谷氨酰胺转氨酶研究进展

ÃÆÅÄÁÉÃÆÄÅÈÇÁ ÁÂÁÂ 1987年，Icekson和Apelbaum在豌豆中发现了
TGase 的 活 性 [5]。 随 后 研 究 者 在 菊 芋 、 马 铃 薯 、 玉 米 等多种植物不同组织（细胞质、细胞壁、叶绿体和线 粒 体 ） 中 发 现 了 该 酶 的 存 在 ， 但 是 TGase 在 植 物 组 织 中 扮 演 何 种 角 色 仍 不 十 分 清 楚[12，13]。 Kang 等[14]对 大 豆 叶 片 中 提 取 TGase 进 行 了 研 究 ， 但 是 分 离 纯 化 工艺复杂，酶的得率较低。 目前，尚未有植物来源 TGase 用 于 商 业 化 生 产 。 1.3 微生物来源的谷氨酰胺转氨酶
·综 述 与 专 论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
2009 年第 1 期
谷氨酰胺转氨酶研究进展
崔艳华 张兰威
（哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，哈尔滨 150090）
摘 要： 谷氨酰胺转氨酶是一种催化酰基转移反应的转移酶，它可使蛋白分子间和分子内产生共价交联，从而改 变蛋白的功能特性，在食品、医药、化妆品、纺织等领域具有重要的潜在应用价值。 研究表明，谷氨酰胺转氨酶广泛存在于 生物组织中。 为了更好的研究开发这一资源，对谷氨酰胺转氨酶的来源、理化特性、作用机制、功能以及工业生产的现状 进行了综述，其中重点探讨了不同来源的谷氨酰胺转氨酶在理化特性以及底物特异性方面的差异。

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收 稿 日 期 ：2008-07-02 基 金 项 目 ：黑 龙 江 省 重 点 自 然 基 金 （ZJND6D5-02），黑 龙 江 省 十 一 五 科 技 攻 关 项 目 （GA06B201 ），黑 龙 江 省 攻 关 项 目 （GA07B401 ） 作 者 简 介 ：崔 艳 华 （1978-），女 ，黑 龙 江 省 哈 尔 滨 市 人 ，博 士 ，研 究 方 向 ：食 品 生 物 技 术 通 讯 作 者 ：张 兰 威 ，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，研 究 方 向 ：食 品 科 学 ；Tel ：0451-86282901 ，E-mail ：lanweizhang@yahoo.com.cn
迄今为止，研究最为深入的是来自动物，尤其
是 哺 乳 动 物 中 的 TGase。 TGase 几 乎 存 在 于 哺 乳 动 物的所有的组织和器官中，依据其分布的位置可分 为 组 织 型 TGase、 膜 结 合 型 TGase 和 血 浆 TGase[8]。 它可以催化蛋白质分子内和分子间共价交联聚合， 从而能够直接改变蛋白质本身以及蛋白质所附着 的细胞、组织、甚至器官的特性，与血液凝固、伤口 愈合、表皮角质化等生物现象有关，具有参与信号 转 导 、调 节 细 胞 分 化 、增 殖 等 多 种 的 生 物 功 能[9]。
关键词： 谷氨酰胺转氨酶 交联 蛋白修饰 底物特异性
Advancement of Research on Transglutaminases
Cui Yanhua Zhang Lanwei
（School of Food Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090）
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崔艳华等：谷氨酰胺转氨酶研究进展
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微生物来源的 TGase（MTG）与动物来源的 TGase 具有不同的酶特性，尤其是分子量、热稳定性、等电 点、对钙离子的依赖性和底物特异性不同（表 1）。 MTG 分 子 量 在 23~45 kD 之 间 ，多 数 为 40 kD 左 右 ， 为 动 物 来 源 TGase 分 子 量 的 一 半 左 右 。 MTG 具 有 较 强 的 热 稳 定 性 ， 如 S. mobaraensis 的 TGase 在 40℃ ， 10 min，酶 活 性 不 变 ，即 使 在 50℃下 10 min 后 ，酶 活 性 仍 为 74％[6]。 