内肽酶与植物生理活动关系的研究进展

摘要：内肽酶是蛋白水解酶的一种，参与到植物的各种生理活动中。结合植物衰老、生物胁迫、非生物胁迫等生理活动，本文阐述内肽酶的相关研究进展。

关键词：内肽酶；蛋白质降解；生理活动

蛋白质降解和更新贯穿植物整个生命过程，以适应不同生长发育时期或生长条件的需要，如种子萌发阶段、植株生长和衰老及氧化胁迫等。研究表明，蛋白质的降解是由一系列错综复杂的蛋白质降解途径来完成，这需要蛋白酶包括内肽酶的参与[1]。

1 内肽酶的类型

蛋白水解酶可分为两大类，内肽酶和外肽酶。内肽酶根据其活性基团的特性一般可分为以下5种。1.1 丝氨酸内肽酶

丝氨酸内肽酶的活性中心有一个丝氨酸，其上的羟基攻击底物上的羧基碳原子从而引发反应。植物类丝氨酸内肽酶主要有三类，包括Clp蛋白酶，枯草杆菌蛋白酶，关键酶。

1.2 半胱氨酸内肽酶

半胱氨酸内肽酶是一类重要的蛋白酶家族，其催化活性位点含有亲核的半胱氨酸残基，可不依赖底物的结合而处于电离状态。到目前为止，植物体内报道的内肽酶大都属于半胱氨酸蛋白酶类，主要功能为周转和运输蛋白质[2]。

1.3 天门冬氨酸内肽酶

天门冬氨酸内肽酶亲核基团是一个被启动的水分子，而不是由氨基酸的亲核侧链提供。天门冬氨酸内肽酶广泛分布在各类植物中，在大麦组织器官及其种子和种子萌发过程中均能检测到天门冬氨酸内肽酶。[3]

1.4 金属内肽酶

金属内肽酶的is、Glu、Asp或者Lys形成金属离子的配体，其功能在于催化，通过启动水分子亲核攻击断裂的肽键[4]。其广泛存在于植物体的各种器官或组织，主要是植物的幼嫩部分中，是质体酶。

1.5 苏氨酸内肽酶

在真核生物中，泛素蛋白酶体通路是蛋白质选择性降解的主要方式，已经被泛素化的蛋白需要26S蛋白酶体的降解。26S蛋白酶体是一个分子量较大、沉降系数为26S、具有多催化活性的蛋白质，重要功能是将已经泛素化的蛋白质降解成分子量较小的多肽或氨基酸。研究发现，它催化反应的时候需要苏氨酸残基的羟基作为亲核基团，因此被命名为苏氨酸蛋白酶[1]。

2 植物内肽酶的生理生化功能

2.1 内肽酶与植物生长发育

植物细胞中总蛋白的半衰期为5-8天，其降解产物是新蛋白质合成的重要来源，这就需要蛋白水解酶包括内肽酶的参与。

研究表明，多种内肽酶参与种子萌发过程中贮藏蛋白的降解或加工，为新生组织生长提供所需的大部分氨基酸。种子萌发和幼苗早期形成过程中，内肽酶前体在糙面内质网内形成，穿过内膜系统转移至蛋白体中，被启动之后调节种子蛋白的降解[5]。

2.2 内肽酶与植物生物胁迫

研究表明，多种内肽酶在植物病原菌诱导的PCD过程中发挥重要作用，如半胱氨酸内肽酶，丝氨酸内肽酶subtilisins等[6]。

内肽酶在植物抗病过程中的作用体现在以下三个层次：信号识别，信号转导和信号执行。信号识别机制主要有三种可能性：a生物入侵后，蛋白酶调节入侵物释放激发子；b蛋白酶水解启动激发子的特异性结合，启动下游信号；c蛋白酶和激发子结合形成复合物，诱导下游信号转导，而自身活性被抑制。然后蛋白酶通过释放正调节因子或者降解负调控因子发挥信号转导作用。最后是信号执行阶段，蛋白酶直接降解来自入侵物的蛋白，释放肽毒素，或者启动前体蛋白酶。在入侵部位，活性达到很高水平。papain-like protease参与每个步骤，而半胱氨酸内肽酶可能主要在信号转导过程中发挥重要作用。由此表明，蛋白酶，尤其是半胱氨酸内肽酶在信号转导中发挥重要作用，但这些酶是怎样被调控的？底物是什么？这些问题还不清楚。

