植物細胞壁多糖降解中相關輔酶的研究

周惠 李飛 夏文靜

摘 要：文章系統(tǒng)的研究了在植物細胞壁多糖支鏈的降解過程中起關鍵作用的輔酶，對輔酶的來源、分類及作用等進行了闡述，為植物細胞壁多糖的完全降解提供了理論依據。

關鍵詞：植物細胞壁；多糖；輔酶

1 前言

植物細胞壁多糖的完全降解取決于作用于細胞壁多糖主鏈的酶和作用于主鏈結構的取代物和側鏈的輔酶。一些輔酶作用于連接主鏈與取代基的化合鍵，而另一些酶則作用于側鏈內或末端的化合鍵。這些片段與曲霉菌產生的作用于植物細胞壁多糖的不同輔酶有關。

2 相關輔酶研究

α-D-木糖苷酶.。α-D-木糖苷酶能夠將木葡聚糖水解成α鍵連接的木糖殘基。我們僅僅對曲霉菌產生一部分木糖苷酶特性有所了解。這些酶對α鍵連接的木糖殘基有高度的專一性，有關它們能水解的葡糖苷類型不同，其專一性不同。從A.niger中獲得的兩種酶都能作用于p- 硝基苯基-α-D-吡喃型木糖苷，異 草糖以及源于木葡聚糖的寡聚糖。黃曲霉產生的α-木糖苷酶Ⅰ能夠作用于底物所有三種類型，而真菌中的α-木糖苷酶Ⅱ僅僅作用于p- 硝基苯基-α-D-吡喃型木糖苷，一小部分作用于異 草糖。黃曲霉本身就能產生α-木糖苷酶Ⅰ，而真菌中α-木糖苷酶Ⅱ需要木糖誘導才能產生。

α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和阿拉伯木糖阿拉伯呋喃水解酶。 阿拉伯糖殘基能夠被α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和阿拉伯木糖阿拉伯呋喃水解酶水解。人們已經對這些酶及許多不同生物體相關基因進行研究，顯示對不同底物的強專一性。

曲霉菌在阿拉伯木聚糖，甜菜漿狀物以及L-阿拉伯糖和L-阿拉伯糖醇上生長時，能夠觀察到阿拉伯呋喃糖苷酶的生成。當曲霉菌在燕麥和白樺樹木聚糖上生長時，能夠生成阿拉伯木聚糖阿拉伯呋喃糖水解酶。

阿拉伯糖基木聚糖阿拉伯呋喃糖水解酶不能將與葡糖醛酸取代木糖基相連的木糖水解為阿拉伯糖，這種酶不能水解阿拉伯二糖側鏈。

阿拉伯糖基木聚糖阿拉伯呋喃糖水解酶和阿拉伯呋喃糖苷酶關于葡糖苷酶的分族之間的區(qū)別是明顯的。阿拉伯呋喃糖苷酶被分到51和54族，兩者均含有一種保守機理，然而阿拉伯糖基木聚糖阿拉伯呋喃糖水解酶屬于62族。A.sojae中得到的阿拉伯呋喃糖水解酶由于氨基酸的原因被分到62族，但是它與A.niger中獲得的阿拉伯糖基木聚糖阿拉伯呋喃糖水解酶A的底物專一性不同。后者酶僅僅作用于阿拉伯木聚糖，而阿拉伯呋喃糖水解酶也能將L-阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳糖水解成阿拉伯糖。目前還未說明這些酶的水解機理。從A.niger中獲得的Abf A與Abf B被分到不同的家族，這可能反應出酶底物專一性的差別。兩種酶都能將阿拉伯聚糖和甜菜漿狀物水解為阿拉伯糖，但是只有Abf B能夠將木聚糖水解為阿拉伯糖。

阿拉伯糖內切和外切酶。阿拉伯糖內切酶水解α-1，5鍵連接的阿拉伯多聚糖，該糖存在與果膠中的側鏈。盡管一些阿拉伯呋喃糖也能夠水解多聚阿拉伯糖，但是阿拉伯糖內切酶大大的增強了阿拉伯糖降解的效率，并影響了阿拉伯呋喃糖苷酶的活性。當曲霉菌在甜菜漿，L-阿拉伯糖和L-阿拉伯糖醇上生長時會產生阿拉伯糖內切酶。

