第!"卷第!期#$$"年!月

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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

&’((&’((&’((

&’4)&’4;&’4;

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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8<

!由拟康氏木霉培养滤液中分离出“氢键

酶”

远在半个世纪前，!""#"等即提出应存在破坏结晶纤维素的“氢键酶”，但遗憾的是至今未能在微生物中获得证实$%，&&’年，()*+"",-(.#/,

［］%0等在黄瓜胚轴中，分离出一种蛋白质———“"1-

学性质的变化，提出了这类短肽化合物，络合并还

<N）原铁（I，活化分子氧，引发I"",G/,反应和氧化

纤维素羟基，促进糖苷链断裂，形成短纤维的作用

［］，）%0%机理$

”，具有使离体的植物细胞壁伸长的作用，也.,#3,2

可使滤纸强度减弱，但无还原糖的产生$他们推测这类酶应具有破坏氢键的作用$近来我们由4$#"+5/6/,3,33滤液中分离到一个分子量约为8’927

’的蛋白，:为;$0$它可使棉纤维，几丁质等%02

膨胀但无还原糖的产生$红外光谱分析表明，它确

可减弱棉纤维的氢键区的吸收强度（<=00!<800)>?%羟基吸收区）关于它的结构与功能的研究正在进行中$

).存在时加入图*+-/01+后，!和,

（／）产生的［/23因子($&501+6+7］89:图谱］4"

为一典型的%［P(的K（O8O8O%的QM-ML］H!四线谱!!(RS

（）加入%>／；（）不加L@>/DTLS%’$&J）.MM88；88

纤维素和木素主要存在于植物细胞次生壁的中层，大分子的酶无法直接进入次生壁$但电镜切片可观察到，次生壁可首先发生降解$于是研究者们推测，应存在此类可降解木素，纤维素的低分子类

图"“氢键酶”作用棉纤维!"#后的红外差光谱"$$$!"$$%&’(区域，谱带相对吸收强度的比较

“氢键酶”作用8.天然棉纤维，@’A后，)$差谱.-@

化合物$但由于观察到的现象都来自粗酶滤液的混合作用，难于确证$在%&&;年，才见有部分纯化

［］%’此类物质的报道$我们在证实此类物质普遍存在

的基础上，基于对纯组分（H／的系统研究提IJIJ4）

)非酶催化的氧化性降解在纤维素生物降解过程中普遍存在

%&&=年以来，先后从分属于%B属的约C0种（株）真菌中检测到可氧化性降解纤维素的短肽类化

［］%!%<合物$在拟康氏木霉中和密粘摺菌的培养滤液

出了它们作用机理的模式图$表明氧化性降解也是纤维素生物降解的一个组成部分（图=，），这在过;

去研究中是被忽略的$

LMUU

检测.$()，JGKH!）

到JG引发的羟基自由基LM和超氧阴离子自由基

?（图C）$结合由其导致的纤维素物理、化M8的产生

［］，）%8%”，并用电子自旋共振法（

MLNML

?

图;真菌产生的短肽类（／），经,9,2,23-<3=<

反应途径产生羟基自由基的模式图

）王%蔚$褐腐真菌降解纤维素机制的研究$山东大学博士论文，8008万方数据

中分离到毛细管电泳纯的短肽组分：“#3,D"E3@"F7

，H",".G3/,E.)G/FIJI”和“!"#$#&""()*+,-77%’

VN I"HIJI

UN I"HIJIMU

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图!羟基自由基对纤维素分子链进行氧化性降解的机理模式图

’(并上述实验表明，!因子产生#"$依赖于%&需要$$"因子可能通)，#))的参与*由此推断，!

（.）中还出现了一过%&+",+反应产生$#，在图- 2三重峰，表明体系中有 2个［/0$1$2$)］)的形’(的还原驱动了超成且推测是!"因子的加入、%& )(’(2氧阴离子自由基的形成，($&($%&)!%)*

我们由此可推测#$))的形成途径：众所周知，)2

$#)或接))的形成可通过$)接受两个电子形成$

2受一个电子产生$（）所.)这两条中间途径，由图- 2知体系中产生了$$))是通过)，因此可以断定，# 2

$)

