纤维素酶分子结构及作用机理的研究进展

期 内 仅 对 纤 维 素 酶 的 结 构 域 进 行 拆 分 。 １９８６ 年 Ｔｉｌｂｅｕｒｇｈ［２］用 木 瓜 蛋 白 酶 有 限 酶 切 里 氏 木 霉（Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ）的 纤维二糖水解酶， 即外切酶分子， 得到两个具有独 立活性的结构域： 一个具有催化功能的结构域 （Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ， ＣＤ）， 另 一 个 是 具 有 结 合 纤 维 素 功 能的结构域（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｄｏｍａｉｎ， ＣＢＤ）， 两者之 间由一段高度糖基化的ｌｉｎｋｅｒ相连［３－ ４］。整 个分子呈 楔 形， 球状核区表示包含催化位点和底物结合位点的 ＣＤ区［５］。
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ｖｅｒｔｉｎｇ － Ｅｎｚｙｍｅ － Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙ ａｎｄ Ａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｐｅｐｔｉｄｅｓ ｆｒｏｍ Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｈｅｌｖｅｔｉｃｕｓ ＰＲ４ Ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ－ Ｈｙｄｒｏｌｙｚｅｄ Ｃａｓｅｉｎｓ ｏｆ Ｍｉｌｋ ｆｒｏｍ Ｓｉｘ Ｓｐｅｃｉｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏ－ ｂｉｏｌ，２００３，６９（９）：５２９７－ ５３０５ ［１８］ Ｇｏｂｂｅｔｔｉ Ｍ， Ｆｅｒｒａｎｔｉ Ｐ， Ｓｍａｃｃｈｉ Ｅ． Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎ－ ｇｉｏｔｅｎｓｉｎ － Ｉ － Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ － Ｅｎｚｙｍｅ － Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙ Ｐｅｐｔｉｄｅｓ ｉｎ Ｆｅｒｍｅｎｔｅｄ Ｍｉｌｋｓ Ｓｔａｒｔｅｄ ｂｙ Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｄｅｌｂｒｕｅｃｋｉｉ ｓｕｂｓｐ ｂｕｌｇａｒｉｃｕｓ ＳＳ１ ａｎｄ Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ ｌａｃｔｉｓ ｓｕｂｓｐ Ｃｒｅｍｏｒｉｓ ＦＴ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ，２０００，６６（９）：３８９８－ ３９０４ ［１９］ Ｃｌａｒｅ ＤＡ， Ｓｗａｉｓｇｏｏｄ ＨＥ． Ｂｉｏａｃｔｉｖｅ ｍｉｌｋ ｐｅｐｔｉｄｅｓ：ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔｕｓ［Ｊ］．Ｄａｉｒｙ Ｓｃｉ，２０００，８３：１１８７－ １１９５ ［２０］ 王春凤，殷文政，王和平，等．抗人轮状病毒和大肠杆菌免 疫乳持续性研究［Ｊ］．食品科学，２０００，（５）：４２－ ４３
纤 维 素（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）是 植 物 细 胞 壁 的 主 要 组 分 之 一 ， 占 植 物 秸 秆 干 质 量 的４０％～５０％。它 对 增 强 细 胞 壁 的 机械支撑强度、维持不透水性以及抗逆性有重要的 功 能 作 用 ［１］。 纤 维 素 酶 （Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）是 降 解 纤 维 素 的 一 组 酶系的总称， 而纤维素是地球上数量最大但又未得 到充分利用的一类多糖， 微生物对它的降解、转化 是自然界碳素循环的主要环节。近年来随着对纤维 素酶研究的深入， 以及越来越多的性质不同的纤维 素酶的发现， 使得纤维素酶的应用日益广泛。但是 由于对纤维素酶的结构、功能特别是降解纤维素的 作用机制还缺乏足够的了解， 使得对纤维素酶的研 究和高效应用存在很大的局限。由于分子生物学技 术的兴起， 使得人们能在基因水平上对纤维素酶类 多样性的进化起源有了更进一步的研究。
