细菌纤维素酶结构和功能总结要点
纤维素酶简介
1引言纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，绝大多数由绿色植物通过光合作用合成。
微生物对纤维素的降解、转化是自然界中碳素转化的主要环节。
纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的多组分酶的总称。
目前，纤维素酶产品广泛应用于纺织、饲料、酿造、制药、造纸等行业，尤其是在纺织行业的应用范围目前正在不断扩大。
2纤维素酶纤维素酶的研究最早是1906年Seilliere在蜗牛的消化液中发现了分解纤维素的纤维素酶。
纤维素酶是能水解纤维素β-1，4-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称，它不是单一酶，而是起协同作用的多组分酶系。
纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌和真菌等都能产生纤维素酶。
主要的有：康氏木霉、里氏木霉、黑曲霉、斜卧青霉、芽孢杆菌等。
丝状真菌产生的纤维素酶一般在酸性或中性偏酸性条件下水解纤维素底物，而嗜碱细菌产生的纤维素酶在碱性范围起作用。
纤维素酶分子是由球状的催化结构域(CD)通过一个富含脯氨酸或羟基氨基酸的连接桥(Linker)和纤维素结合结构域(CBD)三部分组成。
连接桥的作用可能是保持CD和CBD之间的距离。
纤维素结合结构域执行着调节酶对可溶和非可溶性底物专一性活力的作用，对酶的催化活力是非常必需的。
催化作用域的三维结构极其复杂，对酶的催化活力起决定作用。
[1，4]3纤维素酶对纤维素的作用机理目前，一种理论认为：纤维素酶水解纤维素是β-1，4-内切葡聚糖(纤维二糖水解)酶(EG，Endo-β-Glucanase)，β-1，4-外切葡聚糖(纤维二糖水解)酶(CBH，Cellobiohydrolase)和β-葡萄糖苷酶(BG，β-Glucosidase)协同作用下进行的。
首先，EG酶随机水解切断无定型区的纤维素分子链，使结晶纤维素出现更多的纤维素分子基端，为CBH酶水解纤维素创造条件，CBH酶的水解产物纤维二糖则由BG酶水解成葡萄糖，因而纤维素酶水解纤维素的过程可以简单表示为：EG→CBH→BG。
纤维素合酶的结构及纤维素的合成过程
纤维素合酶的结构及纤维素的合成过程植物纤维素合酶植物纤维素合酶主要存在于高等植物的根、茎、叶、果实等组织中。
它通常以复合物的形式在高等植物的细胞间隙中存在，复合物中包含多个亚单位的纤维素合酶。
每个亚单位都由葡萄糖聚合酶和辅助蛋白组成。
葡萄糖聚合酶是纤维素合酶的主要组成部分，它能够催化葡萄糖的聚合反应，将单体葡萄糖结合成纤维素链。
辅助蛋白可以提供必要的能量和催化反应所需的金属离子。
植物纤维素合酶的结构分析表明，它具有复杂的三维结构，其中包括许多结构域和功能区域，这些区域能够与底物结合并催化反应。
真菌纤维素合酶真菌纤维素合酶主要分布在真菌的细胞壁和外胞膜上。
真菌纤维素合酶的结构与植物纤维素合酶类似，也是由多个亚单位组成的复合物。
每个亚单位包含一个或多个葡萄糖聚合酶和辅助蛋白。
与植物纤维素合酶不同的是，真菌纤维素合酶的一部分亚单位还包含纤维素降解酶，这是为了帮助分解已经合成的纤维素，以便真菌可以利用其中的葡萄糖。
细菌纤维素合酶细菌纤维素合酶与植物和真菌纤维素合酶有所不同，它主要分布在细菌的外膜上。
细菌纤维素合酶由不同的亚单位组成，包括纤维素酶、降解酶和分泌蛋白。
其中，纤维素酶是细菌纤维素合酶的主要成分，它能够催化纤维素链的合成。
降解酶则可以帮助细菌降解已合成的纤维素，以获取能量和养料。
分泌蛋白则帮助纤维素链从细菌内部转移到细菌表面。
纤维素的合成是一个复杂的过程，主要发生在细胞壁的纤维素合酶复合物中。
纤维素的合成可分为三个主要步骤：底物结合、葡萄糖聚合和链延伸。
首先，底物结合是纤维素合酶复合物中的亚单位与葡萄糖分子结合的过程。
底物结合是由复合物中的葡萄糖结合酶催化的，底物结合酶能够识别和结合游离葡萄糖，并将其转化为已合成的纤维素链的一部分。
然后，在底物结合的基础上。
纤维素酶分子结构及作用机理的研究进展
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）
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。
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）
纤维素酶
纤维素酶科技名词定义中文名称：纤维素酶英文名称：cellulase定义：编号：EC 3.2.1.4。
由多种水解酶组成的一个复杂酶系，自然界中很多真菌都能分泌纤维素酶。
习惯上，将纤维素酶分成三类：C1酶、Cx酶和β葡糖苷酶。
C1酶是对纤维素最初起作用的酶，破坏纤维素链的结晶结构。
Cx酶是作用于经C1酶活化的纤维素、分解β-1，4-糖苷键的纤维素酶。
β葡糖苷酶可以将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖。
所属学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；酶（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布纤维素酶纤维素酶是一种重要的酶产品，是一种复合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成，还有很高活力的木聚糖酶活力。
