生淀粉糖化酶的结构和作用机理
第31卷第1期 2001年3月
工业微生物
IndustrialMicrobiology
Vol.31No.1
Mar.2001
生淀粉糖化酶的结构和作用机理
诸葛斌, 姚惠源, 姚卫蓉
(无锡轻工大学食品学院,无锡,214036)
摘 要: 较详细地介绍了生淀粉糖化酶的形式、结构((与生淀粉亲合方式和催化)。关键词:生淀粉糖化酶; 结构; 作用机理 ,,因此一直。通过多年对菌种选育、酶的分离提纯、酶化学性质以及酶的功能和结构等方面的研究,研究人员对生淀粉酶有了初步的了解。近年来,国外对生淀粉酶的结构和机理的研究比较多。本文对这些研究作一介绍。
[6]
分为三类GⅠ、GⅡ、GⅢ或GAⅠ、GAⅠ′、GA[7,9]Ⅱ,其中可以对生淀粉发生作用的是GAⅠ(G),即生淀粉糖化酶,而GAⅠ)Ⅲ′、GAⅡ(GⅠ、GⅡ
虽然能对糊化的淀粉进行作用但不能水解生淀粉[7,9]或作用能力非常弱[12,13](见表1)。还发现GAⅠ′、GAⅡ可以通过枯草杆菌蛋白酶对GAⅠ作表1 Rhizopussp.的葡萄糖淀粉酶三种形式
对生淀粉和可溶性淀粉催化性能的比较[13]
酶形式
U/mg
GAⅠGAⅠ′GAⅡ
26.51.461.26
1 生淀粉酶
生淀粉酶至今还没有一个严格的定义它为哪一
种酶,一般来说是指可以直接作用、水解或糖化未经蒸煮的淀粉颗粒的酶。因此生淀粉酶所涉及的酶有
β好几种α,2淀粉酶、2淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脱枝酶中
都有对生淀粉作用的成分[1～5]。猪胰脏α2淀粉酶对生淀粉具有较好的水解能力,霉菌的α2淀粉酶分解生淀粉的能力较弱,倒是其葡萄糖淀粉酶能较好地分解生淀粉[14]。经过多年的研究探索,科研人员发现能够产生淀粉酶的菌比较多,但报道最多的是曲霉(Aspergillus)[1,2,5,9]、芽孢杆菌(Bacillus)[3]、根霉(Rhizopus)[4,6,8]。除微生物外已知的生淀粉酶来源有50多种。
生淀粉
U×10-7/mol
1968.577.70
可溶性淀粉
U/mg58.170.568.2
U×10-9/mol
4.304.134.00
用得到[6,7,8,9],以来自Aspergillusawamorivar.
Kawachi.葡萄糖淀粉酶为例,它们的分子量分别为GAⅠMW90,000、GAⅠ’MW73,000、GAⅡMW57,000[10]。葡萄糖淀粉酶GAⅠ之所以具有对生淀
粉水解作用是由于其除了具有包含了催化位的GAⅠ′外还具有与生淀粉相结合的亲合位点Cp区域和GP-I(MW13,200)[1,5,7,11],虽然亲合位点Cp与GP-I的复合体对生淀粉具有吸附能力,但对生淀粉和糊化的淀粉不具有催化能力。对生淀粉和糊化淀粉都有水解作用的GAⅠ中的催化位点是一段肽链的前部分,即靠近N端的第1位的Ala至第469位的Val。生淀粉亲合的位点与GAⅠ中的催化位点相隔一段肽链,即靠近C端的第470位的Ala至第615位的Arg,进一步可分为GP-I和Cp区域,分别位于靠近C端的第470位的Ala至第514位的Val和第515位的Ala至第615位的Arg。亲合位点的肽链序列如下:[2]
2 生淀粉糖化酶的结构组成
α 葡萄糖淀粉酶(EC3.2.1.3,1,422D2glucanglucohydrolase)是能从非还原末端外切淀粉的α21,42葡糖苷键和α21,62葡糖苷键,生成β2葡萄糖的酶。真菌产生的葡萄糖淀粉酶对生淀粉具有较好的分解作用,不同来源的淀粉糖化酶其结构和功能有一定的差异,对生淀粉的水解作用的活力也不同。通过对葡萄糖淀粉酶的分离纯化的研究,研究人员将其
作者简介:诸葛斌(1969～),男,硕士生,工程师。
—49—
第1期
工 业 微 生 物
第31卷
ATGGTTTTATTTGSGGVTSTSKTTTTASKTSTTTSSTSCTTPTAV470515GP2ICpCp
GESTATVTDTWR
514
AVTFDLTATTTYGENIYLVGSISQLGDWETSDGIALSADKYTSSNPLWYVTVTLPAGESFEYKFIRVESDDSVEWESDPNREYTVPQAC
合位点连接的一段肽链骨架[18]。
)有三部分组 由此可见,生淀粉糖化酶(GAⅠ
成:含催化位的GAⅠ’、连接催化位与直接亲合位的Gp-I和直接亲合位Cp。构想的GAⅠ的可见结构如图1。
→615
3 生淀粉糖化酶的作用机理
G,α21,62葡糖苷,。对于糊化淀粉和可溶,由于在水中水分子可以直接渗透到淀粉分子内部,淀粉分子在水中呈松散状态,酶极容易切断糖苷键,所以不需要Gp-I和Cp。而生淀粉颗粒在水中由于其表面与水分子形成氢键,从而形成水束,生淀粉颗粒表面大量的水束形成了一层水分子无法通过的水束层。只有当温度升高时水束层被破坏,水分子渗入淀粉颗粒,使淀粉颗粒膨胀、糊化。
(water-clusterdissoci2人们称之为“水束隔离模式”