2这一中间路径产生*在生物系统中，$)极易

"纤维素酶分子的高效催化活力来自于其完

整的拓扑结构

经木瓜蛋白酶有限酶切和系列分离纯化后，得到了拟康氏木霉内切、外切纤维素酶的催化结构域和纤维素结合结构域*测定了34#!，5!!全酶分子及其)个结构域在纤维材料上的吸附和脱吸附能力，以及它们酶解几种纤维材料时的比活

［，］67-"76力*结果表明，虽然单一的3/或34/仍

然可表现出水解和吸附能力，但是任何单一的结构域，或者两个结构域等物质的量的混合液的水解或吸附能力，都远低于其相应的全酶分子*例如，34#!的34/及3/都可吸附于棉纤维上，但很易被洗脱*而3／4#!全酶分子吸附后，用78,9:;<39也洗脱不下来*34#!和5!!协同降解结晶纤维素的功能，也只能体现在这)个酶分子共同反应条件下，用等物质的量的=个结构域的混合液作用时，表现出的协同能力大为降低*进而用来自不同纤维素酶分子的3，用基因工程方法组建成4/和3/杂合酶分子，深入探讨了其结构与功能的关系7）*

2通过歧化反应形成#$)#(!#$)$)())，))($)，

)(的电子而形成2或者通过$&)接受两个来自% )(’(2

$($)#(!%&(#$%&#))，))*虽然无法)(分辨#$"因))由上述哪条途径产生，但可以断定!

子介导的#$))的生成是通过超氧阴离子自由基

2———$")这一中间产物形成的，在这个过程中，!

’(是’(的还原驱动因子还原%$#生成的前提，%&& 2了$$))的形成*)的产生，从而引发了#

万方数据）肖志壮7*瑞氏木霉内切葡聚酶基因的亚克隆及表达*山东大学博士论文，)>>7

第!"卷

瑞氏木霉!"#!的!$值比"#"的低几百则比"倍，而其转换数（"%）#"的低&’#(’’倍，结果，这两种酶的催化效率（"%／处在同一数量!$）

级上!从理论上讲，将底物亲和力高的"#!的)*+区与催化能力强的"#"的)+区杂交组合起来，有可能提高酶的催化效率!本实验室已经克隆到了"#!基因!为了研究链接区的功能及)*+与)+区的相互作用，从瑞氏木霉,+-.文库中克隆出"#"基因，采用重组/)0技术将编码"#!信第!期#$$"年!

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(&

!微纤维排列和取向的无序化是结晶纤维素

难以被酶降解的主要原因

纤维素酶在酶解过程中的失活和残余纤维素结晶度的增加，曾被认为是纤维素难被酶降解的主要

［］(原因!我们在研究中发现，多次使用新鲜纤维素

酶液酶解残存纤维时，并未能提高其酶解效率!另外，当无定型区被酶解后，结晶区在大幅度被酶降解过程中，其结晶度基本不变，但酶的吸附效率却号肽、)*+和链接区（第1#2’位氨基酸）的基因片段与编码"#"催化区（第1#341位氨基酸）的基因片段重组为杂合酶基因，转入酿酒酵母中表达!

对"#"，"#!和杂合酶的最佳作用温度及6值的测定结果显示，3种酶的最佳作用温度均为’8，和56值为&!’!它们在最佳作用条件下酶的

比活分别为：’!29，1!11，’!(9:;／$<蛋白，与其双亲相比，杂合酶的蛋白分泌量没有明显变化，但比活力却显著降低!"#"，"#!和杂合酶对磷酸膨胀纤

维素的吸附力分别为：77!&=，4>!2=和34!4=!显然，杂合酶对纤维素的吸附能力也明显下降!

杂合酶与其亲本性质的比较结果说明，杂合酶#的)+和)*+的重组并未能体现两个结构域之间简单的协同作用关系!造成重组酶活性改变可能有两方面原因：（?）)*+和)+虽然可以彼此独立，而保持各自的结构和功能，但是，当这两个结构域之间通过一段由3>个氨基酸组成的铰链区连接成一条肽链，折叠为具有三维空间结构的酶分子时，+和)*+的肽链之间相互影响，相互作用，会改变它们的三维空间结构!如果同源的)+和)*+的连接，它们的拓扑空间结构适合于降解纤维素!反之，异源的)+和)*+的重组，可能会破坏它们的最适作用的空间结构，致使杂合酶对纤维素的吸附及降解能力都显著降低!（??）尽管"#"，"#!如)*6"，*6$都有两个结构和功能的区域：一个)+连结一个)*+，而且，它们的)*+有4’!&=的同源性，但是，"#"和)*6"的)*+位于酶分子的)@端，"#!和)*6%的)*+却位于蛋白质的-@端!)*+和)+之间的方向性可能与它们的三维结构及其协同作用关系密切，从而对纤维酶分子的整体结构影响很大!