由于纤维素酶在饲料、酒精、纺织和食品等领域具有巨大的市场潜力，已被国内外业内人士看好，将是继糖化酶、淀粉酶和蛋白酶之后的第四大工业酶种，甚至在中国完全有可能成为第一大酶种，因此纤维素酶是酶制剂工业中的一个新的增长点。
目录纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan glucanohydrolase或纤维素和几丁质分子结构图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、外切葡聚糖酶（1,4-β-D-glucan cellobilhydrolase或exo-1,4-β-D-glucannase，EC.3.2.1.91），来自真菌的简称CBH,来自细菌的简称Cex) 和β-葡聚糖苷酶（β-1,4- glucosidase，EC.3.2.1.21）简称BG。
内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区,产生不同长度的寡糖和新链的末端。
外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖。
β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。
纤维素酶
第16卷第6期2009年6月 现代农业科学M ode rn A g ricu ltura l Sc i encesV o.l 16N o .6Jun .2009纤维素酶研究进展张华锋(福建农业职业技术学院,福建福州350007)摘 要:利用纤维素酶实现纤维素的转化与利用对于解决目前世界能源危机、粮食短缺、环境污染等问题具有非常重要的意义。
近20a 来,随着分子生物学、遗传工程的迅猛发展,国内外均在尝试应用基因工程技术改造和构建高效纤维素降解菌,而且对极端环境中的纤维素酶产生菌也产生了浓厚兴趣。
笔者综述了纤维素酶的研究进展。
关键词:生物学;纤维素酶;研究进展中图分类号:Q 946.5 文献标识码:A 文章编号:1005-4650(2009)06-0025-03收稿日期:2009-05-16作者简介:张华锋(1967-),男,硕士,讲师,研究方向:作物遗传育种,微生物等在资源逐步枯竭和能源短缺的情况下,世界各国都在谋求有效地开发和利用生物质资源。
其中利用各类植物纤维素制取燃料酒精等能源物质是解决原料来源和降低成本的主要途径之一。
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,是植物细胞壁的主要成分,占植物干重的35%~50%,由 -1,4葡萄糖苷链连接葡萄糖苷形成的线形聚合体,不溶于水,可被纤维素酶水解成葡萄糖。
纤维素酶是糖苷水解酶的一种,是一组能降解纤维素的酶的总称。
纤维素酶应用广泛,在微生物中广泛存在,但产酶效率低,热稳定性差,货价寿命短,从而一直限制着纤维素酶的推广应用。
因此对高效、高热稳定性的纤维素酶的研究具有重要现实意义。
1 纤维素酶的结构及降解机制1.1 纤维素酶的结构微生物所产生的纤维素酶系是一个多组分酶系,通常将纤维素分为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和 -葡萄糖苷酶。
一般来说,内切葡聚糖酶作用于纤维素分子内部的非结晶区或羧甲基纤维素,随机水解 -1,4-糖苷键,将长链纤维分子截断,产生大量小分子纤维素。
纤维素酶的作用
纤维素酶的作用
纤维素酶是一种酶类，它在许多生物系统中起着关键的作用。
具体来说，纤维素酶主要参与纤维素的降解过程。
纤维素是由许多纤维素链组成的复杂多糖，存在于植物细胞壁中。
它是地球上最丰富的有机化合物之一，但人体无法直接消化纤维素。
纤维素酶的作用正是帮助分解纤维素，使其能够被其他微生物或生物体利用。
纤维素酶通过加速纤维素链的断裂反应来降解纤维素。
它能够识别纤维素链并结合到纤维素的特定位置上，然后切断链条。
这种酶介导的反应将长链纤维素分解为较短的低聚糖，如纤维二糖和纤维三糖。
纤维素酶的降解过程对生态系统具有重要意义。
它能够帮助微生物分解植物细胞壁，从而释放出植物细胞中的营养物质。
这些营养物质可以被其他生物吸收利用，进而促进生态系统中的能量流动和物质循环。
此外，纤维素酶还具有一些应用价值。
它可以用于生物质的转化和能源生产，例如生物燃料的制备。
纤维素酶的高效产生和工程改造也是生物技术领域的研究热点之一。
总之，纤维素酶在纤维素降解过程中起着至关重要的作用。
它能够帮助分解纤维素链，并促进生态系统中的营养循环。
此外，纤维素酶还具有广泛的应用前景，对生物质转化和能源生产等领域有着重要意义。
纤维素酶的结构与功能综述
纤维素酶的结构与功能综述纤维素酶是一类能够降解纤维素的酶，由微生物、真菌和一些动物体内产生，并广泛应用于生物质转化和生物能源生产等领域。
纤维素是植物细胞壁的主要成分之一，由纤维素链通过3-1,4-β-葡聚糖键连接而成，其高度结晶和抗酶解性质使其难以被降解。
纤维素酶通过裂解纤维素链将其转化为可利用的小分子糖类，具有重要的经济和环境意义。
纤维素酶主要包括纤维素酶和β-葡聚糖酶两类酶。
纤维素酶主要作用于纤维素链的内部连接键，将其裂解为较短的纤维素链和纤维素微颗粒，如内切酵素和聚合酶等。