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［１４］ Ｍｉｑｕｅｌ Ｅ，Ｇｏｍｅｚ ＪＡ，Ａｌｅｇｒｉａ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｓｅｉｎ ｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓ ｒｅｌｅａｓｅｄ ａｆｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ｏｆｍｉｌｋ － ｂａｓｅｄ ｉｎｆａｎｔ ｆｏｒｍｕｌａｓ ［Ｊ］．Ａｇｒｉｃ Ｆｏｏｄ Ｃｈｅｍ， ２００５，
大多数纤维素酶都是这样， 只有少数微生物和 高 等 植 物 产 生 的 纤 维 素 酶 不 具 有 这 类 结 构 域 ， 如Ｔ． ｒｅｅｓｅｉ的 ＣＢＨＩ 就 没 有 ＣＢＤ结 构 域 。 通 常 认 为 ＣＢＤ对 高 效降 解纤维素起到关键的作 用， 但Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ在 没 有ＣＢＤ的 情 况 下 仍 具 有 水 解 纤 维 素 的 活 性 ， 在 Ｔ． ｒｅｅｓｅｉ的ＥＧ１的 酶 解 过 程 中 也 观 察 到 同 样 的 现 象 。 此 外 ， Ｈｕｍｉｃｏｌａ ｉｎｓｏｌｅｎｓ 的 ＥＧ５ 和 Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎｎａｓ ｆｉｍｉ 的 ＣｅｎＥＧ都并未发现具有ＣＢＤ结构， 但仍然具有水解酶 活性。这些实验证明， 在有些外切和内切酶中ＣＢＤ对 酶 的 催 化 活 力 是 非 必 需 的［６］。 ２．１ 催化域的结构（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ， ＣＤ）
５３（９）：３４２６－ ３４３３ ［１５］ Ｄｉａｚ Ｍ， Ｄｅｃｋｅｒ ＥＡ． Ｃａｓｅｉｎｏｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｅｌｌ
ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ［Ｊ］． Ｂｉｏｆａｃｔｏｒｓ，２００４，２１（１－ ４）：７３－ ８ ［１６］ Ｘｕ ＲＪ． Ｂｉｏａｃｔｉｖｅ ｐｅｐｔｉｄｅｓ ｉｎ ｍｉｌｋ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ
１２ Ｎｏ． ７． ２００７
专题论述
（１．Ｃｏｌｌｅ ｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ ， Ｓ ｏｕｔｈｗｅ ｓ ｔ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１６； ２．Ｃｉｔｒｕｓ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ， Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ａｃａ ｄｅ ｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１２）
［９］ 杨炳壮，梁贤威，曾庆坤，等．从世界水牛发展现状看我国奶 水牛业的发展趋势［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集：７３－ ８４
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专题论述
纤维素酶分子结构及作用机理的 研究进展
刘树立１， 王 华２＊， 王春艳１， 盛占武１ （１．西南大学食品科学学院， 重庆 ４００７１６； ２．中国农业科学院柑橘研究所， 重庆 ４００７１２）
摘要： 纤维素是自然界中存在最广泛的一类碳水化合物， 同时它也是地球上数量最大的可再生资源。
利用微生物生产的纤维素酶将其转化为人类急需的能源、食物和化工原料， 对于人类社会解决环境污
染、食物短缺和能源危机具有重大的现实意义。综述了纤维素酶的分子结构、作用机理的研究进展。
关键词： 纤维素； 纤维素酶； 分子结构； 作用机理
中图分类号： ＴＳ２０１
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００５－ ９９８９（２００７）０７－ ００１２－ ０４
Ｐ ｒｏｇｒｅ ｓ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅ ｃｕｌａ ｒ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｎｄ ｍｅ ｃｈａ ｎｉｍ ａ ｂｏｕｔ ｃｅ ｌｌｕｌａ ｓ ｅ
目前已经 被 阐 明 的 催 化 结 构 域 是Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ ＣＢＨⅡ 的催化域结构， 它是由α／β组成的筒状结构： 由５个α 螺 旋 和７条β链 组 成 ， 活 性 部 位 由 两 个 延 伸 至 表 面 的 环（ｌｏｏｐ）以形成一个隧道状（ｔｕｎｎｅｌ）结构， 长度大约２ｎｍ， 包含４个结合位点， 水解糖苷键发生在第２和第３结合 位点之间； Ｔｈｅｒｍｏｍｏｎｏｓｐｏｒａｆｕｓｃａ的ＥＧ２尽管和Ｔ．ｒｅｅｓｉ ＣＢＨⅡ属于同一家族， 但在活性部位的组织结构却有 一点显著的不同， 它的活性位点表面没有一个由环 覆 盖 的 结 构 ， 因 此 它 更 象 是 一 个 沟 槽（ｇｒｏｏｖｅ）而 不 是 一个 “隧道”［７］。所有属于ＥＧ家 族 的 环 结 构 都 缺 失 ， 而属于ＣＢＨ家族的正好相反， 都有一个环结构。普遍 认为， 正是由于ＣＢＨ拥有这样一个环结构形成的 “隧 道”， 它能连续地催化几个糖苷键的断裂。
