第二节 半纤维素降解微生物及半纤维素酶类

无热量甜味剂；对人体肠道内 的双歧杆菌有较高的增殖作用
D-木糖
2 组成 D-甘露糖
D-葡萄糖
D-半乳糖 这些糖基形成基础链（主链），其它糖基 作为支链连接于基础链上 半纤维素只是一群糖共聚物的总称。
不同来源 半纤维素 的组成
木本植物：D-木糖、D-甘露糖、D-半 乳糖、D-阿拉伯糖、葡萄糖醛酸等 草本植物和谷类：D-木糖、L-阿拉伯糖、 D-半乳糖、D-葡萄糖
2、木聚糖降解酶的分类
根据木聚糖降解酶的催化特性可将其分 为6类： 作用于主链 β－1.4－内切木聚糖酶 作用于还原端 β－木糖苷酶（外切酶） α－L-呋喃型阿拉伯糖苷酶 α－葡萄糖醛酸苷酶 乙酰木聚糖酯酶 酚酸酯酶。
（1） β －1.4－内切木聚糖酶
不生成木糖 ①作用：切开木聚糖主链内的糖苷键，降低基质的聚合度
A：一种酶与木聚糖的结合遮掩了第二种酶与之结合 B：一种酶作用于底物改变了底物原有的分子构型
三、木聚糖酶的分子结构域 木聚糖酶分子结构可分为两种类型 单结构域酶 多结构域酶 1、催化域 1）木聚糖酶的催化域（CD）承担着酶的水解功能，并作为 该酶的分类基础 2）一般地，大部分木聚糖酶只含有一个单一的催化域，但 在自然界中也发现有些木聚糖酶含有两个催化域
②作用步骤：木聚糖
低聚木糖
木三糖，木二糖，
③根据酶理化性质 分子质量＜30Kμ的酶（通常为硷性蛋白） 分量质量＞ 30Kμ（酸性蛋白）
④ 最适条件：多数最适PH＜7.0，最适反应温度45℃－75 ℃之间。多数内切木聚糖酶能够水解聚合度值＞2的寡聚 木聚糖 ⑤ 影响因素：主链上的取代基团对酶解有促进或抑制作用
（4） α－ 葡萄糖醛酸苷酶
此酶水解葡萄糖醛酸和木糖残基之间的α－ 1.2糖苷键
（5）乙酰木聚糖酯酶
①作用位点：木糖残基C2 C3 位上的乙酰取代基因 ②酶Ⅰ在细胞外作用于木聚糖上的乙酰取代基团； 酶Ⅱ在细胞内作用于寡聚木聚糖上的乙酰取代基团 ③作用：消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间的阻碍作 用，增强内切木聚糖酶对木聚糖的亲和能力 （6）酚酸酯酶 ①此酶主要包括香豆酸酯酶，阿魏酸酯酶
2、木聚糖底物专一性 1）在木聚糖酶的活性中心含有多个能与底物结合的亚位点， 这些位点的结构，大小，数量，以及它们与催化基团的空 间关系决定该酶对不同底物的亲和力，专一性，作用方式 及酶反应的动力学参数 2）实验表明不同的木霉木聚糖酶对底物具有高度选择性 3）木聚糖酶的底物特异性包括底物组成的特异性，对特定 键水解的特异性，对带有取代基底物的特异性 4）根据木聚糖酶对底物组成特异性的不同可将其分为特异 性酶和交叉特异性酶，前者只分解木聚糖的β－1.4糖苷键， 后者除分解木聚糖的β－1.4糖苷键外还分解纤维素的β－ 1.4糖苷键
2.2 降解半纤维素的微生物

大多数的细菌和真菌——能够分泌胞外木聚糖酶，释放木 糖，为在木聚糖上生长的异养生物提供养料。 瘤胃微生物是具有潜力的半纤维素酶产生者。 瑞氏木霉，绿色木霉、粉状侧孢—有较高的胞外半纤维素 酶活性。 很多能分解半纤维素的微生物只具有内切葡聚糖酶，而缺 少外切葡聚糖酶，因而半纤维素分解能力很弱。
第二节
半纤维素降解微生物及半纤维素酶类
2.1 半纤维素的组成及基本结构
一、半纤维素
1.半纤维素：是由几种不同类型的单糖构 成的异质多聚体。单糖聚合体间分别以 共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们 与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤 维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性 的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。 是植物纤维材料中除去纤维素和果胶之 外的碳水化合物，是植物纤维原料中的 主要成分之一。
木材细胞壁的构造及组成：
瘤层 内层 中层
次生壁

