专题论述
纤维素酶分子结构及作用机理的
研究进展
刘树立１，王
华２＊，王春艳１，盛占武１
（１．西南大学食品科学学院，重庆４００７１６；２．中国农业科学院柑橘研究所，重庆４００７１２）
摘要：纤维素是自然界中存在最广泛的一类碳水化合物，同时它也是地球上数量最大的可再生资源。利用微生物生产的纤维素酶将其转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于人类社会解决环境污染、食物短缺和能源危机具有重大的现实意义。综述了纤维素酶的分子结构、作用机理的研究进展。关键词：纤维素；纤维素酶；分子结构；作用机理中图分类号：ＴＳ２０１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００５－９９８９（２００７）０７－００１２－０４
Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｍａｂｏｕｔｃｅｌｌｕｌａｓｅ
ＬＩＵＳｈｕ－ｌｉ１，ＷＡＮＧＨｕａ２＊，ＷＡＮＧＣｈｕｎ－ｙａｎ１，ＳＨＥＮＧＺｈａｎ－ｗｕ１
收稿日期：２００６－１２－０４作者简介：刘树立（１９８１－），
＊通讯作者
男，硕士研究生，研究方向为农产品加工与发酵研究。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［６］王长青．我国水牛奶业开发前景及对策［Ｊ］．中国畜牧杂志，
２００４，（４）：３７－３９［７］
张新时．中国高速发展奶水牛业的建议［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集
５３（９）：３４２６－３４３３
［１５］ＤｉａｚＭ，ＤｅｃｋｅｒＥＡ．Ｃａｓｅｉｎｏｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｅｌｌ
ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ［Ｊ］．Ｂｉｏｆａｃｔｏｒｓ，２００４，２１（１－４）：７３－８［１６］ＸｕＲＪ．Ｂｉｏａｃｔｉｖｅｐｅｐｔｉｄｅｓｉｎｍｉｌｋａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄ
ｈｅａｌｔｈｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＦｏｏｄＲｅｖＩｎｔ，１９９８，１４：１－９［１７］ＭｉｎｅｒｖｉｎｉＦ，ＡｌｇａｒｏｎＦ，ＲｉｚｚｅｌｌｏＣＧ．ＡｎｇｉｏｔｅｎｓｉｎＩ－Ｃｏｎ－
ｖｅｒｔｉｎｇ－Ｅｎｚｙｍｅ－ＩｎｈｉｂｉｔｏｒｙａｎｄＡｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌＰｅｐｔｉｄｅｓｆｒｏｍＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｈｅｌｖｅｔｉｃｕｓＰＲ４Ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ－ＨｙｄｒｏｌｙｚｅｄＣａｓｅｉｎｓｏｆＭｉｌｋｆｒｏｍＳｉｘＳｐｅｃｉｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＥｎｖｉｒｏｎＭｉｃｒｏ－ｂｉｏｌ，２００３，６９（９）：５２９７－５３０５
［１８］ＧｏｂｂｅｔｔｉＭ，ＦｅｒｒａｎｔｉＰ，ＳｍａｃｃｈｉＥ．ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＡｎ－
ｇｉｏｔｅｎｓｉｎ－Ｉ－Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ－Ｅｎｚｙｍｅ－ＩｎｈｉｂｉｔｏｒｙＰｅｐｔｉｄｅｓｉｎＦｅｒｍｅｎｔｅｄＭｉｌｋｓＳｔａｒｔｅｄｂｙＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｄｅｌｂｒｕｅｃｋｉｉｓｕｂｓｐｂｕｌｇａｒｉｃｕｓＳＳ１ａｎｄＬａｃｔｏｃｏｃｃｕｓｌａｃｔｉｓｓｕｂｓｐＣｒｅｍｏｒｉｓＦＴ［Ｊ］．ＡｐｐｌＥｎｖｉｒｏｎＭｉｃｒｏｂｉｏｌ，２０００，６６（９）：３８９８－３９０４［１９］
ＣｌａｒｅＤＡ，
ＳｗａｉｓｇｏｏｄＨＥ．
Ｂｉｏａｃｔｉｖｅｍｉｌｋｐｅｐｔｉｄｅｓ：ａ