2.3 内肽酶与植物非生物胁迫

盐胁迫诱导日中花半胱氨酸内肽酶cDNA的累积。采用抑制剂和Northern Blotting等方法分析了干旱胁迫下两种豆类内肽酶的变化情况发现，大豆（干旱敏感型）和豇豆（耐旱型）叶片中主要是天冬氨酸内肽酶，前者酶活性显著增强，蛋白质含量降低叶片内代谢紊乱，而后者则缓慢升高，说明天冬氨酸内肽酶在干旱胁迫诱导的蛋白质降解过程中发挥重要作用。

镉处理豌豆植株后，叶片细胞内蛋白被氧化且含量显著升高，如Rubisco，谷胱甘肽还原酶，Mn-SOD，CAT等，细胞过氧化物酶体内肽酶活力明显升高，乙醛酸循环相关酶、苹果酸合酶和异柠檬酸裂解酶活性也增强[7]。

2.4 内肽酶与植物衰老

蛋白质的降解是植物衰老的重要特征之一，促进了氨基酸的周转再利用，同时有些蛋白质的降解产物还具有调控细胞内关键酶的合成、产生生物活性物质等多种作用。不同植物衰老过程中，内肽酶的表达有着显著的差异。如小麦叶片中金属依赖型半胱氨酸型内肽酶活性最强，欧芹和黄瓜叶片中以丝氨酸

型内肽酶为主。[8]

衰老叶片叶绿体内某些蛋白质降解的主要步骤发生在叶绿体内，且在叶绿体内发现了多种内肽酶。如叶绿体内基质蛋白的降解需要半胱氨酸型内肽酶和金属内肽酶的参与，而内囊体结合蛋白的降解需要丝氨酸型内肽酶。ClpP是叶绿体内非常重要的一种依赖于ATP的高度保守丝氨酸内肽酶，主要参与定位错误的蛋白质、可溶的基质蛋白、新插入或代谢更替的蛋白质降解，比如降解未组装的蛋白质。因此，究竟叶绿体内蛋白质是在什么部位，通过什么途径、被哪些酶降解的问题至今仍不甚清楚。

3 展望

内肽酶在植物的生长发育，逆境胁迫响应等事件中发挥重要的作用，参与调节蛋白质的降解和加工，促进氨基酸的周转和再利用，还具有信号转导的功能。目前，多种角度研究内肽酶有助于更好地揭示内肽酶的功能。

参考文献

[1]Beers EP， Woffenden BJ. Zhao C. Plant proteolytic enzymes：possible roles during programmed cell death[J]. Plant Mol Biol， 2000， 44： 399-415

[2]职占锋，刘民强.蔬菜耐盐性研究进展[J].长江蔬菜，2006，04

[3]Beligni MV， Fath A， Bethke PC， Lamattina L. Nitric oxide acts as an antioxidant and delays programmed cell death in barley aleurone layers[J]. Plant Physiol， 2002， 129：1642-1650

[4]Pedroso M C， Durzan D J. Effect of different gravity environments on DNA fragmentation and cell death in Kalanchoe leaves[J]. Annals of Botany， 2000， 86： 983-994

[5]张列峰.小麦叶片中Rubisco大亚基的降解及相关蛋白水解酶的研究[D].南京：南京农业大学，2006，34

[6]H？rtensteiner S， Feller U. Nitrogen metabolism and remobilization during senescence[J]. Journal of Experimental Botany， 2002， 53： 927-937

[7]CaroA， Puntarulo S. Nitric oxide generation by soybean embryonic axes： possible effect on mitochondrial function[J]. Free Rad Res， 1999， 31： 205-212

[8]张鹏，王飞，徐朗莱，等.黄瓜叶片生长期间内肽酶活性和同工酶变化及其生化特性[J].南京农业大学学报，2007，30（2）：49-54

作者简介：钟军华（1982-），男，汉族，江西南昌人，硕士，江西工业职业技术学院，助讲，研究方向：食品营养与检测。