β-葡萄糖苷酶研究进展

β-葡萄糖苷酶研究进展

1.1 问题的提出及意义

随着能源危机、食物短缺、环境污染等问题正日益严重地困扰着整个世界，寻找开发新能源、节省粮食、减少环境污染显得越来越重要。纤维素类物质是自然界中存在的最廉价、最丰富的一类可再生资源。全世界每年的植物体生成量高达100-500亿吨干物质，其中一半以上为纤维素和半纤维素[1]。纤维素在一定条件下可以被水解成单糖，单糖可再通过微生物发酵生产各种有用的产品，如饲料、燃料、化工原料、食品、药品等，并且可取代目前的淀粉原料发酵生产的各种产品，以及由化工燃料合成生产的部分有机产品[2,3]。开发高效转化木质纤维素类可再生资源的微生物技术，利用工农业废弃物等发酵生产人类急需的燃料、饲料及化工产品，即化工原料的“绿色化”，具有极其重要的意义和光明的发展前景。

纤维素酶是一类能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称，它是一类复杂的复合物，称之为纤维素酶系,根据其中各酶功能的差异，可将其分为三大类：(1)内切β- 1，4- 葡聚糖酶(endo- β- 1, 4- glucanase，EC3.2.1.4，也称Cx 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β - 1 ，4 - 糖苷键，将长链纤维分子截断，产生大量小分子纤维素；(2)外切β- 1，4- 葡聚糖酶(exo- β- 1, 4- glucanase，EC3.2.1.91，也称C1 酶)，作用于纤维素线状分子末端，水解β - 1 , 4 - 糖苷键，每次从纤维素链的非还原端切下一个纤维二糖分子，可以水解微晶纤维素； (3)β-葡萄糖苷酶(cellobiohydrolase,EC2.1.21，简称CBH)，水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖[4]。3种酶协同作用，完成对纤维素的降解。

1837年，Liebig 和 Wohler 首次在苦杏仁中发现β-葡萄糖苷酶[5]。后来研究发现，β-

葡萄糖苷酶存在于植物[6]、昆虫[7]、酵母、曲霉及细菌体内。它参与生物体的糖代谢，对维持生物体正常生理功能起着重要作用。β-葡萄糖苷酶是纤维素酶系的重要成员，在纤维素水解时，纤维二糖的积累会抑制内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶的活性，而纤维素酶组分中该酶含量最少、活力普遍较低，因此成为纤维素酶解的瓶颈[8]。增加β-葡萄糖苷酶活性，会有效提高纤维素酶解效率。目前，国内外多家研究机构正致力于β-葡萄糖苷酶的分子生物学研究，以期望更好改善纤维素酶的催化效率，利用纤维素资源。

1.2 国内外研究现状

目前β-葡萄糖苷酶的研究主要集中在高效产生菌分离、酶作用机理、酶生理生化特性及β-葡萄糖苷酶基因克隆上。

1.2.1 β-葡萄糖苷酶的分类与底物特异性

根据氨基酸序列分类，将β-葡萄糖苷酶划分在糖苷水解酶家族1和3中。家族1中的β-葡萄糖苷酶来自于细菌、植物和哺乳动物；家族3中的酶来自于真菌、细菌和植物。家族l中的酶除有葡萄糖苷酶活性外，还有很强的半乳糖苷酶活性[9]。

几乎所有的β-葡萄糖苷酶对底物的糖基部分结构的专一性较差。能裂解C—0糖苷键、C—S键、C—N键、C—F键等；有些对糖基部分的C和C构形也不专一， 能同时水解β-葡萄糖苷酶键和β-半乳糖苷键，有些甚至C位的专一性也不高，能水解木糖[10]。但在所有底物中，β-葡萄糖苷酶对纤维二糖的活性最强。在β-葡萄糖苷酶C端的高度保守序列可能与结合糖苷底物有关，在这区段的微小差异决定了β-葡萄糖苷酶的不同底物特异性[11]。

1.2.2 β- 葡萄糖苷酶的理化性质[12,13,14]

一般来说，不同来源的β-葡萄糖苷酶的相对分子量由于其结构和组成不同而差异很大，最适pH相差不多，最适温度因其来源不同而相差很大，表一[15]列举了一些不同来源的β-葡萄糖苷酶的理化性质。