ｐｒｏｓｐｅｃｔｕｓ［Ｊ］．ＤａｉｒｙＳｃｉ，２０００，８３：１１８７－１１９５
［２０］王春凤，殷文政，王和平，等．抗人轮状病毒和大肠杆菌免
疫乳持续性研究［Ｊ］．食品科学，２０００，（５）：４２－４３
［８］章纯熙．水牛产业资源的利用和开发［Ｊ］．中国食物与营养，
２００６，（３）：１９－２１
［９］杨炳壮，梁贤威，曾庆坤，等．从世界水牛发展现状看我国奶
水牛业的发展趋势［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集：７３－８４
［１０］曹永新，杨金波，黄锋．中国水牛业的生产状况及产业化
前景［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集：２２－３９
［１１］杨白云，章纯熙，杨炳壮，等．水牛奶黑米酸奶的研制［Ｊ］．食
品科学，２００６，（７）：６７－６８
［１２］曾庆坤，章纯熙，杨炳壮．水牛奶鸡蛋酸奶的研制［Ｊ］．农牧
产品开发，２０００，（１０）
［１３］曾庆坤，章纯熙，杨炳壮．水牛奶双歧酸奶的制作［Ｊ］．中国
奶牛，２００１，（２）：４７－４９
［１４］ＭｉｑｕｅｌＥ，ＧｏｍｅｚＪＡ，ＡｌｅｇｒｉａＡ，ｅｔａｌ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃａｓｅｉｎ
ｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓ
ｒｅｌｅａｓｅｄ
ａｆｔｅｒ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ
ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
ｏｆｍｉｌｋ－ｂａｓｅｄｉｎｆａｎｔｆｏｒｍｕｌａｓ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃＦｏｏｄＣｈｅｍ，２００５，
１２
７．
专题论述
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｏｄＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１６；２．ＣｉｔｒｕｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｓｔｈｅｍｏｓｔａｂｕｎｄａｎｔｏｒｇａｎｉｃｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，
ａｎｄｉｔｉｓｔｈｅｏｎｌｙｒｅｎｅｗａｂｌｅｒｅ－
ｓｏｕｒｃｅｔｈａｔｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｌａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ．Ｓｏｉｔｈａｓｇｒｅａｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｍｅａｎｉｎｇｆｏｒｈｕｍａｎｂｅｉｎｇｔｏｓｏｌｖｅｅｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｆｏｏｄｓｈｏｒｔａｇｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓｔｈａｔｕｓｉｎｇｃｅｌｌｕｌａｓｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｔｒａｎｓｆｏｒｍｃｅｌｌｕ－ｌｏｓｅｔｏｅｎｅｒｇｙ，ｃｈｅｍｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｆｏｏｄ．Ｉｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａ－ｎｉｓｍａｂｏｕｔｃｅｌｌｕｌａｓｅｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