atingmodel)。因此,酶是否能与生淀粉颗粒表面结合是水解生淀粉的关键[7]。生淀粉糖化酶的亲合位不仅与肽链的氨基酸残基有关,而且与亲合位点中的碳水化合物有关,当含量高时有利于生淀粉的吸附和水解。与酶Gp-I中Thr和Ser连接的甘露糖不同于葡萄糖,它对淀粉表面的水束聚集有破坏作用,并使得生淀粉颗粒表面的水束变成单分子的水,以便于淀粉水解(图2)[7]。在Gp-I区域分布着大量的Thr和Ser及其与甘露糖通过糖苷键形成的复合体
。
ShinsakuHAYASHIDA等通过对A.awamorivar.Kwaachi、A.awmori、A.niger、Bhizoousoryzae葡萄糖淀粉酶的GP-I肽链序列的比较发现有很大相似性[7],可以推测不同来源的葡萄糖淀粉酶GA十分相似的亲合生淀粉的位点。-和Ser,ThrSer的[15,16],如果,则酶对生淀粉的水解作用大大降低[1]。根据Shendy等研究人员的报道[17],这种糖链与葡萄糖淀粉酶的耐热性有关,此外,Williamson等人认为GP-I
区域是酶的催化位点与亲
图1 生淀粉糖化酶结构示意图
图2 生淀粉糖化酶的Gp-I与生淀粉颗粒表面结合示意图
—50
—
第1期诸葛斌,等:生淀粉糖化酶的结构和作用机理第31卷
除了Gp-I中的Thr和Ser及其与甘露糖通过糖苷键形成的复合体与生淀粉颗粒表面连接外,Cp区域中的第562位的Trp也通过氢键与淀粉颗粒表面连接。Gp-I和Cp共同作用使酶与淀粉形成一个内含复合体。
当酶与淀粉颗粒连接后,内含复合体中的多个高焓的水分子可以破坏淀粉分子颗粒内维系螺旋空间结构的氢键[1,18]。维系淀粉分子的螺旋被破坏后就有可能游离出淀粉分子的非还原端,该还原端进入GAⅠ’区域的催化位点后被分解(图3)[3]。由于淀粉分子成链状,所以水解是连续的Gp-I和Cp,系螺旋结构的氢键
,
粉颗粒表面形成许多空穴(图4),从而达到水解的目的。
总之,生淀粉糖化酶的水解过程是:吸附、形成内含高焓水分子的内含复合体、内含复合体中水分子破坏维系淀粉分子螺旋结构的氢键、水解糖苷键。在实际情况下,种酶单独作用,,其机献
GOTOetal.Biosi.Biotech,Biochem.,1995,59
(1):16～20[2] MASTOSHGOTOetal.APPL.ENVIRON.MICROBIOL.Dec.
1994:3926～3930
[3] Cheorl-HoKimetal.BiochimicaetBiophysicaActa,1992,1122:
243～250
[4] HiroshiMoritaetal.J.Appl.Glycoci.,1999,46(1):15～21[5] KeijiKAINUMAetal.J.Jpn.Soc.Starchsci.,1985,32(2):
136～141
[6] Jun-ichiABEetal.J.Jpn.Soc.StarchSci.,1988.35(1):43
图3 生淀粉糖化酶水解生淀粉颗粒示意图
图4 生淀粉糖化酶作用后的玉米生淀粉
～47
[7] ShinsakuHAYASHIDAetal.Agric.Biol.Chem.,1989,53(1):
143～149
[8] HiroshiMoritaetal.J.Appl.Glycosci.,1999,l46(1):15～21[9] ShinsakuHAYASHIDA,andPerfectoQ.FLOR.Agric.Biol.
Chem.,1981,45(12):2675～2681
[10] PERFECTOQ.FLOR,andSHINSAKUHAYASHIDA,AP2
PL.ENVIRON.MICROBIOL.,Mar,1983.:905～912
[11] KohsaiFUKUDAetal.Biosi.Biotech,Biochem,1992,56(4):
566～559
[12] BadalchandraSAHAandSeinosukeUEDA.J.Jpan.Sci.,1984,
31(1):8～13
[13] TomokoTAKAHASHI,Keiko,YoshioIKEGAMI,andMasachi2
kaIRIE.J.Biochem,1985,98:663～671
[14] 二国二郎主编(王薇青等译).淀粉科学手册.北京:轻工业
出版社1990.10:131
[15] A.Gunnarssonetal.Eur.J.biochem.,1984,145:463～467[16] S.Hayashidaetal.Agric.biol.chem.,1989,53:135～141[17] B.C.Shendy,A.G.A.Rao,andM.R.Rrao.J.biosi.,1984,6:
601～612
[18] G.Wlliamson,N.J.Belshaw,andM.Pwilliamson.Bichem.J.,
1992,282:423～428
[19] M.Goto,K.Tanigawaetal.Biosci.Biotech.Biochem.,1994,
58:49～54
—51—