细菌纤维素酶结构和功能总结

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1、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

2、）、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

3、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Ce

4、x。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

5、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-

6、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（Linke

7、r）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”（t

8、unnel）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