纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机理

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纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机 理
导言
自从 1906年在蜗牛消化液中首次发现纤维素酶后， 人类对其研究经历了百年历史：
1950--木酶的发现，C1-Cx假说。
1980 年至 1988 年--利用基因工程的方法对纤维素 酶的基因进行克隆和一级结构的测定。
90年代--厌氧细菌纤维小体超分子复合体结构功能 研究，多结构与体系的发现。
厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
4.4.2 粘连模块与对接模块
4.4.2.1 粘连模块
不同厌氧微生物的粘连模块序列差异很大。
同一个脚手架蛋白上的粘连模块一般为同一类型，不 同粘连模块之间有不同的序列相似性。
目前型和型粘连模块晶体结构已测定。
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厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
4.4.2.3粘连模块和对接模块相互作用
决定了纤维小体的结构，并纤维小体各亚基的整合仅依 赖于此。
主要以疏水作用相联系，并辅以相对较少的分子间氢键。
热纤梭菌中Ⅰ型粘连模块与对接模块的相互作用是目前 已知最强的蛋白质间相互作用之一。
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厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
4.4.2.2对接模块
由大约具22个氨基酸的两条重复序列组成
钙离子促使对接模块折叠，并使其形成稳定的三级结 构。也是粘连模块-对接模块相互作用所必需的。
对接模块与其相应的粘连模块的分支情况相对应。
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厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
4.4.3.1典型的纤维小体外切酶（或持续性 内切酶）的空间结构
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厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
4.4.3.2典型的纤维小体内切酶的空间结构
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Figure 4.4.3 Structural comparison of (α/α)6 glycosyl hydrolases
(2)外切葡聚糖酶(exo-1，4-β-D-glucanase，EC.3.2.1.91，
又称纤维二糖水解酶，来自真菌简称CBH，来自细菌简称
Cex。）这类酶作用于纤维素分子的非还原端,依次水解
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β-1,4-糖苷键,每次切下一个纤维二纤糖维分素酶子类糖。苷水解酶及其降解机
理
4.2 纤维素酶系统的组成
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4.4厌氧细菌纤维素酶的结构与功能
厌氧细菌在纤维素底物上生长时，在细胞 壁上产生隆起的细胞结构即为纤维小体。
不同生物体之间纤维小体结构相似，但其组成成分随 着种的不同而有所差异。
纤维小体结构复杂、体积庞大、异质性强。
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4.4.1 纤维小体的一般组装模式
(3)β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,EC.3.2.1.21, 简称 BG）,这类酶水解纤维二糖和短链的纤维寡 糖生成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解很 快，随着葡萄糖聚合度的增加水解速度下降。
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4.3 糖苷水解酶家族
以底物专一性为基础建立的命名方法不能反映酶分子 的结构特性。
4.4.2.3粘连模块和对接模块相互作用
粘连模块与酶上对接模块在种内的结合是非专一性的， 而在种间的相互作用却是专一性的。生化水平上，包 含对接模块的酶与包含粘连模块的脚手架间的结合本 质上是非特异性的。
对接过程中粘连模块总体结构本质上不变，对接模块
发生了构象变化。
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图4.4 热纤梭菌Ⅰ型粘连模块红色和 Ⅰ型对接模块蓝色相互作用示意图
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4.4.3 纤维小体上的催化模块
以热纤梭菌为例，它既有纤维小体酶系，也有游离的 非纤维小体酶。区别纤维小体酶与游离酶的关键特征 是，纤维小体酶带有对接模块 。
催化模式具有多种情况：热纤梭菌中，表现为葡聚糖 内切酶活性、持续降解的纤维素内切酶活性、纤维素 外切酶。
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4.4.4 碳水化合物结合模块CBM
（carbohydrate-binding module)
根据序列和结构的相似度，CBM可被分成不同的家族。 不同纤维小体家族中按功能分主要属于A型和B型。
4.4.4.1 脚手架上的CBM
脚手架蛋白上往往包含一个
CBM，它被认为负责将多酶复合体
把作用于碳水化合物的相关酶类分成许多蛋白质家族， 形成专门的数据库共享。
碳水化合物活性酶 (CAZy)分类系统，只对结构域进 行定义。 CAZy中某一基因的结构域以模块表示。
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图4.2
结构蛋白：初级脚手架蛋白，锚定脚手架蛋白等 催化模块：纤维素酶、半纤维素酶等
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模 式
纤 维 小 体 的 一 般 12 组
4.4.1
③
②
① ④
对接 模块
粘连 模块
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4.4.1 纤维小体的一般组装模式
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第四章
纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机理
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4.1 导言
纤维素类生物质是自然界中最丰富的。与淀粉在结构上 的差别仅在于糖苷键连接方式不同。
多与半纤维素、木素相互结合在一起。
纤维素酶系统 非复合：真菌、放线菌 一般由菌丝分泌到胞外分别发挥作用。 复合： 厌氧菌（热纤梭菌） 在其细胞壁上产生隆起的细胞结构，为纤维小体。
21世纪--基因及氨基酸序列，分子时代。
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4.2 纤维素酶系统的组成
根据各酶的功能可分为三大类：
(1)内切葡聚糖酶（endo-1,4-β-Dglucanase,EC.3.2.1.4, 来自真菌的简称 EG ，来自细菌的简称Cen）,这类酶作 用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解 β-1，4-糖 苷键,将长链纤维分子截断,产生大量非还原性末端的小分 子纤维素。