表一 不同来源的β-葡萄糖苷酶的理化性质

β-葡萄糖苷酶的相对分子量一般在40—250kDa之间。已报导的β-葡萄糖苷酶的pI 大多数都在酸性范围，并且变化不大，一般在3.5～5.5 之间，但最适pH 可以超过7.0，而且酸碱耐受性强。β- 葡萄糖苷酶的最适温度在4 0～1 1 0 ℃之间都有分布；一般来说，来自植物的β-葡萄糖苷酶最适温度在40℃左右，而来自古细菌的β-葡萄糖苷酶其热稳定性和最适温度要高于普通微生物来源的β-葡萄糖苷酶[16]。对于工业应用来说，酶的热稳定性越高越有利。因此，从嗜热细菌中分离β-葡萄糖苷酶引起了人们的兴趣。

1.2.3 β- 葡萄糖苷酶的结构及催化机制

随着越来越多的β-葡萄糖苷酶基因已被克隆和序列分析，为其基因结构与功能方面的研究提供了重要依据。

同其他纤维素酶一样，β-葡萄糖苷酶也具有纤维素酶的一般结构，即含有催化结构域（CD）、结合结构域(CBD)、连接肽(Linker peptide)。催化结构域含有进行催化作用的活性中心，体现了催化活性及对特定水溶性底物的特异性；CBD通常位于酶蛋白的C-末端或N-末端, 其主要功能是将酶分子连接到纤维素上；连接桥主要是保持CD和CBD之间的距离, 也可能有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体[17,18]。

国外通过X射线晶体衍生法分析β-葡萄糖苷酶三维空间结构。糖苷水解酶家族1的典型结构具有8个(a／g)结构围成的桶状结构，也被称为4／7超家族。糖苷水解酶家族3有A区和B区两个域构成，B区包括SDW序列，内有活性为点Asp(D)残基。在分子水平上，水解酶家族3的编码基因有5个典型的区域构成，N端区、N端催化区、非同源区、C端未知功能区、C端残基[19]。

多数β-葡萄糖苷酶中起催化作用的是两个谷氨基酸残基，其中，靠近N端的谷氨酸起酸/碱作用，另一谷氨基酸起亲核试剂的作用[20]。但Grabnitz等人[21]研究发现来自

Clostridium thermocellum的β-葡萄糖苷酶的活性部分在N端的130个氨基酸区域，该区

的个性特征是氨基酸序列中心基团His-Asn-Glu-Pro，存在于该区域的具有催化作用的残基是相隔35～55个氨基酸的His和Glu，其中质子化态的完全保持残基His l21作为质子供体与Glu166协同稳定氧碳正离子。高度保守的C-端附近的残基也许参与了酶与糖苷基底物的键合，其中在该区的一些微小差异与不同β-葡萄糖苷酶的底物特异性有关。Shoseyov，O 等[22]通过用2-脱氧-2-氟基-β-D-糖基氟化物对该酶活性部位亲核体鉴定发现：bgl1 氨基酸序列排布中Asp 261 完全保守，此完全保守性与催化亲核体的关键作用完全一致。除了可形成共价糖基化酶中间体和稳定氧化卡宾体的类离子过渡态外，亲核体还可调节酸/碱催化碱基的电离状态，并且过渡态中还在糖状物的2-羟基位置上形成很强的氢键。

经研究证明β-葡萄糖苷酶在催化糖苷键的裂解反应时遵循两步双取代反应机制[23,24]，

其中有两个关键的活性部位羧基参与。其反应方程式如下：

第一步是酶与底物键合形成米氏复合物ES（反应速率常数分别为K1和K－1）。

第二步是酶－底物中间体（E-S）的形成（反应速率常数为K2）：酶的一个羧基（亲核体）攻击底物的端基异构体的中心部位，而另一个羧基（酸、碱催化剂）则使糖苷中的氧质子化，因此可辅助苷元的脱离，从而形成共价的β-糖基酶中间体（E-S）。在此过程中，BGL的活性中心可根据不同类型的底物而相应地发生一定程度的结构变化，从而使BGL 可以和多种糖类底物结合，这一步决定了BGL 具有底物专一性。

第三步是中间体的水解，由水按碱催化机制对端基异构体进攻，形成β-糖基产物并使酶恢复其初始的质子化态。BGL 在整个反应过程中其构型保持不变。

1.2.3 β-葡萄糖苷酶基因的克隆与表达

目前，国内外对β-葡萄糖苷酶分子方面的研究主要是：用基因工程技术构建含β-葡萄糖苷酶基因的克隆菌株；表达具有较高酶活力的β-葡萄糖苷酶；通过分子演化和设计来提高酶的功能性。β-葡萄糖苷酶基因重组表达是当前β-葡萄糖苷酶研究热点之一，已有很多不同来源的β-葡萄糖苷酶基因在大肠杆菌或酵母菌中得到高效表达，见表二[25]。