同 时 MTG 的 pH 稳 定 性 很 好 ， 在 相 对 较 宽 的 pH 范 围 内 均 具 有 较 高 活 性 。 MTG 热 稳 定 性 强 、pH 值 稳 定 范 围 广 的 特 性 ，使 其 有 更 为 广 阔 的 应 用 范 围 。 MTG 的 酶 活 性 完 全 不 依 赖 于 钙 离 子 的 存 在 ，与 动 植 物 来 源 的 TGase 完 全 不 同 。 这 一 特 性 在修饰食品蛋白时，非常有利。 因为许多食品蛋白 如酪蛋白、大豆球蛋白、肌浆球蛋白对钙离子敏感， 很 容 易 被 钙 离 子 沉 淀 [25]。 同 时 ，MTG 较 GTG 相 比 ， 在 高 压 条 件 下 具 有 更 为 显 著 的 稳 定 性 ， 因 此 MTG 在修饰蛋白时不易受周围环境压力的影响和限 制 [28，29]。
来 自 豚 鼠 肝 脏 的 TGase（Guinea pig transglutaminase，GTG）是 自 20 世 纪 60 年 代 开 始 近 30 年 内 商 用 TGase 的 惟 一 来 源 [10]。 由 于 酶 的 来 源 稀 少 、 分 离 纯 化 工 艺 复 杂 ，导 致 酶 的 价 格 很 高 。 在 20 世 纪 90 年代，欧洲国家从屠宰后的牛以及猪的血液中提取凝 血 因 子 XIII（一 种 类 型 的 TGase）进 行 商 业 化 应 用[11]。 但 是 由 于 血 液 中 提 取 的 TGase 需 要 凝 血 酶 激 活 ，会 产生红色色素的沉积，影响产品的外观，因此该来
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin
2009 年第 1 期
源 的 TGase 在 食 品 工 业 中 应 用 面 临 很 多 困 难 。
并取得了可喜进展。 尽管多种微生物能发酵产
1.2 植物来源的谷氨酰胺转氨酶
TGase， 但 目 前 仅 S. mobaraensis 来 源 的 TGase 实 现
2 谷氨酰胺转氨酶的理化性质 2.1 动 物 、 植 物 、 微 生 物 来 源 的 TGase 理 化 性 质
的比较 不 同 来 源 的 TGase 在 氨 基 酸 序 列 、 分 子 量 大 小、酶的理化性质具有很大差异（表 1）。 动物来源 的 TGase 分 子 量 不 等 ， 需 要 钙 离 子 激 活 ， 酶 活 性 中 心 为 半 胱 氨 酸 残 基 位 点 。 动 物 来 源 的 TGase 以 豚 鼠 肝 脏 的 TGase （GTG） 研 究 最 为 深 入 ， 该 酶 的 分 子 量 为 90 kD， 其 酶 促 反 应 需 要 钙 离 子 激 活 ， 对 底 物 特 异 性 强 [10]。 同 时 由 于 该 酶 含 有 17 个 半 胱 氨 酸 残 基 致 使 其 热 稳 定 性 差 ，在 50℃下 ，10 min 后 ，酶 活 性 仅 为 残 留 40％[6，27]。 钙 离 子 对 植 物 来 源 的 TGase 活 性 影 响 因 物 种 而 异 。 有 关 植 物 来 源 的 TGase 的 酶 理 化 性质知之甚少（表 1）。
Key words： Transglutaminase Cross-linking Protein modification Substrate specificity
谷 氨 酰 胺 转 氨 酶 （Transglutaminase，TGase，EC 2.3.2.13）是 一 种 催 化 酰 基 转 移 反 应 的 酶 ，能 催 化 蛋 白质分子内或分子间的交联、蛋白质和氨基酸之间 的 连 接 以 及 蛋 白 质 分 子 内 谷 氨 酰 胺 基 的 水 解 [1]，从 而改善蛋白质的结构和功能特性。由于其卓越的交 联 特 性 ， 被 誉 为 “21 世 纪 超 级 粘 合 剂 ”， 在 食 品 、 医 药 、纺 织 、化 妆 品 等 领 域 展 现 出 广 泛 前 景[2]。 就 谷 氨 酰胺转氨酶的来源、理化性质、作用机制等进行了 综述。
了商业化生产。 微 生 物 来 源 的 TGase 属 于 胞 外 酶 ， 可 直 接 分 泌