β-葡聚糖酶主要作用于纤维素链的末端葡糖单元，将其裂解为终末葡糖和低聚糖，如终端酶和糖苷水解酶等。
两类酶在纤维素降解中协同作用，形成纤维素降解的完整酶系统。
纤维素酶的结构与功能密切相关。
纤维素酶具有复杂而多样的结构，通常由一个或多个结构域组成，包括纤维素结合结构域、催化结构域和辅助结构域等。
纤维素结合结构域具有特定的结构和纤维素结合能力，使酶能够与纤维素进行特异性的结合。
催化结构域则可将纤维素链裂解为较短的纤维素链。
辅助结构域可与其他酶或辅酶相互作用，增强纤维素酶的活性和稳定性。
此外，纤维素酶还可以通过基因工程技术进行改造和优化，以提高其酶活和抗抑制物能力。
纤维素酶的功能主要体现在纤维素的降解和生物能源生产中。
纤维素酶通过裂解纤维素链，将其转化为可利用的糖类供能源和化学品生产，如生物乙醇、生物丁醇和生物丙酮等。
纤维素酶广泛应用于生物质转化、生物酿造、纸浆生产和饲料添加等领域，可提高资源利用效率和环境可持续性。
此外，纤维素酶还具有重要的应用前景，如抗抑制物能力的改进、多种纤维素酶混合体系的构建和高效纤维素酶的发现等。
综上所述，纤维素酶是一类重要的酶，具有复杂而多样的结构和功能。
纤维素酶通过裂解纤维素链，将其转化为可利用的糖类供能源和化学品生产，具有重要的经济和环境意义。
纤维素酶的结构与功能研究为其改造和优化提供了理论和实践基础，具有重要的应用前景。
纤维素酶概述
Breaka资料g仅e供参o考,f不当t之h处e，请n联系o改n正。covalent in the cellulose
纤维素的水解过程
Hydrolysis of the individual cellulose it into smaller sugars
Fig.3 Mechanism of cellulolysis
Hydrolysis of disaccharides and tetrasaccharides into glucose
纤维素酶的来源
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
真菌(mainly)：
木霉属(Trichoderma)、曲霉属（Aspergillus）和青霉属(Penicillium），如 绿色 木霉菌(Trichoderma viride),康宁木霉菌(Trichoderma koningii),黑曲霉 （Asp.niger），绳状青霉、变幻青霉等.
全球粮食危机
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
粮农组 织食品 价格指 数和农 产品价
格指数
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
Straws of Crop
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
纤维素的分子结构
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%。 纤维素(Cellulose)：是由D-吡喃型葡 萄糖基经β-1,4 糖苷键联结而成的直 链多糖直链状大分子纤维素折迭起来， 形成具有高结晶的基本构成单位，由 这种基本构成单位集中起来构成微小 的结构单位，再由很多的微小单位构 成纤维素。
纤维素酶
纤维素酶的发酵工艺
2 固体发酵设备浅盘发酵器
是比较常用的一种固态发酵设备,培养基经灭菌冷却后装入 浅盘,通过空气增湿器调节空间的温湿度进行发酵,工业 化程度较低.固体发酵设备发展的趋向是机械化发酵罐, 尤其是流化床式固体发酵设备,发酵效果将更好.
3固体发酵工艺流程
4 固体发酵工艺条件 固体发酵过程中的温度,湿度,时间,水分,pH 值等因素及其交互作用对发酵有显著影响,对周 态发酵而言,温度是首要因素.培养基及培养条 件的优化,是降低酶制剂成本,提高酶活,实现 其工业化生产的重要措施.一般认为利用真菌进 行固态发酵最好将培养基的起始pH值调为酸性, 这样有利于真菌的生长而抑制细菌的滋生.固态 发酵培养基的初始含水量,应视纤维素材料种类 不同而异.
纤维素酶理化特性
六:纤维素酶的诱导性 真菌纤维素酶是诱导酶,在诱导物存在下才能产 生.许多不溶性的纤维素,可溶性的纤维素衍生 物,一些低聚糖类以及某些单糖和二糖均可作为 纤维素的诱导物.Nisizawa研究发现,纤维素, 纤维二糖,槐糖,纤维索衍生物等都能诱导里氏 木霉和绿色木霉产生纤维素酶.然而值得注意的 是,纤维二糖,葡萄糖等低分子可溶性糖在低浓 度时有促进作用,而较高浓度时便开始抑制.当 然,对于不同微生物来说,同一浓度,同一物质 也可能有着不同甚至完全相反的作用.
纤维素酶的组成及性质
1:外切葡聚糖酶包括两类酶, 一类:是β-1,4-D-葡聚糖一葡萄糖水解酶,也称为纤 维素糊精酶(Ec3.2.1.74); 二类:酶为纤维二糖水解酶(cellobiohydrolases CBH), 即β-1,4-D-葡聚糖一纤维二糖水解酶(exo-B-1,4-Dglucanases,EC3.2.1.91),简称外切酶.CBH是纤维 素酶系中的重要组分,在天然纤维素的降解过程中起主 导作用,可以水解微晶纤维素和棉花等结晶度高的纤维 素,作用于无定形纤维素的非还原末端或还原端,水解 β-1,4一糖苷键,依次切下一个纤维二糖分子,生成可 溶的纤维糊精和纤维二糖.