#

"的)*+从酶分子)@端删除，而在其-@端加上#!的)*+

，这样，重组酶分子上的两个结构域的相对位置发生了改变，不利于它们之间的协同作用!

因而，重组酶对纤维素的降解能力显著下降万方数据!

大幅度减低，而活化能却大幅度增加!这都反映了上述认识的局限性!

)*+作用棉纤维后（图(，3

）导致微纤维链间氢键结合减弱，吸水力增加，纤维溶胀［19#(’］!但对长期酶解过程中，棉纤维样品的红外光谱的比较还可看出，纤维素晶格发生了由"型到%型的转变!

纤维%中氢链平均长度较纤维素"为短［(1］，堆砌数

为紧密，所以它在热力学上较稳定!而发生这些复杂的超分子结构的动态变化，在过去酶解过程研究中被互略!由于一个纤维素酶分子如)*6"

（图9）吸附纤维时，其宽度要跨越(#>根微纤维［(3，(>］，

其排列间隙的加大和取向无序化，都会造成纤维素酶吸附的困难，而纤维素酶的吸附是其降解固体纤

维素的必需阶段，水解速率又正比于吸附量［(］!我

们认为，上述超分子结构的变化，应是导致纤维素酶在残存的纤维上吸附能力显著下降，而水解活化能却显著增加的原因，因而难以被酶降解!

图"纤维素酶分子#$%!的扫描隧道显微图像［&

&］

#ABCD’!12E.，$F?GH

D19’$I!扫描范围：37E$J37E$’纤维二糖脱氢酶（()**+,-+.)/)01/2+3)45.)，#6%）

在木素和纤维素降解中作用的机理)+6发现(’余年来，只明确它可氧化纤维二糖，但它在木素和纤维素降解中的作用却不清楚!

5

7"))""

!?

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我们的研究表明，在!（株）真菌中，"种#种可合成

［’］

，$%&的既能降解纤维素又能降解木素的菌株!

表明它与木素的降解有关(进一步观察到，裂菌褶

(色氨酸荧光的变化作为酶构象变化的探针，揭示酶高级结构的变化

在纯化得到内、外切纤维素酶的纯组分并对酶的生物学、物理化学性质研究的基础上，进行了!类酶的内源荧光、圆二色谱、氨基酸残基化学元素

［，］"N"’修饰及酶解过程中动力学的比较研究(目的是

的纤维二糖脱氢酶，可以氧化纤维二糖并还原多种物质，催化的是一双底物双产物反应，符合乒乓机制(在电子供体纤维二糖存在下，$%&可以还原由豆壳过氧化物酶（，）氧化)*,-./0122*-3*456.)-7&8+多种芳香化合物所生成的产物(7羟基苯&8氧化9:丙三唑（0，&生成的产物对63*4,-/;*<35.;*2-=>）++探索色氨酸在内、外切纤维素酶结构与功能关系中的作用(结果表明，它位于酶的活性位点附近，而&8有失活作用(而在纤维二糖存在下，$%&可

以还原该氧化产物，从而阻止其对酶的失活作用($%&还可以抑制7&8氧化聚合愈创木酚等酚型化合物的反应(从而证实$%&可以促进木素酶对木

素的降解［!?!!@］(继而发现，在白腐菌的锰过氧化

物酶（A/B）酶解硫酸盐浆酶分离木素（C-2212.)--/;+:D.2+)5)25E

/5/，$FG）时，加入$%&，能使木素降解溶出物质明显增加，表明$%&也能促进A/B的降解作用，使$FG中甲氧基、羟基、酚羟基和总羟基含量减少(9&HAI分析表明，锰氧化物酶处理时，加入$%&还能使$FG中质子数进一步减少(实验结果证实，$%&具有促进A/B对木素降解的

作用，从而表明$%&不仅能促进纤维素降解［!#，"J］，而且也是木素生物降解体系中的重要组成部分之

一［"9!""］(

表!棉纤维酶降解过程中红外光谱"###!"##$%&’

