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纤维素酶降解机制及纤维素酶分子结构与功能研究进展!

高培基

山东大学微生物技术国家重点实验室，济南!"#$##

摘要提出并证实了氢键断裂是纤维素酶降解过程的初始、限速步骤和存在氧化性降解过程等

新见解7对提高酶降解效率的几种研究策略进行了分析7关键词

纤维素

纤维素酶

氢键

资源和环境问题是人类在!$世纪面临的最主要的挑战7生物质资源是可再生性资源，地球上每

$$$$，是年光合作用的产物高达$"!7#;$#<7";$#

方面的探索性研究，现把取得的进展做一简介7

人类社会赖以生存的基本物质来源7其中*#=以上为木质纤维素类物质7目前这部分资源尚未得到充分的开发利用7随着世界人口迅速增长、矿产资源日渐枯竭，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7

与淀粉酶相比，纤维素酶的分子转换率要低数十倍7长期以来，关于纤维素降解机制的研究都集中在内、外切纤维素酶（98//1>.1?5A1/-48#，@

怎样催化纤维素BCD#；8:51/69-:-48#，+E#）0分子链的$，&糖苷键的水解作用方面7!%$%#世纪(#年代末期在得到了内、外切纤维素酶催化结构域

（）的结晶，进行了序列分析和解析9-<-/<.951,-.:@了其三维结构等研究的基础上，已基本上弄清纤维素酶催化的水解反应与溶菌酶相似，即都遵循

［］$“酸／碱催化”的双置换作用机制7虽然在分子水

!纤维素酶分子结合结构域在纤维素表面的

吸附，导致微纤维内氢键的断裂

酶催化反应中，酶分子和底物的构象都会发生

［］!，但纤维的相应的变化，即“诱导—契合”过程

表面不存在游离的分子链，它们都为葡萄糖残基上)个羟基形成的氢键定向排列为各种取向的聚集态

［，］)&结构7外切纤维酶的活性中心是陷入其催化域内的隧道状结构，只能容纳单一的基元纤维链（葡

［］"聚糖链）进入，和在链末端进行水解7因此，F.:%［］

，糖苷键发生:1<<提出’在纤维素分子链中的$%$&%

水解之前，必需有单一分子链的游离7然而，这都

只是推测7

$**G年我们报道了拟康氏木霉纤维酶经木瓜蛋白酶有限酶切，得到其外切和内切纤维素酶分子的催化结构域，结合结构域（，98//6/148>.:5.:1,-.:05）BCH7BCH具有非水解性的破坏纤维结构，形成

［］G短纤维的功能7此后，通过基因工程方法在微紫

［］［］(*青霉和瑞氏木霉中克隆出的结合结构域也表现

平上的研究工作已相当深入，但仍然未能阐明天然结晶纤维素难以被降解的原因7我们认为，这主要由于忽略了纤维素分子的超分子结构，即聚集态结构对降解的影响所造成7针对这些难点，开展了多

出同样的功能7扫描隧道显微图像显示出经外切纤维素酶吸附结合结构域作用后，微纤维间的排列表现出无序化和单一基元纤维链分离的情景（图$）7

!##!%#&%#&收稿，!##!%#’%$(收修改稿

（批准号：）、全国优秀博士论文基金和教育部博士点基金资助项目"国家自然科学基金重点项目)*&)##!#

万方数据：+%,-./-1!456785679:023

((

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而用纤维长度和粗度自动测量仪，对数千根纤维的纤维长度和粗度的自动测量的结果（表4）’更

进一步证实了经568作用后，微纤维键间氢链结合减弱，吸水力增加，导致纤维溶胀（直径增大）的结果’这与红外光谱分析结果也相一致（图(，）2’上述实验结果，清楚地显示出经568作用后，纤维素聚集态结构的变化，为近年来关于纤维素在酶解过程中其超分子结构应发生变化的推测，给予了试验证实’

图!棉纤维的扫描隧道显微图像

（）天然棉纤维!!’()*+，",(&01，扫描范围："#$%&-!.%/（）2(*034)*0；,567!568作用后微纤维间的排列无序化，

样品天然棉纤维

表!"#$作用棉纤维%&’后，纤维长度、粗度的变化

测纤维重均纤维长数均纤维长纤维粗度

A4根数／／（0000／04&&0）@(&9B

&’((&’((&’((

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24’&42/’4/2;’)(

!%&’4&*+，",9901，扫描范围：(/*034/*0；"#$-!.%(（），:567!!%&’4&*+568作用后单一基元纤维链分离的情景，"#$（）在5",%4);01，扫描范围：9&*03/4*0；<67=和>?=-!.二类纤维素酶的协同作用下，棉纤维结构完全破坏=%&’()*+，"#$

经567=B4B568处理后2经>?=568处理后

(B)(

",%/(&01，扫描范围：)&*03/9*0-!.

图%"#$作用棉纤维后，红外光谱()**!&**+,-!区域，谱带相对吸收强度的比较

（）天然棉纤维；（）!,567!/C后568作用(

图("#$作用棉纤维后，二阶导数红外光谱()**!((**+,-!区域谱带相对吸收强度的比较万方数据

（）天然棉纤维；（）!,567!/C后568作用(

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!由拟康氏木霉培养滤液中分离出“氢键

酶”

远在半个世纪前，!""#"等即提出应存在 …… 此处隐藏：21262字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……