细菌产生的纤维素酶(综述)(续1)
细菌产生的纤维素酶（综述）（续1）作者：严鸿林来源：《国外畜牧学·猪与禽》2018年第11期上期回顾：上期主要介绍了纤维素酶在生产中的重要作用，重点阐述纤维素酶的分类及如何筛选产生纤维素酶的细菌。
中图分类号：S851.6 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2018）11-0057-053; 使用深层液态发酵、固態发酵或者培养生产纤维素酶发酵是一种通过多种微生物将复杂的底物转化为简单化合物的生物转化技术。
它被广泛地用于生产纤维素酶，并已在工业中广泛应用。
多年来，由于其经济和环境优势，发酵技术已经变得非常重要。
由于其快速发展，目前存在两种广泛的发酵技术：即液态发酵（Submerged Fermentation，SmF）和固态发酵（Solid State Ferentation，SSF）。
3.1 固态发酵/固态培养SSF利用固体底物，如麸皮、甘蔗渣、稻草、其他农业废弃物和纸浆。
使用这些底物的主要优点是它们养分丰富，且可以作为便宜的底物重复利用。
SSF最适合于需要较少水量的真菌和微生物的发酵工艺。
然而，它不能用于如细菌等高需水量微生物的发酵过程。
3.2 液态发酵/液态发酵SmF利用自由流动的液体底物，如糖蜜和肉汤。
这种发酵技术最适合于如细菌等高需水量微生物。
这种技术的另一个优点是产品更易纯化。
3.3 SmF和SSC方法的比较传统上使用SmF法生产纤维素酶，其中微生物培养于含有营养素的水溶液中。
这种传统SmF法的替代方法是SSC法，其中微生物在无游离液体的固体底物上生长。
由于SSC与SmF 相比液体量相对较少，因此SSC的后续处理在理论上会更简单且更便宜（图1和表3）。
在过去的十年中，人们对SSC重新燃起了兴趣，部分是由于对微生物认识，包括转基因生物（Genetically Modified Organism，GMO）在内的许多微生物可以通过SSC更有效地生产其产品。
SSC有三大优势，即：（1）较低的水和能源消耗;（2）较少的废物流;（3）更高的产品浓度。
细菌纤维素的制备及结构与性能研究
ａｎｄ ａｎｔｉｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ａｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ，ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｅｎｄｕｒｅ ｗａｓｈｉｎｇ ｉｎ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ａｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｔｏｏ．Ｔｈａｔ ｉｓ，ｇａｓ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｗｈｉｔｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ｄｅｃｌｉｎｅ，ｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｎｇｅ ｌｉｔｔｌｅ．
２
第一章前言
１．２．２超细性
早在１９４０年，人们就用电镜观察到细菌纤维素中独特的束状纤维的宽度大约
为１００ｎｍ，厚ห้องสมุดไป่ตู้为３－～８ｎｍ，直径一般为０．０１～Ｏ．１岬，每一束都由许多微纤维组成，
通过Ｘ一射线衍射分析知微纤维的大小与其晶体结构有关【８】。细菌纤维素微纤维的 直径与植物纤维、合成纤维相比有很大的差异，其直径仅为棉纤维直径的百分之 一，各种纤维的直径大小分布如图１．２所示。
传统工业用纤维素主要是由植物合成的，然而合成纤维素不是植物独有的功 能，某些微生物也可以高效地合成纤维素。早在１４００多年前我国的《齐民要术》 中就有记载：传统食醋酿造过程中，在醪液中常生成类似凝胶状的膜状物【ｌ】。１８８６ 年英国科学家Ｂｒｏｗｎ对细菌纤维素作了首次报道（２１，他在静置条件下培养木醋杆菌 时，发现培养基的气一液表面形成了一层白色的凝胶状薄膜，经过化学分析，确定 其成分是纤维素。但是由于受到实验条件的限制，对它更进一步的认识却是在２０ 世纪后期。Ｈｅｓｔｒｉｎ等【３】利用木醋杆菌（Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒ ｘｙｌｉｎｕｍ）作为模型菌种，深入研 究了细菌纤维素，他们证明静止和冻干的木醋杆菌在有葡萄糖和氧气的环境下能 够合成纤维素。其后为了与植物来源的纤维素相区别，将其称之为“细菌纤维素’’ （Ｂａｃｔｅｒｉａｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，简称ＢＣ）或“微生物纤维素” （Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）。
细菌纤维素酶结构和功能总结要点
纤维素酶结构和功能概述了细菌纤维素酶的水解机制及其基因的克隆和表达，总结了近年来纤维素酶结构和功能方面的研究成果，展望细菌纤维素酶领域的研究前景。