区域某些谱带相对吸收强度的比较

谱带／CDK9

谱带归属

［9@，（峰）

!J］相对峰面积／L

K9酶解?6酶解9!6酶解9@6?9?M&面外弯曲

K#(NK"O(@K’N(!??’M&面外弯曲K9@("KNJ(JK?JOJ’M&面外弯曲K?(NK’N(@K’@(J#JJ$9振动K""("KN9(?K’N(!9J"’$

—M伸缩（伯醇）KNN(JK"@(!K’!(J9J?J$

—M伸缩（仲醇）K"!(J

K?J(JK’O(J999"不对称环内伸缩纤维素P!PPK9’(O

KNO(NK?!(999?J不对称$—M—$伸缩K9@(9K"#(@K’’(O9!J’M&面内弯曲

KO"(OK@!(’K’O(!9"9O$&!摇摆

K#(’K"?(?K’O(99""OM&面内弯曲

KN?(#K?9(!KO"(N9"O!$&弯曲，纤维素P!PPKO(OK"!(NK’N(’9N"J$&!剪切，纤维素P!PPK9O(@KN’("K?!(@9?NJ吸附水Q?(’Q#(9KNN(J!#JJ$&伸缩K"’("K!J(@K’9(?"?JJ!M&伸缩（氢键）K!N(!

K9O("

KN@(J

"!JJ

且与底物结合有关(荧光光谱测定指出，酶的荧光几乎都来自色氨酸残基(在酶分子中，色氨酸所处微环境对B&变化非常敏感，降低B&导致了酶分子

构象发生了较大变化(配基结合使酶分子色氨酸环境产生了改变，引发了与B&诱导不同的构象变化(表明色氨酸很可能位于或接近酶的底物结合位点(荧光激发和发射峰值测定结果表明：配基（纤维二糖）结合使色氨酸微环境发生了变化，很可能使色氨酸从羧基或咪唑基的附近离开了，而导致荧光不再表现大的B&依赖性(B&诱导的结合是敏感的，降低B&可能导致了一些色氨酸更加暴露；配基结合改变了色氨酸的微环境，同时使酶分子构象发生了变化，但酶的整体构象不再随B&变化(并由此证明，内、外切纤维素酶催化结构域三维结构的细

微差别，是其底物专一性不同的原因［"?，"O］(以低浓

度的十二烷基磺酸钠（7%7）为微扰剂处理外切酶$=&"时，可显著增加$=&"的内切酶活力(荧光

和圆二色谱测定表明，其内切酶活力增加的原因可能为$=&"活性部位附近色氨酸所处微环境变化所

致［"?］(进一步观察H:溴代琥珀酸钠修饰内切酶FR"时，酶活力的完全丧失先于酶的荧光强度淬

灭发生，增加纤维二糖浓度可增加对酶荧光淬灭发生的保护，表明催化结构域中的色氨酸位于底物结合位处(用荧光和圆二色谱研究了$=&"和FR"在不同B&和配基结合时的构象变化，无配基时，

两者构象变化相似，加入配基时导致了不同的变化(在低B&区，FR"构象变化的B&依赖性较$=&"大，FR"较$=&"更易受外源干扰(这都表明，FR"活性部位的“结合色氨酸”较$=&"的“结合色氨酸“更加暴露于溶剂中(根据上述试验结果，我们提出了一个解释内、外切纤维素酶与

表纤维作用时，底物专一性不同的运动模式［"O，"@］：

$=&"活性部位呈桶状，只能允许单根纤维分子链

进入(FR"活性部位为一开放的裂隙，可使酶分子

7

第!"卷

“骑”在纤维表面上，进行随机性内切，水解出纤维寡糖（图!）"

#&%

第!期#$$"年!月

BD

［，］IJIC有正常活力的酶蛋白"’;)!在体外兔网织红

细胞裂解液中，得到正确转录和翻译成非糖基化的

’;)!，和糖基化修饰并不影响纤维素酶比活力的

结果，进一步为糖基化的作用是防止蛋白酶水解的新观点提供了试验证据"

#$%

’(()-

!甘氨酸可为酶类活性部位提供柔性“&’(’

”短肽模式，可用于预测糖苷酶类活性部位)

在对纤维素酶分子结构与功能研究的基础上，+,(

(’!!

