一种受葡萄糖/盐激活的高温β-葡萄糖苷酶的酶学性质研究

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β-糖苷酶是纤维素水解过程的限速酶,在纤维素水解过程中,β-葡萄糖苷酶能够解除纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制。此外,β-糖苷酶在食品的香气物质的释放、生理活性寡糖及其衍生物的制备与改性等方面也具有重要的应用。β-糖酶的来源非常广泛,如细菌、古细菌、真菌、植物以及动物。不同来源的β-糖酶在活性、最适温度、最适pH、底物特异性及抑制和激活等方面具有很大的差别。发掘新酶源,发现在上述因素方面有优异表现的新酶品种,是酶工程领域的一个重要的研究内容。细菌Acidothermus cellulolyticus11B来自美国黄石公园,生长温度55℃,能够利用纤维质生长,表达丰富的糖苷水解酶类。其中ABK51908.1被预测编码β-葡萄糖苷酶(AcBg)。Bgl基因全长1437bp,编码的484个氨基酸,整体GC含量为62%,无信号肽,属于糖苷水解酶第1家族,估计相当分子质量约53.0kDa。AcBg最高氨基酸同源率为59%,同源结构模拟和分子对接显示Glu178,Pro236,Asn307,Tyr309,Asn310,Glu382,Glu436是很保守的,它们参与了β-葡萄糖苷酶和底物的结合或催化。我们应用分子生物学的方法,将基因成功构建到pET-20载体质粒上,并进行了工程菌的大量表达。经多步骤的纯化后,得到了比较纯的重组β-葡萄糖苷酶。我们对重组蛋白进行了酶学性质表征,结果表明,AcBg的底物是多种纤维寡糖,AcBg还可以水解其它芳香基葡萄糖,是一种β-葡萄糖苷酶。重组酶的最适pH和最适温是7.0和70℃,在最适条件下对pNPGlc水解活力为12.1U/mg。重组酶具有高热稳定性,70℃半衰期为8小时。HPLC分析结果表明,该酶是一个渐进的外切糖苷酶。研究发现,该酶能被一价阳离子激活,在5M NaCl或KCl条件下,酶活力增大约2.6倍和2.2倍,在接近饱和盐浓度条件下,酶的活力仍然是未加盐的2倍以上。二价金属离子(如Ni2+,Zn2+,Fe2+,Mn2+等)不同程度地抑制了酶的活性,其他二价金属离子对酶活性没有明显影响。经研究还发现葡萄糖对酶的活力也有激活作用,0.2M葡萄糖存在条件下酶活力到达最大,是未加葡萄糖的1.9倍。AcBg显示了典型的盐激活和葡萄糖激活特性。催化动力学分析表明,NaCl激活过程中,Km并没有发生变化,但kcat/Km由原来的71.0变为158.4;而葡萄糖使酶Km发生变化,未加葡萄糖的Km为0.21mM,0.2M葡萄糖的Km为0.9mM,1.0M葡萄糖的Km为5.7mM。kcat/Km也发生了很大变化,未加葡萄糖的kcat/Km为71.0,0.2M葡萄糖kcat/Km为37.0,1.0M葡萄糖的kcat/Km为6.7。圆二色谱和内源荧光分析,高浓度的NaCl并没有影响蛋白结的二级结构,但内源荧光强度发生较大变化,推测认为,高浓度的NaCl可能改变了氨基酸(Phe、Trp、Tyr)周围的微环境,从而提高了酶活力。
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