1引言2纤维素分解性细菌的类群纤维素分解性细菌是指能分解纤维素的细菌分三大类群：（1）厌氧发酵型：芽孢梭菌属（Clostridium）、牛黄瘤胃球菌属（Ruminococcus）、白色瘤胃球菌（Ruminococcusalbus）、产琥珀酸拟杆菌（Bacteroides succinogenes）、产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobactersuccinogenes）、溶纤维菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、解纤维梭菌（Clostridiumcellulolyticum）；（2）好氧型：粪碱纤维单胞菌（Cellulomonasfimi）、纤维单胞菌属（Cellulomonas）、纤维弧菌属（Cellvibrio）、发酵单胞菌（Zymomonas）、混合纤维弧菌（Cellvibrimixtus）；（3）好氧滑动菌，如噬胞菌属（Cytophaga）。
4 细菌纤维素酶分类细菌纤维素酶是多酶复合体系，根据各酶的功能可分为三大类：（1）内切葡聚糖酶（1,4-D-glueanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.4），简称Cen。
作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素，其分子量大小约为23-146KD。
（2）外切葡聚糖纤维二糖水解酶（1,4-β-D-glucan cellobio-hydrolase 或exo-1,4-β-D- glucanase,EC3. 2.1.91），简称Cex。
作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-D-14糖苷键，依次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase），分子量约38-118 KD。
细菌纤维素的制备及结构与性能研究
经过长期的研究发现，细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明 显的区别，都可视为由Ｄ．吡喃葡萄糖单体以Ｄ－ｌ，４一糖苷键连接而成的直链多糖，直 链问彼此平行，不呈螺旋结构，无分支结构，又称为ｐ一１，４一葡聚糖。但相邻的吡喃 葡萄糖的６个碳原子并不在同一平面上，而是呈稳定的椅状立体结构，数个邻近的 ｐ．１，４．葡聚糖链通过分子链内与链问的氢键作用形成稳定的不溶于水的聚合物‘４１。
将ＮＭＭＯ溶解的细菌纤维素处理到涤纶织物上，织物的亲水性能和抗静电 性能得到很大改善，且处理效果具有一定的耐洗性。但同时涤纶织物的物理机械 性能也受到了不同程度的影响，其中透气性、白度均有所下降，断裂强力、撕破 强力变化不大。
细菌纤维素具有许多独特的性能，本文研究为拓宽其在纺织品上的应用奠定 了基础，为涤纶织物的亲水整理开辟了新的研究领域。
本学位论文属于：
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不保密酬
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日期：溅年‘月Ｚ日
导师签名： （本声明的版
日期：如舄年（月７日
所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用）
７６
第一章前言
第一章前言
纤维素是地球上最丰富、发展潜力最为巨大的生物聚合物。在人类的生活和 生产中，纤维素与人们的衣食住行密切相关，它不仅是纺织工业和造纸工业的传 统原料，还可以用来制造高分子复合材料和高性能材料，在许多高薪科技领域发 挥着重要作用。
采用各种仪器和方法研究细菌纤维素的结构和性质。扫描电子显微镜表明合 成产物具有超微细网状结构；元素分析结果表明合成产物中Ｃ、Ｈ、Ｏ元素的含量 符合纤维素中各元素含量；红外光谱表明产物中含有的基团与纤维素结构相符合； ｘ．射线衍射测试了细菌纤维素的晶体结构；热失重分析法研究了其热性能。测定 了木醋杆菌合成细菌纤维素的持水性能及对金属离子的吸附性，结果表明合成产 物具有极好的吸水持水特性，对Ｃｕ２＋有较强的吸附性能。细菌纤维素在适当的条 件下可溶解于ＬｉＣＩ／ＤＭＡＣ、ＮＭＭ 尿素、氢氧化钠／硫脲、氢氧化锂／尿素溶剂体系。
综合讲解纤维素酶
中科院微生物研究所董志扬等用康宁木霉通过γ射线照射和亚硝基胍交替处理，诱变出一株纤维素酶高产菌株T801，其产酶能力提高1.77倍。
01
青岛海洋大学管斌等对里氏木霉进行低剂量、反复多次紫外线、亚硝基胍复合诱变处理方法，用“以2-脱氧葡萄糖作为降解产物阻遏物”高效筛选方法，选育得到一株抗分解代谢阻遏的突变株，纤维素酶活力提高三倍。
PART 02
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秸秆酒精流程
木质纤维素预处理技术有待进一步优化和提高。由于天然纤维素原料的结构复杂的特性，使得其纤维素、半纤维素和木质素三者不能有效分离；另外伴随产生一些中间副产物，实验表明，这些物质抑制酵母的生长和代谢，最终影响乙醇产率。
缺乏高效的纤维酶菌株，现有的纤维素酶制剂水解效果较低，使得酶解糖化经济成本较高，当前生产一吨纤维乙醇需要酶制剂成本在2200～2600元。高产菌株