外层
初生壁
中胶层

中胶层：厚约为0.2-1.0μm，位于细胞之间，负责将它们 连在一起，在成熟的木材中，中胶层是高度木化的。 初生壁：位于细胞外的初生壁是一层厚约0.1-0.2 μm壁， 由半纤维素，纤维素、果胶和完全包在木质素中的蛋白质 组成。 次生壁：分为三层，由内向外、内层，中层，外层。由包 裹在木质素和半纤维素中定位不同的纤维素纤丝组成，并 代表了纤维素合成阶段及在最初原生质中的位置，只要植 物细胞壁的天然结构保持完好，其中木质素就能防止降解 酶类接触纤维素纤丝。
3、不同水解酶之间的协同增效作用 1） α－L－呋喃糖苷酶与内切木聚糖酶协同作用 2）乙酰木聚糖酯酶与内切木聚糖酶协同作用 3）内切木聚糖酶与β－木糖苷酶之间协同作用 4）内切木聚糖酶与酚酸酯酶协同作用 5）不同的内切木聚糖酶之间协同增效作用 6）当几种酶混合在一起时，有时起协同作用，但有时无协同作用甚至起 抑制作用 抑制作用机制有两个：
（2） β－木糖苷酶
①有多种形式存在：单聚体、二聚体或四聚体
②在细菌和酵母中， β－木糖苷酶主要存在于细胞 内。 ③作用于寡聚木糖，属外切酶，主要水解短链的低 聚木糖或木二糖，并从非还原性末端释放出木糖 ④最佳底物：二聚木糖 ⑤ β－木糖苷酶是一个多功能酶
（3） α－ L－呋喃型阿拉伯糖苷酶
①存在形式多样：单体、二聚体、四聚体、六聚体、八聚 体等形式存在。 ②分为两种类型： 外切型：占多数，作用于对硝基酚－呋喃型阿拉伯糖 苷和分支阿拉伯聚糖 内切型：占少数，作用于线形阿拉伯聚糖
②香豆酸酯酶切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键
③阿魏酸酯酶切除阿魏酸和阿拉伯糖残基之间的酯键
（1） （3） （4）
（2）
二、木聚糖酶的催化特性
1、木聚糖酶作用的温度与PH 不同来源的木聚糖酶其催化特性是有差异的，它们 有不同的最适PH和最适作用温度 1）多数木聚糖酶在酸性范围内，最适温度40 ℃-60 ℃ 2）真菌木聚糖酶的耐热性通常比细菌木聚糖酶差一些。 3）酶活性的改变与PH变化关系呈现钟罩形曲线，PH通 过影响酶活性中心基团的电离程度或使酶的构型发生 变化而影响酶活性
半纤维素的应用
2、纤维素结合域（ CBD ） 1）许多木聚糖酶分子中存在着CBD，CBD中带电荷氨基酸含量较小，除甘氨酸， 天冬氨酸之外，还含有4个高度保守的色氨酸残基。 2）这些结合域起到了两个可能的作用： ①打开植物细胞壁的结构，使得酶分子能够更容易地接近底物并水解， ②提供了一种普遍的机制，使得联合的水解酶在植物细胞壁的表面积累，导致不 同的酶之间发挥协同作用。 3、木聚糖结合域（XBD） 4、连接序列 5、热稳定域 6、纤酶小体结合域 ① 许多降解纤维素的厌氧细菌产生的纤维素酶和木聚糖酶往往聚集成与细胞壁 相连的四级结构复合物，称之为纤酶小体 ②作用：它可将细菌细胞吸附于纤维素物质的表面并用速分解之，并使菌体细胞 快速有效地吸收水解产物。
三、半纤维素的分类
1 对碱的溶解性不同 半纤维素
24% KOH 不溶
聚葡萄糖甘露糖 聚半乳糖葡萄糖甘露糖 木聚糖
Ba2+配合物
溶解
2、根据主链的糖基不同 如木聚糖、聚葡萄糖甘露糖， 聚半乳糖葡萄糖甘露糖类等。
析出
木聚糖
聚半乳糖葡萄糖甘露糖
四 木聚糖类
线状分子与直链无分支 一样吗？？
1 木聚糖：主链为β-D-吡喃木糖以β-1,4-糖苷键连接而成的 线状分子，分子量约30000（200个糖单位），白色无定 形粉末，不溶于冷水，溶于稀碱溶液。 2 木聚糖是各种半纤维素中的主要成分。木聚糖类广泛存在 于自然界，几乎所有植物中都含有。木聚糖在植物细胞壁 中的含量仅次于纤维素。 3 不同植物所含木聚糖多少也有所差别 一般硬材中所含的木聚糖比软材中多，硬材能占干重的 15%-30%。 一些一年生植物如小麦，甘蔗，棉花的籽壳中，木聚糖 含量非常高，一般能高达30%以上。
4 同聚多糖与异聚多糖
5 木聚糖分类：
硬木木聚糖—Байду номын сангаас 组成单位： O－乙酰－4－O－甲基葡萄糖醛酰木糖
聚合度：150-200 高度乙酰化，发生在C3位
软木木聚糖—— 组成单位：阿拉伯－4－O－甲基葡萄糖醛酰木聚糖残基
聚合度：70-130 非乙酰化
组成单位：L－呋喃型阿拉伯糖基、 4－O－甲基－D－吡喃葡萄糖醛酸基 草木类木聚糖—— 聚合度：70-130



胞外半纤维素酶活力较强的微生物——曲霉，枯草杆菌， 厌氧性的梭状芽孢杆菌。
2.3 半纤维素降解酶
1 木聚糖降解酶系的多样性
（1）由于来源的不同，故木聚糖酶的组成，性质均不相同 （2）木聚糖本身结构的杂合性决定了它不可能被任何一种单 杀鸡焉用宰牛刀！！ 一的酶类彻底降解。 （3）木糖苷连接键本身不都是等价的。木聚糖降解酶对于它 们的接近性也不是等同的 （4）由于同种异形酶或同基因的不同等位基因的产物，经过 翻译后修饰和加工形成同工酶。
二、纤维素和半纤维素化学结构的差别
1、由不同的糖单元组成，纤维素只含 有葡萄糖，为同聚多糖。半纤维素 组成不同 含有多种糖，可能为同聚多糖，也 可以为两种或多种单糖形成的杂聚 多糖。 2、糖链链长的聚合度不同，纤维素的 长短不同 糖链较长，半纤维素的链长较短。 3、两类物质的分子中分支不同，纤维 素无分支，半纤维素有分支，有的 形状不同 单糖只出现在支链上。