纤维素（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）是植物细胞壁的主要组分之一，占植物秸秆干质量的４０％～５０％。它对增强细胞壁的机械支撑强度、维持不透水性以及抗逆性有重要的功能作用［１］。纤维素酶（Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）是降解纤维素的一组酶系的总称，而纤维素是地球上数量最大但又未得到充分利用的一类多糖，微生物对它的降解、转化是自然界碳素循环的主要环节。近年来随着对纤维素酶研究的深入，以及越来越多的性质不同的纤维素酶的发现，使得纤维素酶的应用日益广泛。但是由于对纤维素酶的结构、功能特别是降解纤维素的作用机制还缺乏足够的了解，使得对纤维素酶的研究和高效应用存在很大的局限。由于分子生物学技术的兴起，使得人们能在基因水平上对纤维素酶类多样性的进化起源有了更进一步的研究。
期内仅对纤维素酶的结构域进行拆分。１９８６年
Ｔｉｌｂｅｕｒｇｈ［２］用木瓜蛋白酶有限酶切里氏木霉（Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ）的纤维二糖水解酶，即外切酶分子，得到两个具有独立活性的结构域：一个具有催化功能的结构域
（Ｃａｔａｌｙｔｉｃｄｏｍａｉｎ，ＣＤ），另一个是具有结合纤维素功能的结构域（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂｉｎｄｉｎｇｄｏｍａｉｎ，ＣＢＤ），两者之间由一段高度糖基化的ｌｉｎｋｅｒ相连［３－４］。整个分子呈楔形，球状核区表示包含催化位点和底物结合位点的
ＣＤ区［５］。
大多数纤维素酶都是这样，只有少数微生物和高等植物产生的纤维素酶不具有这类结构域，如Ｔ．
ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ就没有ＣＢＤ结构域。通常认为ＣＢＤ对高效降解纤维素起到关键的作用，但Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ在没有ＣＢＤ的情况下仍具有水解纤维素的活性，在Ｔ．
ｒｅｅｓｅｉ的ＥＧ１的酶解过程中也观察到同样的现象。此外，Ｈｕｍｉｃｏｌａｉｎｓｏｌｅｎｓ的ＥＧ５和Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎｎａｓｆｉｍｉ的
１纤维素酶的作用类型［２］
纤维素酶由三类不同催化反应功能的酶组成，
ＣｅｎＥＧ都并未发现具有ＣＢＤ结构，但仍然具有水解酶活性。这些实验证明，在有些外切和内切酶中ＣＢＤ对酶的催化活力是非必需的［６］。
根据其催化功能的不同可分为：①内切葡萄糖苷酶
（ｅｎｄｏ－１，４－β－Ｄ－ｇｌｕｃａｎａｓｅ，ＥＣ３．２．１．４，来自真菌的简称ＥＧ，来自细菌的简称Ｃｅｎ），该类酶能随机地在纤维素分子内部降解β－１，４糖苷键；②外切葡萄糖苷酶
２．１催化域的结构（Ｃａｔａｌｙｔｉｃｄｏｍａｉｎ，ＣＤ）
目前已经被阐明的催化结构域是Ｔ．ｒｅｅｓｅｉＣＢＨⅡ
的催化域结构，它是由α组成的筒状结构：由５个α／β螺旋和７条β链组成，活性部位由两个延伸至表面的环（ｌｏｏｐ）以形成一个隧道状（ｔｕｎｎｅｌ）结构，长度大约２ｎｍ，包含４个结合位点，水解糖苷键发生在第２和第３结合位点之间；Ｔｈｅｒｍｏｍｏｎｏｓｐｏｒａｆｕｓｃａ的ＥＧ２尽管和Ｔ．ｒｅｅｓｉ
（ｅｘｏ－１，４－β－Ｄ－ｇｌｕｃａｎａｓｅ，ＥＣ３．２．１．９１，来自真菌的简称ＣＢＨ，来自细菌的简称Ｃｅｘ），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③纤维二糖酶（３－Ｄ－ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ，ＥＣ３．２．１．２１，简称ＢＧ），它把纤维二糖降解成单个的葡萄糖分子。
只有在这三类酶的协同作用下，最终才能把纤维素分子降解成葡萄糖。微生物特别是真菌能产生这类酶的复合物，从而把纤维素分子降解为葡萄糖分子为自己所利用。
ＣＢＨⅡ属于同一家族，但在活性部位的组织结构却有一点显著的不同，它的活性位点表面没有一个由环覆盖的结构，因此它更象是一个沟槽（ｇｒｏｏｖｅ）而不是一个“隧道”［７］。所有属于ＥＧ家族的环结构都缺失，而属于ＣＢＨ家族的正好相反，都有一个环结构。普遍认为，正是由于ＣＢＨ拥有这样一个环结构形成的“隧道”，它能连续地催化几个糖苷键的断裂。
２纤维素酶的分子结构
对纤维素酶分子结构和功能的研究是从２０世纪
ＣＤ体现了催化活性及对特定水溶性底物的特异性，尽管不同来源纤维素酶的分子量大小差别很大，但它们催化区的大小却基本一致。