70-80年代国外主要采用诱变育种方法获得筛选高产菌，包括随机诱变和有目标诱变，其主要策略是： 解除分解代谢阻遏，解除葡萄糖、甘油等易分解代谢碳源对产酶阻遏，或筛选2-deoxyglucose抗性。 提高酶的胞外分泌性，如筛选对细胞壁合成抑制作用的化学物质抗性菌株 筛选β-葡萄糖苷酶高产菌株，设计β-glucosidase作用的有色底物，获得解除分解代谢阻遏高产突变株。
结晶纤维素
C1
无定形纤维素
纤维二糖
βG
葡萄糖
Cx
应用
纺织 棉布后整理、生物抛光
饲料工业 饲料酶、秸秆青贮
啤 酒 工 业
食品及 发酵工业 果汁加工、功能性成分提取 中草药成分提取
酒 精 发 酵 玉米酒精 红薯酒精 秸秆酒精
PART 01
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纤维素酶的结构与功能研究
纤维素酶的结构与功能研究第一章：绪论纤维素是一种广泛存在于自然界中的有机化合物，常见于植物细胞壁中，也可来源于微生物、木材、农业废弃物等。
由于纤维素在自然界中的广泛分布及其化学结构和性质的重要性，纤维素酶成为一大研究热点。
本文将从纤维素酶的结构及其功能两个方面展开讨论，旨在深入探讨纤维素酶的研究进展。
第二章：纤维素酶结构的研究进展1.纤维素酶的分类纤维素酶是一类可以分解纤维素的酶，它们按作用方式可分为内切酶和断链酶两类。
内切酶包括β-葡萄糖苷酶、β-1,3-葡萄糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶等。
断链酶包括纤维素酶A、B、C等。
2.纤维素酶的基本结构目前已经解析了多种纤维素酶的结构，如：纤维素酶A、纤维素酶B、纤维素酶C、β-葡萄糖苷酶等。
这些酶的结构大多数都是蛋白质分子，其中最具代表性的是纤维素酶A。
纤维素酶A的分子量约为50000Da，含有约470个氨基酸残基，由一段较长的不规则序列和两个结构相似的高度保守的四分之一β折叠区域组成。
纤维素酶A的结构具有一个拱形的中心段和两个向外突出的长臂。
这种结构特点赋予纤维素酶A相对较高的稳定性和极强的在纤维素水解中的作用。
第三章：纤维素酶功能的研究进展1.纤维素酶的分子机制纤维素酶的分解作用可以分为两个步骤：纤维素的结构被撕裂，然后被加氢裂解到糖单体。
对于内切酶，其中既包括C端内切酶，也包括N端内切酶，它们的作用机制是先将纤维素分子裂解成少量的寡聚糖或单糖，然后对这些糖进行进一步的加氢裂解。
对于断链酶，它们一般通过直接加氢裂解的方式将纤维素分子断链，然后进行进一步的处理。
纤维素酶的分子机制是纤维素降解的关键，也是纤维素酶研究的重点。
2.纤维素酶的应用纤维素酶由于具有天然分解纤维素的能力，广泛应用于生物技术，生物制造工艺和环境保护中。
以纤维素为原料的生物制造工艺是目前研究热点之一。
纤维素酶可通过发酵或介导发酵的方式大规模制备，是实现生物制造的关键。
此外，纤维素酶也可以用于污染的清除和资源的回收，以及农业、食品和医药等领域。
纤维素酶的作用机理
纤维素酶的作用机理x纤维素酶的作用机理纤维素酶是一种天然发生的酶,是一种可以水解纤维素分子的酶,它的作用机理主要是发生在纤维素分子剪切的过程中，可以将纤维素分子变得更小，更加容易被动物体消化吸收。
纤维素酶的作用主要是将大分子纤维素分解成小分子或分子碎片，从而使营养价值提高。
纤维素酶有细菌和植物来源的。
细菌来源的纤维素酶一般分类为β-1,4-糖苷酶和β-1,4-硫醚酶，植物来源的纤维素酶分类为总称类酶的无规半乳糖苷酶（Beta-galctosidase）和半乳糖苷酶（Cellulase）。
半乳糖苷酶主要发生在细胞壁内外，它的作用是分解细胞壁的结构，使之更易于消化。
这种酶可以将纤维素分解成单糖，比如阿拉伯糖，水果糖，葡萄糖等，它们是构成植物细胞壁的基本成分，也是动物营养的基本成分。
硫醚酶主要发生在植物细胞壁外，它的作用是分解细胞壁的结构，使之更易于消化。
硫醚酶主要是分解细胞壁中的芳香族硫醚类物质，将它们转化成水溶性物质，从而改善植物的消化和吸收。
在生物化学中，细胞壁是一种由蛋白质和多糖组成的复合物，它有不可溶化的特性，消化系统无法对其反应。
因此，细胞壁的水解是一项重要的任务，纤维素酶就是承担这项任务的酶。
纤维素酶作用机理的主要步骤如下：1、纤维素酶通过其特殊的化学性质，将细胞壁中的糖类和其他合成物分解成构成糖的小分子；2、细胞壁中的蛋白质被纤维素酶水解分解，蛋白质分解成单碳水化合物；3、纤维素酶可将芳香族硫醚类物质分解为水溶性物质，从而提高植物的消化和吸收；4、纤维素酶的其它作用还包括提高细胞壁的抗菌能力，清除污染，改善营养状况等。
总而言之，纤维素酶可以分解细胞壁，使细胞壁中的营养成分更容易被动物体消化吸收，为动物体的正常生理和饲料利用提供价值。
纤维素酶种类
纤维素酶种类
纤维素酶是一种能够分解纤维素的酶类，其种类很多，可以根据不同的分类方式进行划分。
按照作用方式来看，纤维素酶可分为内切酶和外切酶。
内切酶能够将纤维素链内部的链接断裂，使其变得更加易于降解；而外切酶则能够在纤维素链的末端断裂链接，使其释放出来的单糖能够被细菌或生物真菌等微生物利用。
按照所属的生物类别来看，纤维素酶可以分为细菌纤维素酶、真菌纤维素酶和动物纤维素酶。
其中，细菌纤维素酶主要存在于细菌中，能够分解纤维素，对于生产生物能源有重要作用；真菌纤维素酶则主要存在于真菌体内，对于森林的生态平衡和生态环境的改善有重要作用；动物纤维素酶则主要存在于某些动物肠道中，能够帮助其消化植物纤维素。
