因为纤维素合酶(CesA)多基因现象的存在，所以它与存在的大量纤维素合酶相似蛋白(Cs1)构成了一个庞大的超基因家族。目前，CesA基因R基因家族已有40多个基因，并且在不断地增加着。CesA基因的长度大约在3．5～5．5Kb之间，含有9～13个内含子，其内含子和外显子的边界区域是高度保守的，基因结构的差异主要决定于内含子的多少。CesA基因转录产物介于3．O～3．5Kb之间，编码的肽链长度约为985～1088个氨基酸。同时纤维素合酶本身的某些特异性序列决定其在初生或次生细胞壁中的表达，并非单独由启动子所决定。而CesA基因的表达主要是受转录水平的调控，很多植物的纤维素合成酶表达的一般规律：①不同的CesA基因成员在植物中的表达水平是不一样的，而且表达的部位也会有所不同②不同的CesA基因在植物不同部位的表达模式也不相同；③在不同细胞中CesA基因的表达是多个的④不同的CesA基因的表达受到不同因子的调控。在不同的植物中有着不同植物纤维素合酶基因。2.纤维素的合成机理在植物的细胞壁中纤维素的含量很高。而纤维素的合成是在细胞质膜上的蛋白复合体---终端复合体上合成的，这个蛋白体上包含有多个纤维素合酶单位。在合成的过程中，多个纤维素合酶的基因的共同参与，还有其他的一些酶其辅助作用。大概的过程可以是：纤维素合酶将葡萄糖供体上的的葡萄糖基加到葡萄糖链上催化合成β（1-4）连接的D-葡聚糖。用于合成的葡萄糖供体是UDPG。UDPG来源于蔗糖。蔗糖合酶将蔗糖中的葡萄糖转化为PDUG，然后加在纤维素链上，纤维素合酶中的糖基转移酶有两个催化位点，纤维素链的延伸时每次都加入两个葡糖糖基，因此纤维素总是以二聚糖为重复单位。这只是纤维素合成的基本过程。2.1纤维素的合成场所、底物以及过程在纤维素的合成，受到更精密的基因和蛋白的调控。高等植物中纤维素的生物合成需要1个复杂的酶系复合体，这个酶系复合体为对称的玫瑰花环结构。（有的文献指出这个复合体到现在还没有给出完整的模型）有研究表明，它集中在纤维素聚集的部位，是由6个独立的球状蛋白复合体构成，直径为25～30nm，称之为纤维素合酶复合体。玫瑰花环结构的每个亚基合成6条葡萄糖链，形成36条链的微纤丝。对于玫瑰花环复合体，有的研究说明玫瑰花环复合体不仅具有合酶的功能，而且也可能具有将葡萄糖链运输到细胞质表面的功能，完整的玫瑰花环复合体在细胞膜上运动，是合成晶体化纤维素所必需的。玫瑰花环末端复合体是进行纤维素生物合成的场所。二磷酸尿苷葡萄糖(UDPG)是纤维素合成的直接底物。对于纤维素的合成，大概可以分为三个部分。1.与原生质膜相关的蔗糖合酶引导UDP一葡萄糖为纤维素合成提供底物；2.共同表达的多种CesA，组织形成六边形的多聚体——玫瑰花环结构，将葡萄糖单体聚合成为葡聚糖链，同时回收释放出的UDPG返回到蔗糖合酶；3.与膜相关的纤维素酶KORⅪGAN(Kor)作为葡聚糖链转换为纤维素微纤丝的催化者，切开有缺陷的葡聚糖链。但是β（1-4）葡糖链延伸与起始是完全分开的两个过程。2.2与纤维素合成相关的酶纤维素除了由纤维素合酶合成以外，还受到其他各种酶的辅助合成。纤维素生物合成机制非常复杂，谷甾醇糖基转移酶、纤维素酶（Kor）、蔗糖合酶、细胞骨架蛋白、Rac13蛋白等都可能与纤维素合成有关。蔗糖合酶与纤维素生物合成的底物供给有关。2.2.1纤维素酶Kor但很多文献对于纤维素酶的作用机理不太清楚，有人人为Kor研蛋白的作用可能是从正在延伸的葡聚糖链上切下SG引物，以保证葡聚糖链的继续延伸。也有另一种说法，认为I幻r蛋白的作用可能是移除非结晶葡聚糖链或释放无活性的纤维素合酶复合体，以利于微纤丝的顺利合成。2.2.2蔗糖合酶纤维素合成过程中的另一个重要的酶——蔗糖合酶。因为纤维素的合成要以β（1-4）连接的D-葡聚糖为基本单位合成。蔗糖合酶的主要功能是分解蔗糖，蔗糖+UDP一果糖+UDPG，为纤维素的合成提供底物，UDP一葡萄糖不仅仅是葡基转移酶的直接底物，同时也是不同核苷糖和相应的非纤维素物质细胞壁碳水化合物的关键前体物质。结束语总的来说，仔细的看了几篇文献，对与纤维素合酶的结构的研究比较透彻。对于纤维素的合成过程的研究也很深入。但很多文献指出，纤维素的合成在细胞内比较高效，而目前很多研究者一直致力与纤维素的体外合成，但很多问题还得不到解决。纤维素有利与作物的改良和一些材料的质量的提高有很大的帮助，改良植物的性状还有很长的路要走。在植物纤维素生物合成领域是有非常广阔的研究空间。参考文献[1].李春秀，齐力旺等植物纤维素合成酶基因和纤维素的生物合成生物技术通报·2005年第4期[2].李益，胡尚连等植物纤维素合成酶基因的进化分析华北农学报·2008，23(2)：101．105[3].程曦，郝怀庆等植物细胞壁中纤维素合成的研究进展热带亚热带植物学报2011，19(3)：283～290[4.]黄青云，张党权等纤维素合成酶及其在基因工程中的应用经济林研究2009，27(2)：131—136[5.]都付菊,李学宝植物纤维素生物合成及其相关酶类细胞生物学杂志2004，26：490-494[6]周晓馥，王景余，王兴智植物纤维素合成酶基因的研究进展遗传HEREDITAS(Beijing)24(3)：376～378，2002[7]吴维华《植物生理学》（第二版）科学出版社2008年8月