Amylomaltase

Verwandte Lektüre

Einführung

Transitorische Stärke in Blättern wird tagsüber in den Chloroplasten gespeichert und dann nachts zum Export abgebaut. Mehrere Gruppen haben den Stärkeabbau in intakten Chloroplasten, die aus Spinat isoliert wurden, untersucht. Frühe Experimente zeigten, dass in Anwesenheit von Phosphat die Hauptprodukte des Stärkeabbaus Triosephosphat und 3-Phosphoglycerat waren. In Abwesenheit von Phosphat kann Stärke auch in Maltose und Glukose umgewandelt werden. Stitt und Heldt (1981) zeigten, dass der phosphorlytische Stärkeabbau der Hauptweg für den Stärkeabbau ist. Daten von anderen Gruppen deuten darauf hin, dass sowohl der phosphorlytische als auch der hydrolytische Stärkeabbau wichtig sind.

Servaites und Geiger (2002) fanden heraus, dass Glukose, Maltose und Isomaltose die Hauptprodukte sind, die nachts aus den Chloroplasten mobilisiert werden, während Ritte und Raschke (2003) zeigten, dass der Stärkeabbau im Licht in den Chloroplasten der Schließzellen zu einem großen Export von Maltose führt. Weiser et al. (2003) fanden heraus, dass die Hauptprodukte, die innerhalb von 1-3 Stunden nach dem Ausschalten des Lichts exportiert wurden, Maltose und Glukose waren, Isomaltose jedoch ausgeschlossen wurde.  Die Synthese von Saccharose ist das Hauptschicksal für den Kohlenstoff, der durch den Abbau von transitorischer Stärke freigesetzt wird. Eine große Menge Maltose wird aus den Chloroplasten exportiert, was darauf hindeutet, dass es einige Enzyme im Zytoplasma geben muss, die Maltose zu Vorstufen für die Saccharosesynthese metabolisiert.

Amylomaltase ist eine Typ II 4-α-Glucanotransferase (GTase; EC 2.4.1.25), die die intermolekulare Glucanübertragungsreaktion von einem 1,4-α-Glucanmolekül auf ein anderes oder auf Glukose katalysiert. Amylomaltase wurde erstmals in Escherichia coli entdeckt und ihr Gen (malQ) wurde aus Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, Thermus aquaticus und Clostridium butyricum kloniert. Boos und Shuman (1998) zeigten, dass Maltose und Maltodextrin durch Amylomaltase (MalQ), Maltodextrin-Phosphorylase (MalP) und Maltodextrin-Glucosidase (MalZ) zu Glukose und G1P katabolisiert werden.

Das D-Enzym

Eine ähnliche Typ II 4-α-GTase, das Disproportionierungsenzym (D-Enzym), existiert ebenfalls in Pflanzen. D-Enzyme wurden erstmals in Kartoffelknollen entdeckt und anschließend in vielen Pflanzenorganen gefunden. Durch das Ausschalten des plastidischen D-enzymes wurde die Mehrheit der GTase-Aktivität in den Chloroplasten gefunden. Die plastidischen D-Enzyme sind verantwortlich für die Umwandlung kurzer Oligosaccharide in längere Ketten, um Substrate für plastidische Stärke-Phosphorylase und β-Amylase bereitzustellen. Arabidopsis-Pflanzen, die das plastidische D-Enzym (dpe1-1) fehlen, führen zur Akkumulation von Maltotriose-Maltoheptaose, jedoch nicht von Maltose.

Nachdem die Arabidopsis-Genomsequenz im Jahr 2000 abgeschlossen wurde, wurde ein weiteres Gen, das voraussichtlich 4-α-GTase kodiert, auf Chromosom 2 (At2g40840) gefunden. Dieses Gen scheint keine Zielsequenz zu kodieren, wie durch Target-P beurteilt, und das Enzym wird voraussichtlich im Zytosol vorhanden sein. Um die Funktion dieses Enzyms zu untersuchen, wurden zwei T-DNA-Knockout-Mutanten von Arabidopsis thaliana (L) Heynh. identifiziert, die vollständig das zytosolische Amylomaltase (DPE2) Transkript fehlen, und es wurde vorgeschlagen, dass der Maltosemetabolismus im Zytosol von Arabidopsis-Blättern dem Maltosemetabolismus im Zytoplasma von E. coli ähnelt.

Abbildung 1. Struktur der dpe2-1 und dpe2-2 Loci (Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004)

Diskussion

Die Natur der zytosolischen Polysaccharide, die an diesem Metabolismus in Arabidopsis beteiligt sind, ist unbekannt, aber die Fähigkeit von Heteroglykanen, Phosphorylase-Reaktionen einzuleiten, scheint wichtig zu sein. Vorteile eines zytosolischen Polysaccharidpools im Zytosol können Folgendes umfassen: (1) Als Überlauf für Kohlenhydrate (wie Maltose und Glukose), die nachts aus dem Stärkeabbau gebildet werden, wenn die Menge an Hexose die Nachfrage und den Transport von Saccharose übersteigt, und als löslicher Stärke-Pool im Zytosol. (2) Durch die Bildung von Polysacchariden wird die molare Konzentration der Gesamtsaccharide im Zytosol auf einem niedrigen Niveau gehalten, sodass die Zellen einen intrazellulären osmotischen Druck aufrechterhalten, der für ihre gesamten Stoffwechselreaktionen im Zytosol vorteilhaft ist.

Zusammenfassend ist das DPE2-Gen für den Maltosemetabolismus in Arabidopsis erforderlich. Der Maltosemetabolismus im Zytosol von Arabidopsis-Blättern ähnelt dem in E. coli. Wenn das Maltose/Maltodextrin-System des Maltosemetabolismus der primäre Mechanismus für die Umwandlung von Kohlenstoff in Stärke zu Saccharose ist, könnte die Regulation des Stärke-Metabolismus leichter verstanden werden, da die regulatorischen Mechanismen der beteiligten Enzyme aufgeklärt werden.

Abbildung 2. Hypothetischer Weg für den Abbau von transitorischer Stärke und Umwandlung in Saccharose (Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004)