除此之外，根据酶的不同结构和特点，还可以将纤维素酶划分为多种不同的类型，如CBH、EG、BGL等等。
这些不同类型的纤维素酶在不同的环境下有着不同的应用价值，对于生物能源的开发和利用有着重要的意义。
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纤维素酶结构和功能概述了细菌纤维素酶的水解机制及其基因的克隆和表达，总结了近年来纤维素酶结构和功能方面的研究成果，展望细菌纤维素酶领域的研究前景。
1引言2纤维素分解性细菌的类群纤维素分解性细菌是指能分解纤维素的细菌分三大类群：（1）厌氧发酵型：芽孢梭菌属（Clostridium）、牛黄瘤胃球菌属（Ruminococcus）、白色瘤胃球菌（Ruminococcusalbus）、产琥珀酸拟杆菌（Bacteroides succinogenes）、产琥珀酸丝状杆菌（Fibrobactersuccinogenes）、溶纤维菌（Butyrivibrio fibrisolvens）、热纤梭菌（Clostridium thermocellum）、解纤维梭菌（Clostridiumcellulolyticum）；（2）好氧型：粪碱纤维单胞菌（Cellulomonasfimi）、纤维单胞菌属（Cellulomonas）、纤维弧菌属（Cellvibrio）、发酵单胞菌（Zymomonas）、混合纤维弧菌（Cellvibrimixtus）；（3）好氧滑动菌，如噬胞菌属（Cytophaga）。
4 细菌纤维素酶分类细菌纤维素酶是多酶复合体系，根据各酶的功能可分为三大类：（1）内切葡聚糖酶（1,4-D-glueanohydrolase或endo-1,4-β-D-glucanase，EC 3.2.1.4），简称Cen。
作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素，其分子量大小约为23-146KD。
（2）外切葡聚糖纤维二糖水解酶（1,4-β-D-glucan cellobio-hydrolase 或exo-1,4-β-D- glucanase,EC3. 2.1.91），简称Cex。
作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4-D-14糖苷键，依次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase），分子量约38-118 KD。
（3）β-葡萄糖苷酶（β-1,4-glucosidase, EC3.2.1.21）简称BG或称纤维二糖酶。
这类酶一般将纤维二糖或可溶性的纤维糊精水解成葡萄糖分子，其分子量约为76KD。
5 细菌纤维素酶水解机制好氧细菌的三种纤维素酶是以各自独立的形式分泌到细胞外水解纤维素的；厌氧细菌的三种纤维素酶以多酶复合体形式结合在细胞壁上对纤维素进行水解。
细菌纤维素酶通过多酶复合体系各组分协同作用彻底有效降解天然纤维素。
Cen负责进攻纤维素的非结晶区，随机水解β- 1，4 - 糖苷键，将长键纤维素分子截短，产生大量带非还原性末端的小分子纤维素Cex负责从纤维素线状分子的非还原性末端水解切下纤维二糖单位BG则将纤维二糖水解成葡萄糖在已知结构的细菌纤维素酶分子中，通过在异头碳原子位通过构型的保留或构型的转化完成催化反应，其中两个保守的羧基氨基酸分别作为质子供体和亲核试剂，如C . thernmocellum 的内切酶CelC催化域中Glu-280和Glu-140分别作亲核试剂和质子供体, C .fimi的外切酶Cex的Glu-574和Glu-645分别作亲核试剂和质子供体，证明了细菌纤维素酶降解纤维素的水解双置换机制。
由于纤维素底物的高度复杂性以及底物的多样性，纤维素水解过程的并没有完全清楚。
因此，纤维素酶系的降解机理还有待进一步研究和探讨。
6 细菌纤维素酶的结构和功能通过对粪碱纤维单胞菌（Cellulomonas fimi）的一个外切酶Cex 和一个内切酶CenA的研究表明，细菌纤维素酶的纤维素结合结构域（CBD）位于氨基端或羧基端，它借助连接桥（Linker）与催化结构域（CD）连接。
在多种细菌的纤维素酶中发现有相似的结构。
催化结构域（CD）纤维素酶分子的催化结构域主要体现酶的催化活性及对特定水溶性底物的特异性。
不同来源纤维素酶分子量差别很大，但其催化区的大小却基本一致，活性位点的三级结构都是保守区域。
Juy M et 等采用x光衍射的方法对热纤梭菌的Cel D的催化域进行了结晶和解析。
结果表明，内切酶的活性位点位于一个开放的“裂缝”（Cleft）中，可与纤维素链的任何部位结合并切断纤维素链；外切酶的活性位点位于一个长“环”（1oop）所形成的“内部通道”（tunnel）里，它只能从纤维素链的非还原性末端切下纤维二糖。
细菌的外切酶有两个酶切位点，有限酶切时，可将CBD和连接桥分别切去。
Meinke A 等利用蛋白质工程的方法将粪碱纤维单胞菌的外切酶Cbh A分子的Loop删除后，发现该酶的内切酶活性提高。
根据其氨基酸序列的相似性已知的纤维素酶的CD可分为70多个家族，在同一家族内具有相似的分子折叠模式和保守的活性位点，因此在同一家族内，其反应机制和对底物的特异性都可能相同，这已通过实验得到证实。
纤维素结合结构域（CBD）许多纤维素酶主要依靠在肽链N端或C端的CBD结合底物，该结构又称纤维素结合模块，其功能是将相邻的催化结构域传递到晶体纤维素底物上。