到 培 养 基 中 ， 分 离 纯 化 较 动 植 物 来 源 的 TGase 容 易，并且微生物发酵原料廉价、产酶周期短，最有希 望进行大规模工业化生产，因此备受研究者的青睐 [25]。 近 年 来 微 生 物 来 源 的 TGase 正 逐 渐 代 替 动 物 来 源 TGase 用 于 商 业 化 生 产 ， 成 为 商 业 上 主 要 的 TGase 来 源 [26]。
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B. subtilis AJ12866
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S. mobaraenisis S-8112 S. mobaraenisis WSH-Z2 S. cinnamoneum S. griseoverticillatum " S. ladakanum # S. ladakanum $ S. libani N13452T S. hygroscopicus WSH03-13 B. circulans B. subtilis AJ1307
微 生 物 来 源 的 TGase （Microbial transglutaminase，MTG） 主 要 来 自 链 霉 菌 属 （Streptomyces spp.） 和 芽 孢 杆 菌 属 （Bacillus spp.）。 1989 年 ，Ando 等[6]从 茂 原 链 轮 丝 菌 Streptomyces mobaraensis 中 首 次 分 离 得 到 了 微 生 物 来 源 的 TGase。 该 酶 分 子 量 为 37.9 kD， 由 331 个 氨 基 酸 组 成 ， 活 性 中 心 含 有 一 个 半 胱 氨酸残基，活性不依赖钙离子。 随后，研究者在 S. mobaraensis 不同菌株[15]、Streptomyces cinnamoneum[16]、 Streptomyces griseoverticillatum[17]、Streptomyces ladakanum [18 ~19]、Streptomyces libani [20]、Streptomyces hygroscopicus[21]、Bacillus circulans[22]及 Bacillus subtilis [23，24] 等 微 生 物 中 发 现 了 TGase 的 存 在 ， 并 且 进 行 了 发 酵 工艺优化、酶纯化、基因工程表达等大量相关研究，
Abstract： Transglutaminase that can catalyzes an acyl transfer reaction，generates inter- and intramolecular crosslinks between proteins. Due to great potential to improve various functional properties of proteins，TGase has many biotechnological applications involved particularly in food processing industry，medicine，cosmetic and textile industry. In this paper，sources，enzymatic properties，reaction mechanism and production of TGase were reviewed and enzymatic properties from various sources of TGase were discussed detailedly.
表1
(kD) 37.9 40 41 41 39 37.5 37.9 38 45 29
不同来源谷氨酰胺转氨酶的酶理化性质比较
8.9 8.9 9.8 9.7
7.9 6.4
6.3
pH 6~7 6~7 6~7 6~7 5.5 6.0 5.0 6~7 7.0 8.2
pH
5~9 5~9 5~9 6~8 5~7 5~7 5~7 4.5~9 6~8.5 7~8.5
1 谷氨酰胺转氨酶的来源
TGase 广 泛 地 存 在 于 自 然 界 生 物 中 。 自 1957 年 Clarke 等[3~7]在 豚 鼠 肝 脏 中 首 次 发 现 TGase 以 来 ， 研 究者陆续在鱼、鸟等动物以及微生物和植物生物中 发 现 了 TGase。 1.1 动物来源的谷氨酰胺转氨酶