１ 纤维素酶的作用类型［２］
纤维素酶由三类不同催化反应功能的酶组成， 根据其催化功能的不同可分为： ①内切葡萄糖苷酶 （ｅｎｄｏ－ １，４－ β－ Ｄ－ ｇｌｕｃａｎａｓｅ， ＥＣ３．２．１．４， 来自真菌的简 称ＥＧ， 来 自 细 菌 的 简 称Ｃｅｎ）， 该 类 酶 能 随 机 地 在 纤 维素分子内部降解β－ １，４糖 苷键； ②外切葡萄糖苷酶 （ｅｘｏ－ １，４－ β－ Ｄ－ ｇｌｕｃａｎａｓｅ， ＥＣ３．２．１．９１， 来自真菌的简 称ＣＢＨ， 来自细菌的简称Ｃｅｘ）， 它能从纤维素分子的 还原或非还原端切割糖苷键， 生成纤维二糖； ③纤 维 二 糖 酶（３－ Ｄ－ ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ， ＥＣ３．２．１．２１， 简 称 ＢＧ）， 它把纤维二糖降解成单个的葡萄糖分子。
只有在这三类酶的协同作用下， 最终才能把纤 维素分子降解成葡萄糖。微生物特别是真菌能产生 这类酶的复合物， 从而把纤维素分子降解为葡萄糖 分子为自己所利用。
２ 纤维素酶的分子结构
对纤维素酶分子结构和功能的研究是从 ２０ 世 纪 ８０ 年代开始的， 由于 来 源 于 真 菌 的 纤 维 素 酶 大 多 是 糖蛋白， 难以得到完整纤维素酶晶体， 很长一段时
ＣＤ体现了催化 活 性 及 对 特 定 水 溶 性 底 物 的 特 异 性， 尽管不同来源纤维素酶的分子量大小差别很大， 但它们催化区的大小却基本一致。
ＬＩＵ Ｓｈｕ－ ｌｉ１， ＷＡＮＧ Ｈｕａ２＊， ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ ｙａｎ１， ＳＨＥＮＧ Ｚｈａｎ－ ｗｕ１
收稿日期： ２００６－ １２－ ０４
＊通讯作者
作者简介： 刘树立（１９８１－ ）， 男， 硕士研究生， 研究方向为农产品加工与发酵研究。
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［６］ 王长青．我国水牛奶业开发前景及对策［Ｊ］．中国畜牧杂志， ２００４，（４）：３７－ ３９
［７］ 张 新 时．中 国 高 速 发 展 奶 水 牛 业 的 建 议［Ｍ］．第 五 界 亚 洲 水牛大会论文集
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Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｃｅｌｌｕｌｏｓ ｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓ ｔ ａｂｕｎｄａｎｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｏｎｌｙ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｒｅ－ ｓ ｏｕｒｃｅ ｔｈａｔ ｉｓ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ ． Ｓ ｏ ｉｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｒｅａｌｉｓ ｔｉｃ ｍｅａｎｉｎｇ ｆｏｒ ｈｕｍａｎ ｂｅｉｎｇ ｔｏ ｓ ｏｌｖｅ ｅｎｖｉｒｏｎ－ ｍｅｎｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ｆｏｏｄ ｓ ｈｏｒｔａｇｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｒｉｓ ｉｓ ｔｈａｔ ｕｓ ｉｎｇ ｃｅｌｌｕｌａｓ ｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓ ｍ ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ ｃｅｌｌｕ－ ｌｏｓ ｅ ｔｏ ｅｎｅｒｇｙ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｆｏｏｄ． Ｉｔ ｓ ｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａ－ ｎｉｓ ｍ ａｂｏｕｔ ｃｅｌｌｕｌａｓ ｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｃｅｌｌｕｌｏｓ ｅ； ｃｅｌｌｕｌａｓ ｅ； ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｍｅｃｈａｎｉｓ ｍ