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1、任.1 k 研究生课程作业（综述）题目：纤维素酶的结构与功能食品学院食品工程专业学 号学生姓名课 程 食品酶学指导教师二。一三年十二月纤维素酶的结构与功能摘要：人类的生命活动离不开酶，生物体的一切新陈代谢活动都离不开酶， 并且工业酶产业正在迅速发展。本文简单阐述了酶的结构与功能，重点以纤 维素酶为例子，阐述它的来源、结构、分类、催化机制以及在各行业的应用, 并对纤维素酶的发展前景作了一定展望。关键词：纤维素酶 结构 家族 功能The structure and function of cellulaseAbstract:Humairs life activities is dependent
2、on the eiizyme.and all the metabolic activity of oigamsms caimot leave the enzyme, and industnal enzyme mdustiy is developing lapidly.This article simply expounds the stiucture and ftinction of eiizymes.The key to cellulose enzyme as an example,expounds its soutce,structure, classification,catalytic
3、 meclianism and application in various industries,and lastly expect the development prospect of cellulase.Keywords: cellulase structure familyfiinction1前言酶是生物体组织或细胞内具有特殊催化活性的蛋白质，亦称生物催化剂。 根据蛋白质分子的组成和盘曲折叠方式，可以将酶分为一级结构和高级结构 （二级结构和三级结构），与酶的催化功能密切相关，结构的改变会引起酶催 化作用的改变或丧失。1955年Sanger等报导了胰岛素的氨基酸序列，人们开 始把视线注
4、意在酶的结构上。随后1963年，核糖核酸酶的一级结构被测定， 之后用 X-ray crystallography 测定了 nbonulease, lysozyme, chymotrypsin, trypsin, papam和carboxypeptidaseA的三级其至四级结构。一级结构就是指蛋 白质分子中肽链的氨基酸残基的排列顺序，由于半胱氨酸侧链的筑基经氧化 后，能形成一ss一键，因此在蛋白质分子的链内或链间都有可能形成二硫 键；二级结构指蛋白质分子的肽链本身三维空间的规律性；三级结构就是蛋 白质的二级结构按照一定方式再盘曲折叠，并通过氢键和疏水键维系的结构。 且酶蛋白的一级结构是基础，但必
5、须有一定的空间构型（一般指二级、三级 结构）时才呈现活性囚。酶的基本组成单位是氨基酸，20种氨基酸按不同顺序排列组合而成具有 一定空间结构的多肽链，各种氨基酸还具有不同的侧链，各种侧链乂有不同 的化学反应性。它们的相互作用形成各种化学键，如离子键、氢键、疏水键 等。酶分子的特定化学结构反映了一定的催化功能。酶与那些化学催化剂相 比，有一些显著的催化功能，比如高效催化能力，以及在温和反应条件下的 高度选择性。在有机合成领域，酶己经被作用催化剂选择性的合成有机混合 物。所有的天然高分子聚合物生产都是通过酶的体内催化得到的2】。1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据
6、酶所催化的反应 类型和机理，把酶分成6大类。如表1所示：表1酶的分类及其反应本质大类反应本质亚类亚一亚类氧化还原酶电子转移供体中被氧化基 团的性质受体的类型转移酶基团转移被转移基团的性 质被转移的基团的 进一步描述水解酶水解被水解的键的类 型（能键、肽键）底物的类型：糖 昔、肽等裂合酶键裂开被裂开的键：C-S、C-N等被消去的基团异构酶异构化反应的类型底物的类别、反应 的类型和手性的 位置连接酶键形成被合成的键：C-C、C-O、C-N 等底物S1、底物S2、 第三底物（共底 物）儿乎是核昔酸自然界中，一切生命现象都与酶有关，生物体的新陈代谢过程都在酶的 催化作用下进行，并受酶的控制和调节。如果
7、离开了酶，新陈代谢就不能进 行，生命也就停止。因此，酶学的研究有着重大的理论和实践意义。近年来, 分子生物学领域，在不断涌现的新方法和新技术的推动下，使酶的结构与功 能的关系愈加清晰。本文以纤维素酶为具体例子，详细介绍了纤维素酶的来 源、结构、催化机制、应用等内容。2纤维素酶的概念自1906年从蜗牛消化道发现纤维素酶以来，陆续报道了细菌、放线菌、 统状真菌等许多微生物中纤维素酶的存在。1954年开始，美军Natick实验室 就己研究了军用纤维素材料微生物降解的防护问题，后来发现纤维素经微生 物降解后，可产生经济、丰富的生产原料，且有望解决自然界不断产生的固 体废物问题，于是纤维素酶得到了广泛的
8、关注。2.1纤维素酶的来源不同的微生物合成的纤维素酶在组成上有显著的差异，对纤维素的降解 能力也大不相同。自然界可以产生纤维素酶的微生物主要有细菌、放线菌、 真菌等。由于放线菌的纤维素酶产量极低，研究很少；细菌的产量也不高， 且主要是内切葡聚糖酶，大多数菌所产纤维素酶对结晶纤维素没有活性，另 外，所产生的酶是胞内酶或吸附于细胞壁上，很少能分泌到细胞外，增加提 取纯化难度，在工业上很少应用。目前，用于生产纤维素酶的微生物菌种大 多都是统状真菌,其中产酶活力较强的菌种为木霉属(Tnchoder-ma).曲霉属 (Aspergillus)和青霉属(Penicillium),特别是里氏木霉(Trich