α-和β-D-半乳糖苷酶。 植物細胞壁多糖中D-半乳糖的水解需要α-和β-D-半乳糖苷酶的作用。β-半乳糖苷酶將果膠半乳聚糖側鏈水解釋放末端半乳糖殘基。α-半乳糖苷酶參與半乳（葡）甘露聚糖的降解，將骨架中的甘露糖基水解釋放半乳糖。在某些半乳葡甘露聚糖中，末端β-鍵連接的半乳糖基的存在意味著α-和β-D-半乳糖苷酶可能對這些多聚糖的降解起著重要的作用。目前還未有報道有關α-和β-D-半乳糖苷酶對木聚糖作用活性的研究。然而，當天然底物中含有木聚糖時會產生α-和β-D-半乳糖苷酶，這表明這種酶在木聚糖降解方面的作用。已經有報道當曲霉菌生長在含有阿拉伯木聚糖，葡萄糖，角豆膠，小麥和水稻麩皮，乳糖，半乳糖，半乳甘露聚糖或關華豆膠的環(huán)境中時會產生α-半乳糖苷酶。而當生長在含有阿拉伯木聚糖，多聚半乳糖醛酸水稻麩皮和乳糖環(huán)境中時會產生β-半乳糖苷酶。在曲霉菌中已經純化得到不同的α-半乳糖苷酶，但是僅僅得到一種β-半乳糖苷酶。β-半乳糖苷酶在分子量上的差別很可能是由于鏈的不同和酶糖基化程度不同造成的。

內切-和外切半乳糖酶。 果膠的半乳糖側鏈可被內切半乳糖酶，外切半乳糖酶和β-半乳糖苷酶水解。內切半乳糖酶能夠水解多聚半乳糖，并釋放出半乳二糖和半乳三糖。在含有甜菜漿，大豆和角豆膠的環(huán)境中能夠生成內切半乳糖酶。這些酶的區(qū)別在于它們水解半乳糖基鍵β-1，3-，β-1，4-，β-1，6-鍵的能力。果膠側鏈中存在兩種類型的阿拉伯半乳糖。類型Ⅰ由β-1，4糖苷鍵連接吡喃型半乳糖構成的骨架結構，而類型Ⅱ是由β-1，3糖苷鍵連接吡喃型半乳糖構成的骨架結構，其側鏈是β-1，6糖苷鍵連接的吡喃型半乳糖。三種內切酶同時存在時才能將這些多糖的完全水解，但是迄今為止，主要對β-1，4-內切半乳糖酶有所報道。在A.niger中純化獲得兩種外切半乳糖酶。β-1，4-外切半乳糖能將低聚半乳糖和土豆半乳糖水解并釋放半乳糖，此外，這種外切半乳糖酶還有半乳糖轉移酶活性，這意味著這種酶可以應用到生產特殊的寡聚半乳糖方面并有水解保守機理。β-1，3-外切半乳糖對于本地植物多糖不顯示活性，但是對從阿拉伯樹膠中獲得的β-1，3-半乳糖顯示較高的活性，主要包括部分酸解和兩步Smith降解。這種酶能夠通過水解主鏈中與分支點相連的β-1，3鍵而釋放出阿拉伯半乳糖Ⅱ的β-1，6-側鏈。

α-葡糖醛酸糖苷酶。α-葡糖醛酸糖苷酶能夠水解木聚糖骨架中的葡糖醛酸殘基和4-O-甲酰脂。將大量真菌和細菌培養(yǎng)物過濾后，濾液中能檢測到這種酶的活性，但是僅僅能從一小部分有機體中純化得到α-葡糖醛酸糖苷酶。已經從A.niger和A.tubingensis中分離得到α-葡糖醛酸糖苷酶。這種酶主要作用于小的木聚寡聚物，因此決定與內切木聚糖酶的活性。α-葡糖醛酸糖苷酶對寡聚糖有較高的活性，而對多聚底物有較低甚至沒有活性。

