磷酸酶的基本性质和功能

作者：张馨予

磷酸酶（phosphatase）是一种能够将对应底物去磷酸化的酶，即通过水解磷酸单酯将底物分子上的磷酸基团除去，并生成磷酸根离子和自由的羟基。磷酸酶的作用与激酶的作用正相反，激酶是磷酸化酶，可以利用能量分子，如ATP，将磷酸基团加到对应底物分子上。在许多生物体中都普遍存在的一种磷酸酶是碱性磷酸酶。

诱导并分泌酸性磷酸酶是植物应对低磷环境的重要适应性反应之一。酸性磷酸酶可以从不同的有机磷底物上水解磷酸基团，供植物吸收利用。大多数的植物酸性磷酸酶没有明显的底物特异性，可以水解的底物包括 RNA、DNA、3-磷酸甘油酸、磷酸己糖等。体外实验中，从拟南芥、番茄中纯化的酸性磷酸酶的酶活力都受到了缓冲液中高 Pi 浓度的抑制，进一步研究发现酸性磷酸酶水解产生的 Pi 可以负反馈抑制大多数酸性磷酸酶的活性。酸性磷酸酶也可以分解一些特殊的有机磷底物，产物可以显现特异的颜色，如 5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸盐（5-Bromo-4-Chloro-3-Indolyl Phosphate，BCIP，蓝色）、萘酯磷酸盐（β-NaphthylAcid Phosphate，β-NAP/Fast black K，紫红色）、对硝基酚磷酸二钠（p-NitrophenolPhosphate，pNPP，黄色）。通过反应产物颜色的深浅，可以判断酸性磷酸酶的活性高低。运用这一方法可以筛选对低磷胁迫反应异常的突变体。低磷诱导的酸性磷酸酶可以分为两类：作用于细胞内的酸性磷酸酶和分泌到细胞外的酸性磷酸酶。二者的共同作用保证了植物更好地应对低磷胁迫。细胞内的酸性磷酸酶可以通过两个途径实现体内磷的再循环：一是将植物液泡内的有机磷转化为 Pi。正常情况下，植物中大部分的磷储存在液泡中，细胞质中的 Pi 含量维持在一定范围内。当植物受到低磷胁迫时，植物体内的 Pi 含量不断下降，液泡中正常情况下被高磷环境抑制的酸性磷酸酶的酶活力恢复，水解液泡中储存的有机磷并通过液泡膜上的磷转运蛋白向细胞质分泌，维持细胞质中 Pi 含量的动态平衡。另一个实现体内磷循环的途径是将衰老的组织中的磷活化再利用转运到幼嫩组织。Robinson 等人报道了，拟南芥紫色酸性磷酸酶 AtPAP26 就参与了衰老组织中磷的再利用过程。分泌型的酸性磷酸酶的主要作用是分解土壤环境中的有机磷底物释放出可以供植物直接吸收利用的 Pi。通常情况下，分泌型的酸性磷酸酶比细胞内的酸性磷酸酶更加稳定。分泌型的酸性磷酸酶的 pH 活性范围（活性高于 50%）是 4.0-7.6，温度活性范围（活性高于 80%）是 22℃-48℃。这保证了它们能够更高效、更持续地在复杂的土壤介质中发挥作用。有报道称，土壤中植物可以直接吸收利用的 Pi，80%来源于分泌到胞外的酸性磷酸酶对土壤中有机磷底物的分解，足以见得酸性磷酸酶的重要性。

分泌型的酸性磷酸酶按照其最终发挥作用的位置又可分为释放到环境介质中的酸性磷酸酶和附着在根表面的酸性磷酸酶。分泌到介质中的酸性磷酸酶相对而言更易于研究，是因为可以通过悬浮细胞培养或者幼苗培养的方法，收集液体培养基中的分泌蛋白。通过生化的方法富集、分离、鉴定出不同的酸性磷酸酶，并进行相关的遗传和生理分析。近些年通过类似的研究方法，科学家们已经从多种不同的物种中鉴定得到了许多酸性磷酸酶，这些物种包括白羽扇豆、菜豆、烟草、以及拟南芥。但附着在根表面的酸性磷酸酶相对而言比较难于研究，因为很难得到大量的蛋白进行生化分析，只有遗传学的方法是最为有效的研究手段。附着在根表面的酸性磷酸酶可以被一种人工合成的有机磷底物BCIP特异性地检测出来。在拟南芥根表面，覆盖一层含有0.01% BCIP、0.5%琼脂的溶液，室温放置过夜后，可以看到拟南芥根的表面被染成蓝色，蓝色的深浅程度反映出拟南芥根表面酸性磷酸酶活性的高低。根表面BCIP染色的方法被广泛应用于与低磷响应相关的突变体的筛选中，比如：pup1、pup2和pup3突变体先后在1998年和2004年被报道，遗憾的是它们各自的突变基因没有被鉴定出来。