８０年代开始的，由于来源于真菌的纤维素酶大多是糖蛋白，难以得到完整纤维素酶晶体，很长一段时
２００７
１３
专题论述
２．２连接肽（Ｌｉｎｋｅｒｐｅｐｔｉｄｅ）
连接桥主要是保持ＣＤ和ＣＢＤ之间的距离，也可
附和水解活力则有明显降低。化学突变和定点诱变表明，芳香族氨基酸在与结晶纤维素的吸附中发挥重要作用，它们的突变会导致ＣＢＤ对结晶纤维素的吸附能力急剧下降。
能有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。大多数ｌｉｎｋｅｒ是将纤维素酶的催化区连接到ＣＢＤ的富含丝氨酸或脯氨酸与苏氨酸残基联合体的糖基化的肽链。研究发现，Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ两个区域功能的有效发挥需要二者有足够的空间距离，表明
ＣＢＤ的作用机理还不清楚，一种观点认为它有助于增加催化结构域在固体纤维素表面的浓度；另一种观点认为它能促使单链纤维素分子从结晶纤维素中释放，以便催化结构域能接近它。如Ｂｏｒａｓｔｏｎ等通过实验证实ＣＢＨ的ＣＢＤ能够促使微纤维中内部氢键的断裂，从而释放单根纤维素分子链，但却未发现ＥＧ的ＣＢＤ有这种作用。还有人认为，ＣＢＤ是通过氢键稳定结合结晶底物的［９］。
Ｌｉｎｋｅｒ在某种程度上控制了两结构域之间的几何构象。Ｌｉｎｄｅｒ等也曾提出催化过程中长的Ｌｉｎｋｅｒ具有一定的柔性，能够保证两结构域在纤维表面的运动一致。使酶的作用表现出高效的活力。肽链对蛋白酶非常敏感，因为它易暴露于水相，因此为了防止被蛋白酶水解，这一段肽链常常被Ｏ－ｇｌｙｃｏｓｉｌａｔｅｄ糖基化。
细菌纤维素酶的连接桥富含脯氨酸、苏氨酸，约由１００个氨基酸残基组成。而真菌纤维素酶的连接桥富含甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸，并且总的来说比细菌的小，大概只有３０￣４０个氨基酸残基组成。细菌纤维素酶的ＣＢＤ与ＣＤ夹角为１３５°，而真菌为１８０°；细菌纤维素酶有两个酶切位点可将ＣＢＤ与连接桥分别切去，而真菌纤维素酶一般只有一个酶切位点可将ＣＢＤ与连接桥一同切去。由于纤维素酶全酶分子呈蝌蚪状，其连接区高度糖基化且具有较强的柔韧性，所以很难得到结晶。因此对纤维素酶分子结构和功能的研究主要是对其ＣＤ和ＣＢＤ的研究。
３纤维素酶的作用机理
纤维素酶使纤维素转化成为葡萄糖的详细过程
仍不清楚，普遍认为是纤维素酶各组分协同作用的结果。但是各个组分是如何作用的，许多学者提出了不同的看法，主要包括以下几种观点［１０］：
３．１Ｃ１－ＣＸ假说
１９５０年，Ｒｅｅｓｅ等人提出Ｃ１－ＣＸ假说：
ＣｘＣ１
结晶纤维素→无定形纤维素→纤维二糖
β－葡萄糖苷酶↓
葡萄糖
２．３纤维素结合区（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂｉｎｄｉｎｇｄｏｍａｉｎ，ＣＢＤ）
Ｃ１酶首先作用于结晶纤维素使其变成无定形纤维素，再被Ｃｘ酶进一步水解成可溶性纤维素和葡萄糖的β－１，４寡聚物，即Ｃ１酶的作用是Ｃｘ酶水解的先决条件。接着β－葡萄糖苷酶将纤维二糖和三糖水解成葡萄糖［１１］。但该学说对Ｃ１酶的作用机理不清楚，提出了种种推测，如Ｃ１酶可能作用于纤维素链间的氢键或者作用于纤维素中少数的β－１，４－葡萄糖苷键，或者其他一些不规则的键、薄弱键等等，可是都没有分离得到Ｃ１酶。
ＣＢＤ通常位于酶蛋白的Ｃ－末端或Ｎ－末端，其主要功能是将酶分子连接到纤维素上。真菌和细菌的
ＣＢＤ有一定区别。真菌的ＣＢＤ由３３￣３６个氨基酸残基组成，具有高度的同源性。真菌的外切酶的ＣＢＤ的结构形状已经用核磁共振技术（ＮＭＲ技术）测定，是一个楔型”“，一面亲水，另一面疏水，平坦的亲水面上有
３个Ｔｙｒ残基，执行吸附纤维素的功能［８］。而细菌纤维素酶的ＣＢＤ由１００￣１１０个氨基酸组成，同源性也较低。细菌外切酶的ＣＢＤ很大，且包含很多芳香族氨基酸，它们中的Ｔｒｐ５４和Ｔｒｐ７２暴露于蛋白分子表面，执行吸附功能。
由于至今尚未得到完整纤维素酶的晶体结构，所有的结构研究工作都是用分离的结构域来进行的。
３．２顺序作用假说
另一种观点以Ｅｎａｒｉ等人为代表，认为首先是由
外切型葡聚糖酶（ＣＢＨⅠ和ＣＢＨⅡ）水解不溶性纤维素，生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由内切型葡聚糖酶（ＥＧＩ和ＥＧｌ）作用于纤维糊精，生成纤维二糖；再由ＢＧ将纤维二糖分解成二个葡萄糖，如图１［１２］。