细菌纤维素酶的CBD由100-110个氨基酸组成，同源性较低。
细菌CBD平坦的表面只露出2个或3个芳香族氨基酸残基和一些形成氢键的残基,多项研究证实，这些残基与CBD对结晶纤维素的结合有关。
一些细菌的CBD结构有一定的共同特点：带电荷氨基酸含量很低；羟基氨基酸含量很高；都含有Trp、Asn和Gly，而且两个Cys在N、C末端的位置完全相同。
汪天虹等用多维核磁共振和X射线衍射技术，证实了族Ⅱ C. Fimi Cex、Cen以及族Ⅲ C．thermocelhun Cip的CBD有相似的结构：由2个β片层面对面折叠在一起，形成一个β三明治结构，CBDcex含有一个单一的二硫桥连接N-末端和C-末端，CBDcip有一个Ca2+的高亲和性结合位点[6]。
然而，有的CBD的作用似乎不在于跟底物结合，而是破坏晶体纤维素链间的非共价相互作用；或者不仅结合底物，还提供结合不同底物结构的优先权。
杨永彬等通过实验证实家族Ⅱ的CBD能够促使纤维素中氢键的断裂,从而释放单根纤维素分子链[7]。
C.fimi的 CenA或Cex单独的CBD不具备对纤维素的水解活力，但能破坏棉纤维，形成短纤维，具有疏解结晶纤维素的能力。
实验证明，细菌纤维素酶中的CBD对酶的催化活力是非必需的，但它们具有调节酶对可溶性和非可溶性底物专一性活力的作用。
连接桥（1inker）连接肽（1inker）一级结构的研究发现，细菌纤维素酶分子的连接肽富含脯氨酸（Pro）和丝氨酸（Thr），完全由Pro-Thr这样的重复序列约100多个氨基酸残基组成。
在高级结构的分子形状上，细菌连接肽、CD、CBD之间呈135o。
连接肽的作用可能是保持CD和CBD之间的距离，有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。
纤维素酶降解纤维素是酶的各组分之间协同作用的结果，目前主要有2种观点：一种观点认为，首先由EG在纤维素分子内部的无定形区进行酶切产生新的末端，然后由CBH以纤维二糖为单位由末端进行水解，每次切下1个纤维二糖分子，最后由BG将纤维二糖以及短链的纤维寡糖水解为葡萄糖。
另一种观点则认为，首先是由CBH水解不溶性纤维素生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由EG作用于纤维糊精生成纤维二糖，再由BG将纤维二糖分解成2个葡萄糖。
这种协同作用方式也决定了纤维素酶表达调控的复杂性。
7 细菌纤维素酶基因的克隆与表达细菌中编码纤维素酶的基因在基因组的分布为随机的或形成基因簇。
在基因簇中，有转录终止子，没发现有启动子。
人们已从40多种细菌中克隆到了纤维素酶基因，其中一些酶基因已经在大肠杆菌和酵母中得到表达。
如从Stropyomyces、Clostridium、Thermoanaer obacter、Themomonspora、Erwinia、Pseudomonas、Cellvibrio、Ruminococcus、Cellulomonas、Fibrobacter 和 Bacillus 中成功分离出葡聚糖基因，并先后克隆了瘤胃的Bacteroides、succi nogenes 、Butyrivibrio sp Ruminococcus albus等细菌的纤维素酶基因，同时热梭菌中的11种内切纤维素酶（CelA、CelB、CelD、CelE、CelF、CelG、CelH、CelI、CelJ、CelK、CelS）的基因已经被克隆，嗜纤维梭菌的5种内切纤维素酶（EngA、EngB、EngC、EngD、EngE）已经测序并在大肠杆菌中得到表达。
不同的细菌中克隆了内切葡聚糖酶基因。
Kim等克隆了Aquifex aeolicus VF5编码EG的 ce18Y基因，在E.coli XL1 -Blue中成功表达，Hakamada等运用盒式连接介导PCR 和反向PCR 克隆到了基因egl-257。
人们将纤维素酶、纤维二糖等外源基因转入运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）中并得到不同程度的表达，有望将它改造为能将纤维素转化为乙醇的重组菌株并在工业中广泛应用。
细菌葡聚糖酶基因在S.cerevisiae的启动子和信号肽的控制下构建在同一质粒载体上，然后转入S.cerevisiae，重组菌可向培养基分泌保留70%活性的葡聚糖内切酶和外切酶，这种酶能够分解滤纸和木浆中的纤维素。
7 展望细菌以多酶复合体结构彻底有效降解天然纤维素，纤维小体是研究较多的细菌纤维素酶复合体。
纤维小体的作用方式是理解纤维素降解和利用纤维素资源的关键。
进一步了解纤维小体结构的普遍性，不同来源的纤维小体的组成同源性和多样性，纤维小体蛋白质之间的相互作用，纤维小体组织结构的形态发生等，从而为工程改造纤维小体，利用纤维素资源提供基础。
提高纤维素酶的分离纯化技术，利用基因工程和蛋白质工程的手段，对它的空间结构作进一步的研究，以便更好地了解它的结构、酶学特性和协同作用的降解机制，为纤维素酶蛋白质分子的改造和设计提供理论基础。
通过构建培养和未培养细菌的基因组DNA文库，筛选到高效的、多样性的纤维素酶基因，利用体外DNA分子定向进化等基因操作技术，构建适应不同需要的高效工程菌，比如把纤维素酶基因克隆到Z.molis或酿酒酵母中，可以直接利用纤维素转化生产酒精。