纤维素酶：特征，结构，功能 - 生物学 - 2024

所述纤维素酶是一组由植物产生的酶，并通过各种微生物“纤维素”催化活性涉及纤维素的降解，最丰富的多糖的性质。

这些蛋白质属于糖苷水解酶或糖基水解酶家族，因为它们不仅能够水解纤维素中的葡萄糖单元，而且还能够水解谷物中存在的某些β-D-葡聚糖中的葡萄糖单元之间的键。

纤维素酶分子结构的图形表示（来源：Jawahar Swaminathan和欧洲生物信息学研究所的MSD员工通过Wikimedia Commons）

有人认为它存在于动物界，而草食性动物对纤维素的消化归因于共生肠道菌群。但是，最近的研究表明，这种酶也是由无脊椎动物，例如昆虫，软体动物和某些线虫产生的。

纤维素是所有植物生物体细胞壁的重要组成部分，也是由某些藻类，真菌和细菌产生的。它是由D-吡喃葡萄糖通过β-1,4键连接而成的高分子量线性同多糖。

这种多糖具有机械和化学抗性，因为它是由在通过氢键稳定的纵轴上排列的平行链组成的。

由于植物是主要的纤维素生产者，是食物链的基础，因此这些酶的存在对于利用所述组织至关重要，因此对于大部分陆地动物（包括动物）的生存至关重要。微生物）。

特点

由大多数微生物表达的纤维素酶在细胞外基质中发挥其催化功能，并且通常，它们被大量生产，其在工业上用于许多目的。

细菌会产生少量复杂的纤维素酶，而真菌会产生大量的酶，这些酶并不总是相互关联，而是协同作用。

取决于所研究的生物，尤其是原核生物和真核生物，这些类型的酶的“分泌”途径非常不同。

分类

纤维素酶或纤维素分解酶在自然界中以多酶系统的形式存在，即形成由一种以上蛋白质组成的复合物。它们的分类通常将它们分为三个重要的组：

- 内切葡聚糖酶或内在1,4-β-D-葡聚糖葡聚糖水解酶：在纤维素链内部区域的随机“无定形”位点切割

- 外切葡聚糖酶，纤维二糖水解酶或1,4-β-D-葡聚糖纤维二糖水解酶：水解纤维素链的还原端和非还原端，释放葡萄糖或纤维二糖残基（连接在一起的葡萄糖基）

- β葡糖苷酶或β-d葡糖苷葡糖水解：能够水解纤维素的非还原端和释放的葡萄糖残基的

一些生物体产生的纤维素酶的多酶复合物被称为纤维素体，其单个成分难以识别和分离，但可能对应于上述三类酶。

在每组纤维素酶中都有家族，这些家族由于具有某些特殊特征而被分组在一起。这些家族可以形成“家族”，其成员在序列上有差异，但彼此具有一些结构和功能特征。

结构体

纤维素酶是“模块化”蛋白质，由结构和功能上离散的域组成：催化域和碳水化合物结合域。

像大多数糖基水解酶一样，纤维素酶在催化结构域中拥有一个氨基酸残基，该残基充当催化亲核试剂，在该酶的最佳pH值下带负电荷，另一个残基充当质子供体。

这对残基取决于表达酶的生物，可以是两个天冬氨酸，两个谷氨酸或每个。

在许多真菌和细菌中，纤维素酶是高度糖基化的蛋白质，但是，独立研究表明，这些碳水化合物残基在这些酶的酶活性中不发挥主要作用。

当纤维素酶缔合形成复合物时，在同一底物的不同形式上实现更高的酶促活性时，它们最多可具有五个不同的酶亚基。

特征

这些重要的酶，尤其是由纤维素分解细菌和真菌产生的酶，从生物学和工业角度来看，都具有多种功能：

生物

纤维素酶在复杂的纤维素和木质纤维素生物降解网络中起着基本作用，而纤维素和木质纤维素是生物圈中最丰富的多糖。

由许多食草动物的胃肠道相关微生物产生的纤维素酶代表自然界中最重要的酶家族之一，因为杂食动物和严格的食肉动物以这些动物吸收的生物质为食。

例如，人食用植物性食品，其中存在的所有纤维素都被认为是“粗纤维”。后来由于粪便没有酶，因此粪便将其清除。

反刍动物，例如牛，由于使用了纤维素中葡萄糖形式的碳，因此能够增加体重和肌肉大小，因为它们的肠道菌群负责通过纤维素酶的活性降解植物。 。

在植物中，这些酶负责响应在不同发育阶段发生的不同刺激（例如果实的脱落和成熟，叶片和豆荚的脱落）而导致细胞壁的降解。

产业

在工业水平上，这些酶被大规模生产并用于与植物材料及其加工有关的许多农业过程中。

在这些过程中，有生物燃料的生产，纤维素酶满足了工业酶需求的8％以上。这是因为这些酶对于从不同来源的植物废料生产乙醇极为重要。

它们还用于纺织工业中，用于多种目的：动物饲料的生产，浓缩饲料的质量和“消化性”的提高或果汁和面粉的加工过程中。

这些蛋白质又用于生产油，香料，商业用途的多糖（如琼脂），也可从种子和其他植物组织中获得蛋白质。

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