’(()

图!内、外切纤维素酶与底物作用时底物专一性

不同的运动模式

［"，#$］（&）外切纤维素酶与底物作用；（$

）内切纤维素酶与底物作用提出糖基化的功能是防止蛋白酶水解的新

观点

纤维素酶分子都是糖基化的糖蛋白，但对其糖基化的功能一直没有确认"我们分析了纤维素酶被木瓜蛋白酶有限酶切的结果，发现其酶切位点都位于“./012+”附近"而且是发生在一些由3.4，52+和*6+组成的寡肽上"而这样的肽已被证明是蛋白酶的酶切位点：3757*，873／378，37379，这里的时常是疏水基团"我们和已报道的结果都表明：糖基化不是纤维素酶水解纤维素活力所必需"什么是糖基化的作用呢？仔细考察不难发现：外切酶的012+是糖基化的，内切酶的./012+不是糖基化的，外切酶的./012+中含有一些可能的蛋白酶切位点，而内切酶中却几乎没用"所以，糖基化的作用应该是防止蛋白酶切"这种作用对纤维素酶的功能可能

是很重要的［:!］"但是这些基于序列分析的认识还需

进一步的试验证实"

我们进一步利用体外无细胞系统（不含催化糖基化的酶类），研究了微紫青霉’;)!的表达和调控机制"分别以,3<=7:>?@A8和扩增的

A8’;)!为转录7翻译模板，在体外兔网织红细胞裂解液中成功表达了不含糖基化的’;)!，表达量

达BC"D"

E万方数据／FG"以二糖苷（,AH’）为底物，表现为为了对其进行蛋白质工程设计提供新的线索，我们对已知其三维结构的B:个酶

（分属于K大类酶）的活性位点区域的氨基酸残基出现规律做了统计分析"发现它们都是富含3（甘氨酸）7L79残基的，而且一般以37L79（或97L73）寡肽出现，与L，9残基的极性相反，它们的分子量和极性也较小，37L79寡肽出现的频率远较其他区域高"酶的其他区域则无此特征性寡肽，表明甘氨酸可为酶类活性部位提供柔性，这是酶活性位点构象变化所必需的"以纤维素酶和过氧化物酶为例，对此做了构象分析"表明用37L79寡肽来构建酶的活性位点是切实可行的"是预测酶活性位点研究的一个成功的尝试"

概括这些新进展，我们提出了纤维素酶降解过程的模式为：它是由纤维素聚合物分子链的解链和其糖苷键的水解（解聚）先后发生并同时反复进行的过程所组成"前者起始于纤维素酶分子对纤维表面的吸附，导致了分子链间氢链断裂和单一基元纤维2.2F20M&+4

N/$2+）的分离，造成纤维素聚集结构态的改变，是降解过程的限速阶段"后一过程水解单一基元纤维链的糖苷键，使其断裂，形成可溶性糖类，对解链也有协同促进作用"在天然生态条件下，真菌产生的一类短肽化合物，可通过引发O207MP0反应，形成羟基自由基，可首先对次生壁纤维进行非酶催化的氧化性降解，和促进纤维素酶降解的进行"长期酶解过程中，发生微纤维排列和取向的无序化及纤维素晶格发生了由!型到#型的转变，是结晶纤维素难以被酶降解的主要原因"从而修正了当前通行的纤维素酶降解只涉及水解反应的看

法［C$I］"能比较全面的反映纤维素酶降解的全过程"

已知纤维素合成过程中，分子链聚合度的增加与结晶化是同时进行的，而且后者是这个过程的

［I:］"从物质和能量转化的角度来看，纤维素

的生物降解也正是其合成的逆过程，氢链断裂造成的微纤维、基元纤维的分离也应是这个过程的“瓶

（%9./@“瓶颈”

@G

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，$"[224&..%&,-.!S2NC2.&3(.-5N&)0,30&.-,257-*4D0&*2.)332C;’

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，，：1)24&54-,)2*26N224!P%)2,&30$>>K#?$??’$#T-*%U，&,-.!X*,5)*7)36.(25&73&*3&)*&*42.(3-*-7&-*43&..21)2;’

颈”!但是众多的研究都以糖苷键的水解为惟一目

标，忽略了纤维素超分子结构的影响!所以多年来由此而进行的提高纤维素酶解效率的工作没有显著效果!依据上述发现，结合对真菌纤维素酶合成中的诱导和阻遏作用机制、水解活性的抑制作用等的研究，我们提出了经济、有效转化纤维性材料的一

［，］"""#些新策略!