9、oderma reesei)及其近 缘菌株较为典型。幺幺.状真菌具有产酶的诸多优点：产生的纤维素酶为胞外酶, 便于酶的分离和提取；产酶效率高，且产生纤维素酶的酶系结构较为合理； 同时可产生许多半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等。同时，其生长环境粗放、酶 易提取，且菌株安全无毒，因而里氏木霉被公认为是最具有工业应用价值的纤 维素酶生产菌。2.2纤维素酶的结构关于纤维素酶的结构，第一次报道是Petteisson和Bhikliabhai关于里氏木 霉的I型外切纤维素酶的氨基酸序列中，发现其与来自同物种的内切葡聚糖酶 相关4。幺幺.状真菌所产的典型游离纤维素酶分子具有多结构域的构架，包括碳 水化合物结合模块
10、(Cellulose-binding module, CBM),其通过柔性的连接肽 (Linker)连接至催化结构域(Catalyticdomam, CD)上，另外部分酶分子还含 有其他结构域。构成厌氧细菌纤维小体的纤维素酶分子一般由一个对接模块 (Dockerm)通过连接肽与一个催化结构域(CD)连接，其中对接模块可与支架 蛋白(Scaffoldm, 乂称作脚手架蛋白)的粘连模块(Cohesin)结合，而支架蛋白 一般还会存在一个cbm5】。CBM在结合及降解天然纤维素的过程中具有重 要作用；而CD则主要是催化糖昔键的断裂。纤维素酶包括三个酶活性：内 切葡聚糖酶(Endoglucanase,
11、 EG； EC3.2.1.4),可以切断纤维素链的p-1,4键； 外切葡聚糖酶(Cellobiohydiolase , CBH ； EC 3.2.1.91 , EC3.2.1.176)又称纤 维二糖水解酶，可以移除自由链端的纤维二糖；葡萄糖昔酶(P-glucosidase , BGL： EC 3.2.1.21),可以水解纤维二糖成为葡萄糖单元回。不同来源、不同组分的纤维素酶分子量差别较大，如Geotnchum candidum 产生的一种内切葡聚糖酶，其分子量为130000D,而斜卧青霉的EG的一个组 分，分子量仅24000D。纤维素酶分子的一级结构都具有类似的结构，即由球 状的催化结构域、链
12、结区和纤维素结合结构域(CBD)三部分组成。从酶分 子的高级结构来说，不同来源的酶分子乂具有不同的高级结构。如Clostridium cellulovorans包括两个多纤维素酶体，每个小体乂都包含9个相同组分的亚单 位，而其中一个小体的酶活性是另一个小体活性的4倍，足以说明纤维素酶 组成的复杂性E。2.3纤维素酶的家族根据蛋白质结构域中氨基酸序列的相似性，将不同物种来源的碳水化合 物活性酶类(Carbohydiate-Active eiiZYmes, CAZy)分成不同的蛋白质家族，将 蛋白质氨基酸序列相似度高于30%的归为同一 GH家族。其中糖昔水解酶现 己有131个家族，纤维素酶类分布在
13、至少17个GH家族中，是糖昔水解酶 数据库中家族数目最多的一类水解酶类。不同家族的纤维素酶具有不同的演 化历史和进化起源，因此不同GH家族之间的亲缘关系不同，有的亲缘关系比 较近，如GH7家族只含有真菌的水解酶类，GH8家族只含有细菌产生的水 解酶类等；有的亲缘关系较远，如GH9家族的纤维素酶，产生该类酶的生物 种类广泛，有细菌(包括好氧菌和厌氧菌)、真菌、植物与动物(原生动物与 白蚊)，另外GH5与GH12家族的成员也广泛分布于古菌、细菌与真菌三类 生物中。不同的微生物产生的纤维素酶屈于不同的类别，如隶属于统状真菌的瑞 氏木霉Trichodenna Reesei (红褐肉座菌Hypocrea
14、 jecorina的无性型)，其分泌 的纤维素酶主要分布于GH5, GH6, GH7, GH12, GH45与GH61家族； 放线菌中的褐色高温单抱菌Thennobijula fusca主要有来自GH5, GH6, GH9 与GH48家族的相关纤维素酶基因；而好氧细菌中哈氏噬纤维菌Cytophaga hutchinsonii主要产生GH5与GH9家族的相关纤维素酶同；厌氧细菌中的 热纤梭菌 Clostridium thermocellum 主要产生 GH5, GH8, GH9 与 GH48 家 族的相关蛋白。同一家族具有相同的催化断键机制，同一族系，甚至不同族 系都可能会具有相同的断键机制9】
15、。表2列出了部分主要纤维素酶家族的蛋白 结构折叠类型、催化机制及其他主要信息。表2主要纤维素酶家族的基因序列、拓扑结构、催化机制及其成员信息统计 表GH fondlyNumber of gene sequenceNumber ofPDBV stmchires3D structure statusClanscopbftddCatalytic mechanismCatalytic proton den orCatalytic nudcopldlc/ base860426/8(a/a*GHMiivcitingGluAsp9144826/10(a/a)6a/a toroidInvertingAspGlu4S16212/3（时砺GH-MInvertingGlu63933P/P7-stranded |Va barrelnvertingAspAsp452158/4a.Double psi Bbarr&InvertingAspAsp74P4745/9b jelly rollGH-BConcanavalm A -likeRetainingGluGlu1231033/12bl div rollGH-CleciinsfglucaiBses