表二 部分已表达克隆的β-葡萄糖苷酶基因

1.2.3.1 β-葡萄糖苷酶基因的克隆

到目前为止，有上百个微生物、植物和动物中的β-葡萄糖苷酶基因已得到克隆并被测序，其中以微生物和植物为主。Pranita Roy 等[26]将Pichia etchellsii 的β-葡萄糖苷酶的基因进行克隆、测序并将其在大肠杆菌中表达，分析得到开放阅读框1515 bp，预测编码蛋白质量54 kDa，将表达后的酶液进行SDS-PAGE，结果证明蛋白质量为52.1 kDa。李远华等[27]将与萜烯类香气前体及与抗病虫害有密切关系的茶树β-葡萄糖苷酶cDNA通过pET-32a表达载体构建的重组质粒，转化到Escherichia coli BL21zztrxB(DE3) 中表达，诱导产生了63kD的融合蛋白，并主要在细胞质中以可溶性蛋白形式存在。融合蛋白具有正常的生物学活性，能催化葡萄糖苷键的水解反应。

早期β-葡萄糖苷酶基因的克隆是通过构建总DNA文库或鸟枪法进行活性筛选的方式获得的。随着PCR技术的应用，可根据种属相似性进行扩增克隆得到β-葡萄糖苷酶基因。随着基因组学的发展，越来越多的微生物基因组全序列被测定。通过序列筛查定位分析出可能的β-葡萄糖苷酶基因，是获得β-葡萄糖苷酶新基因的有效手段。

近年来，热稳定性的β-葡萄糖苷酶成为研究热点，Jiong Hong和Hisanori Tama[28]于2007年从一株嗜热子囊菌中分离出耐热的β-葡萄糖苷酶，该酶在70℃高温下仍有活性，序列分析表明该酶属于水解酶家族3成员。

1.2.3.2 β-葡萄糖苷酶基因的表达

β- 葡萄糖苷酶在纤维素降解中起关键作用，但其含量少、活力低，成为纤维素酶解的瓶颈。因此，通过基因重组技术构建工程菌，分泌表达高活性β-葡萄糖苷酶对纤维素有效降解具有重要意义。为此，已经有很多种β-葡萄糖苷酶基因被构建到不同的工程菌中。

许多研究表明，β-葡萄糖苷酶基因可以在大肠杆菌中表达。大肠杆菌基因结构简单，易于进行基因操作，而且它生长迅速，周期短，营养需求简单，适于工业化生产，但是，缺少真核生物的翻译后加工过程。赵云，刘伟丰等[29]将多粘芽孢杆菌β-葡萄糖苷酶基因重组到E.coli BL21中，在培养液中表达的β-葡萄糖苷酶活性达到24.7IU/mL。Mi-Ri Hong， Yeong-Su Kim等[30]在2009年将嗜热菌Caldicellulosiruptor saccharolyticus DSM 8903的β-葡萄糖苷酶基因在大肠杆菌中进行表达，纯化后，比酶活达到到13 U/mg，最适pH为5.5、最适温度为70℃。

随着真核表达体系的建立与完善，根据近年来研究表明，β-葡萄糖苷酶基因在酵母中表达比在大肠杆菌中表达的表达量和酶活性普遍要高些。最近10年，许多细菌和真菌的β-葡萄糖苷酶基因已经在酵母菌中成功地克隆和表达。酵母表达系统兼有大肠杆菌表达系统的优势：既便于培养，便于基因操作，成本低，繁殖快，又可对真核基因产物进行翻译后加工，得到正确折叠、有活性的蛋白。2003年，Kawai R和Yoshida M等人[31]从Phanerochaete chrysosporium 中克隆到的β-葡萄糖苷酶基因，采用毕赤酵母表达系统进行表达，其重组表达的酶活甚至达到原始菌株几十倍。Patrick Murraya 等[32]将来源于

耐热真菌Talaromyces emersonii的属于耐热家族3中的β-葡萄糖苷酶基因在绿色木霉中进行表达，最适温度达71.5℃。夏永振等[33]，利用酵母的表面表达系统将来自Trichoderma reesei的 β-葡萄糖苷酶固定在了酿酒酵母的表面上，得到了有活性的表面酶，实验结果表明酵母表面表达酶有活性，该酶的最佳诱导时间为24 h，最适温度是70℃ ，而酶活的最适pH是5．5，这为纤维素酶的同步发酵工艺提供了帮助。

1.2.4 应用前景

1.2.4.1 作为风味剂

β- 葡萄糖苷酶在食物中可以与鼠李糖苷酶、阿拉伯糖苷酶等风味酶协同作用于风味前体物—β-糖苷，促进挥发性糖苷配基的释放，起到增香作用[34]。如李平等[35]研究发现黑曲霉β-葡萄糖苷酶对苹果汁、柠檬汁、茶汁的增香效果良好。目前β-葡萄糖苷酶广泛应用于茶叶[36]、果汁和果酒[37]中增香，其应用逐渐得到开发。