"#$%&’(")*,+(-’&.&)#/((7;?G!P+52,&)*0452.-7&652C!E0

，：$>>K$GQG$A0&C，

$Q阎伯旭，等!内切葡聚糖苷酶的化学修饰!生物化学杂志，

，：$>>K$??J@致谢分析测试工作得到中国科学院物理研究

所纳米物理与器件实验室，中国科学院化学研究所，中国科学院长春应用化学研究所，天津轻工学院纤维素化学实验室和山东大学药学院等单位的协助，谨此致谢!

参

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第!"卷

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纯化及性质#微生物学报，，：-..$’$’"%!&/01234506#789:;609<8:=9>8?@?5;<84?>1:>1A>9@058>1>A746+

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纳米团簇二维人造晶格研究取得重要进展

纳米团簇由几个到几十个原子组成，原子尺度上的尺寸涨落或局域的排列非周期性都将导致其性质的戏剧性变化#制备大小均匀且具有严格空间周期分布的纳米团簇阵列是许多科技人员多少年来努力的方向#过去的研究发现，包含特殊个数（幻数）原子的团簇具有显著的稳定性#中国科学院物理研究所表面物理实验室薛其坤和贾金锋领导的研究小组巧妙地把这种稳定性和周期纳米模板相结合而使制备首次获得成功#

薛其坤等人制备了高度有序的)（）8$$$+(Y(清洁表面，并以此为模板，在超高真空环境下将金属原子蒸发在上面#实验中模板表面温度要保持在$..至-..Z之间，金属原子的蒸发速率控制在每分钟约为百分

$$个均匀的金属纳之几个原子单层#原位扫描隧道显微镜观察表明，在$#M@@Y’@@的范围可以形成约$.

米团簇，每一团簇座落于硅晶体表面二维晶格单胞的某个确定位置上形成有序结构#实验表明，用这种方法可以精确地控制团簇的大小、组分及其晶格的类型，可用于R，O，V，*，V1061E等多种金属及其合金

的纳米团簇两维人造晶格的制备，晶格结构的热稳定性均在-（最高达MM.Z以上M.Z）#将会在纳米电子学、超高密度信息存储、纳米催化、量子计算和信息处理等方面有潜在的重要应用价值#

薛其坤等还与美国再生能源国家实验室张绳百博士、橡树岭国家实验室张振宇博士以及加拿大国家研究局的李志强博士合作，利用扫描隧道显微镜／谱和第一性原理总能量计算，确定了金属R1团簇的原子结构，澄清了周期点阵的稳定性及形成原因#这是目前为止表面上团簇的第一个令人信服的原子结构模型#它对理解其电子结构、建立宏观物性和微结构关系以及发现新的效应奠定了基础#

该项工作先后在《J》，《J》和《V》等期刊发表，=?8:06P4T84X,45549?=?8:06P4T84X2684<J=?8:?,45549?CCGGC

引起了国际学术界广泛关注#先后被美国物理学会《J》以“F”=?8:06P4T84X[>:;?=4*08:>AL01>:6;?549?CE

》以“)”为题做了专门介绍#英国《L》杂为题和美国《):841:4L4X?>X81405P>X?>A)44<?>1)868:>105;94EL志出版集团的《L—J》，《L—*》、美国《*P》、英国《D05;94=?8:?J>950605;940549806?W<054)2;66458164:59>18:CG

》、美国《》等多种杂志和媒体也对该项成果及其可能的应用前景进行D181449818@4?R1A>9@058>1)054668554EEF了报道和介绍#

该小组的研究工作得到了国家自然科学基金委员会的大力支持#小组负责人之一薛其坤研究员是$%%"年国家杰出青年科学基金获得者，海外合作者中张振宇博士也是$%%%年海外青年学者合作研究基金获得者#该研究小组隶属的研究集体更获得了国家自然科学基金委员会“创新研究群体基金”的资助，群体负责人之一王恩哥研究员是$%%M年国家杰出青年科学基金获得者#

万方数据

（供稿：何杰）

纤维素酶降解机制及纤维素酶分子结构与功能研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

高培基

山东大学微生物技术国家重点实验室,济南,250100自然科学进展

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