阿魏酰和p-香豆酰酯酶。 一些種類的阿魏酰和p-香豆酰酯酶由于它們的物理特性和底物專一性不同而能將它們分離。所有的酶除了A.awamori p-香豆酰酯酶都作用于甲基阿魏酸鹽。甲基阿魏酸鹽是一種通常用于分析阿魏酸酯酶的合成底物。阿魏酸酯酶對天然底物的活性研究主要集中在木聚糖和源于木聚糖的寡聚糖，大多數酶都能將其水解并釋放出阿魏酸鹽。只有兩種酶：FaeA和CinnAE能夠將果膠水解并釋放出阿魏酸。將A.niger中FaeA和CinnAE進行比較研究顯示，F(xiàn)aeA更加偏愛在芳香環(huán)3′位置含有甲基官能團的底物，當芳香環(huán)中甲基官能團數量增多時酶活性會提高。CinnAE對在芳香環(huán)3′位置含有甲基官能團的底物活性較低甚至沒有活性，而在芳香環(huán)其他位置有額外的甲基與沒有取代基時相比，CinnAE活性會降低。芳香環(huán)上的氫取代物會提高CinnAE的活性，而降低FaeA的活性。針對這兩種酶將來自甜菜漿和水稻麩皮的寡聚糖水解并釋放阿魏酸的能力進行研究。FaeA能夠釋放連接到阿拉伯糖O-5位置的阿魏酸（存在水稻阿拉伯木聚糖中）。不能釋放連接到阿拉伯糖O-2位置的阿魏酸（存在甜菜果膠中），但能連接到阿拉伯糖O-6位置的阿魏酸（同樣存在甜菜果膠中），這意味著FaeA對鍵存在專一性而不是多聚物組分。CinnAE（FAE-Ⅰ）能夠所有用于測試的寡聚糖水解并釋放阿魏酸，但對阿拉伯糖鍵連接的阿魏酸顯示更高的活性。這些數據暗示了來自A.niger的不同阿魏酰酯酶對細胞壁多糖降解方面有輔助的功能。盡管這在其他有機體內并沒有詳細研究，但是已經證實其他阿魏酰酯酶存在底物專一性差別。A.awamori產生的香豆酰酯酶不能水解阿魏酰酯。在其他機體內并未有報道同樣的香豆酰酯酶，但是當使用甲基阿魏酸鹽作為底物時，幾乎檢測到所有純化的阿魏酰酯酶活性。但卻沒有檢測到香豆酰酯酶的活性。

乙酰-和甲酰酯酶. 乙酰和甲酰酯酶將細胞壁多糖骨架水解并釋放出乙?；图柞；?。乙酰木聚糖酯酶將木聚糖主鏈中木糖的O-2或O-3位的乙酰基水解，盡管在一些曲霉菌例如：A.niger，A.japonicus，A.nidulans中已經檢測到乙酰木聚糖酯酶的活性，但是在曲霉菌中華僅僅純化得到一小部分乙酰木聚糖酯酶。與其他大部分輔酶不同的是，乙酰木聚糖酯酶對多聚物底物有較高的活性，對內切木聚糖酶有效降解木聚糖骨架有很重要的作用。A.niger乙酰木聚糖酯酶的存在使白樺樹木聚糖能被三種類型的內切木聚糖酶和β-木糖苷酶降解，在不含乙酰木聚糖酯酶時，這三種酶不能降解這種底物，這意味著乙酰木聚糖酯酶在木聚糖降解中的重要性。

已經從曲霉菌中純化得到兩種乙酰甘露聚糖酯酶。從A.niger中得到的乙酰甘露聚糖酯酶對降解乙?；肴椋ㄆ希└事毒厶蔷哂懈叨鹊膶Ｒ恍裕鳤.oryzae中得到的乙酰甘露聚糖酯酶僅僅在一小部分對乙?；揪厶秋@示活性。這兩種酯酶對多聚物和低聚物都顯示活性，并且可以顯著影響β-1，4-甘露聚糖酶的活性。然而，β-1，4-甘露聚糖酶的存在對A.oryzae乙酰甘露聚糖酯酶的活性比對A.niger乙酰甘露聚糖酯酶的活性影響更大。

果膠平滑區(qū)中的乙?；图柞；軌虮还z乙酰酯酶和甲酰酯酶所水解。從曲霉菌屬中已經純化獲得一些果膠甲酰酯酶。多聚半乳糖醛酸梅和果膠裂合酶降解果膠主鏈的能力取決于果膠甲酰酯酶的活性。最近研究表明，果膠甲酰酯酶不能水解果膠骨架nonreducing末端的甲?；膊荒軐⒓柞Ｖ陌肴樘侨┧岫畚锶ブ?。目前僅僅報道了一種曲霉菌屬乙酰酯酶。1H-核磁共振圖譜實驗證實連接到果膠骨架上的乙酰基的差別，并顯示A.niger果膠乙酰酯酶（PAE）的活性取決于這種差別。果膠乙酰酯酶與果膠甲酰酯酶和果膠裂合酶一起協(xié)同作用。

參考文獻

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