1.2.4.2 作为脱苦剂

陶宁平等[38]研究发现葡萄糖苷酶可以把青梅中的苦杏仁苷分解为苯甲醛及氢氰酸和两分子葡萄糖，而使青梅苦味大大减少。虽然分解出的氢氰酸有时可使人食后中毒，但氢氰酸可在加热过程中蒸发掉，而且据报道，一定剂量的苯甲醛和氢氰酸混合物具有防癌效果。因此经常作为柑橘、橄榄中的去苦剂，除去苦味。

1.2.4.3 用于生产低聚龙胆糖[39]

目前，工业上对β-葡萄糖苷酶的主要应用是生产低聚龙胆糖。低聚龙胆糖比麦芽糖浆

具有更高的吸水性和较低的粘度，可预防食品中的淀粉老化和保持食品中的水分，具有增味作用和显著的保健功能。目前我国低聚龙胆糖的产量仍很小。

1.2.4.4 用于生产大豆异黄酮

大豆异黄酮可调控动物机体养分代谢，改善饲料利用率，可改善动物产品的品质，并有抗氧化作用，可以提高动物免疫功能和生产机能。但是大豆异黄酮主要以结合型的糖苷( glucosides) 形式存在，而研究发现：结合型的糖苷不具有最佳的生理活性状态。β-葡萄糖苷酶能使大豆异黄酮苷等生物苷类物质脱去糖基，变成分子量较小的高生物活性苷元，进而提高生物利用率。据报道，豆奶中添加β-葡萄糖苷酶或接种产β-葡萄糖苷酶的微生物，都能够将豆奶及豆奶粉中生物有效性较低的异黄酮糖苷化合物高效转化为高活性的异黄酮苷[40]。

1.2.4.5 制造生物酒精

将β-葡萄糖苷酶与纤维素内切酶、纤维素外切酶基因转入酵母菌中进行同步糖化发酵制造生物酒精。同步糖化发酵过程是将生物质水解产生还原糖和还原糖发酵产生乙醇组合到一起，在同一步骤进行，这样一方面可以使还原出来的糖被酵母利用生成乙醇，解除了产物对酶的抑制作用；另一方面降低了发酵罐中的糖含量，从而降低了染菌几率[41]。2005年，全球生物酒精的需求量已达到38.27 million kL，但目前使用的原料是淀粉和蔗糖，严重影响了产量[42]，利用同步糖化发酵可利用廉价的原料如麦麸、稻壳等进行工业酒精的生产，降低了成本。

1.2.4.6 防治病虫害

植物中β-葡萄糖苷酶在防御害虫方面起着非常重要的作用，它能分解植物中丰富的葡萄糖苷DIMBOAGlc，释放有毒的苷配基部分DIMBOA，是植物体中防御食植动物和害虫的主要化学物质。而且，该酶可以水解野黑樱苷，释放HCN，对植物体也起到一定的抗病虫害作用。Shu Wei，Yaniv Semel[43]等将黑曲霉的β-葡萄糖苷酶基因转入烟草中进行表达，提高了对粉虱的毒杀能力。

1.2.4.7 其他

据报道无色的靛蓝苷在β-葡萄糖苷酶水解作用下即可形成天然色素靛蓝[44]，因此β-葡萄糖苷酶可用于生产天然染料。根据 β-葡萄糖苷酶的半乳糖酶活力还可以将其应用于乳品业来分解乳糖，与其它酶协同作用生产葡萄糖与单细胞蛋白，以应用于饲料工业和医药领域等。日用化工业中，利用β-葡萄糖苷酶的转糖苷作用，可以生产非离子表面活性剂烷基糖苷。

1.2.5 存在的问题

要使β-葡萄糖苷酶真正能够用于工业生产，首先要降低β-葡萄糖苷酶的成本，因此，选育高酶活的β-葡萄糖苷酶菌株就成了关键之一。国内外普遍认为绿色木霉的纤维素酶产率最高，酶系最全，但它们却不能利用木质素，其纤维素酶比活力及β-葡萄糖苷酶比活力不太高，生产缓慢[45]。目前应用于工业的β-葡萄糖苷酶类大多由真菌产生，芽孢杆菌属中的许多成员能产生β-葡萄糖苷酶，通常为胞外酶，然而这些细菌所产生的β-葡萄糖苷酶的工业应用尚比较少见，主要原因是其活性较低。国内β-葡萄糖苷酶生产没有形成大规模生产，而目前国内对β-葡萄糖苷酶的需求量很大，该产品在我国供需矛盾仍较大。