Ｘ射线衍射分析表明，吸附区折叠成一种楔行结构，它含有６个半胱氨酸残基，但只有两对二硫键。对真菌吸附区不同的β－片层拓扑学结构分析表明，吸附区是由三段不规则、反平行的片层组成，β１通过氢键与其他两个片层相连。吸附区的这种一面亲水、一面疏水的楔形结构，使它能插入和分开纤维素的结晶区，在其吸附于纤维素分子链的表面后，具有疏解纤维素链的作用。ＣＢＤ的去除实验表明，去除ＣＢＤ对可溶性底物活力影响较小，而对结晶纤维素的吸
１４
７．图１纤维素酶水解纤维素的可能途径
同样，这个假说在以后的实验当中也并未得到
专题论述
证实。
３．３协同作用模型
目前，普遍接受的纤维素酶的降解机制是协同作
４结束语
纤维素酶在充分利用农作物秸秆等农副产品废弃
用模型，见图２［１３］。
物、降解秸秆中的纤维素、开辟新的粮食和能源方面具有巨大的潜力［１４］。随着人们对纤维素酶分子结构及作用机理等各方面的研究工作的深入，纤维素酶必将在食品、饲料、环境保护、能源和资源开发等各个领域中发挥越来越大的作用。纤维素酶将是很有发展前途的新兴产业之一。
参考文献：
图２纤维素酶对纤维素的协同降解模型
［１］王建荣，张曼夫．绿色木霉纤维素酶ＣＢＨＩＩ基因的分子克
隆［Ｊ］．真菌学，１９９４，１３（３）：２３５－２４０
在协同降解过程中，首先由Ｃｘ酶在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端，然后再由Ｃ１酶以纤维二糖为单位，从末端进行水解，最后由ＢＧ酶将纤维二糖水解为葡萄糖。Ｗｏｏｄ在研究木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ）、青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｆｕｎｉｃｕｌｏｓｕｍｄｅ）的纤维素酶水解纤维素时，发现培养液中的两种外切酶在液化微晶纤维素和棉纤维素时具有协同作用。Ｆａｔｅｒｓｔａｍ也发现两种外切酶（ＣＢＨⅠ和ＣＢＨⅡ）具有协同作用。Ｋａｎｄａ等还发现了对可溶性纤维素进攻方式不同的两种内切葡萄糖酶在微晶纤维素的水解过程中也具有协同作用。
对于内切－外切纤维素酶协同效应的机制有人认为，所谓的协同效应，其实酶的动力学参数并未发生改变，只是几个催化顺序反应的酶组分混合后，后一个酶把前一个酶的产物转化掉，去除了产物抑制或空间的阻碍效应，使总反应速度提高了。而原子力显微镜观察结果显示，外切酶的作用使结晶纤维素的表面结构发生了改变，这种变化使得内切酶的作用变得容易，由此表现出两种酶的协同作用。人们在应用高新分离分析手段研究纤维素酶时发现，葡聚糖内切酶、纤维二糖水解酶、β－葡萄糖苷酶均存在２～４个，甚至更多个同工酶，这些酶的基因如何协同表达至今仍不清楚，以及这些同工酶的功能，目前还未有明确的阐述。总之，纤维素酶酶解的协同作用比较复杂，其协同效应机制尚不十分清楚，但由于协同效应能够提高各单组分酶的水解效率，因此有进一步研究的价值。
!!!!!!!!"
［２］闫训友，史振霞，张惟广，等．纤维素酶在食品工业中的应
用进展．食品工业科技，２００４，（１０）：１４０－１４２
［３］ＴｈｏｍａｓＭＷｏｏｄ．Ｆｕｎｇａｌｃｅｌｌｕｌａｓｅｓ［Ｊ］．ＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＳｏｃｉｅｔｙ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９９２，２０：４６－５３
［４］阎伯旭，高培基．纤维素酶分子结构与功能研究进展［Ｊ］．生
命科学，１９９５，７（５）：２２－２６
［５］ＴｏｍｍｅＰ，ＷａｒｒｅｎＲＡＪ，ＧｉｌｋｅｓＮＲ．Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
ｂｙｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｆｕｎｇｉ［Ｊ］．ＡｄｖＭｉｃｒｏｂＰｈｙｓｉｏｌ，１９９５，（３）：７１－８１［６］
ＳｒｉｓｏｄｓｕｋＭ．ＭｏｄｅｏｆａｃｔｉｏｎｏｆＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉＣＢＨ１ｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｃｅｌｌｕｌｏｓｅ［Ｊ］．２１３－２１９
［７］ＳｒｉｓｏｄｓｕｋＭ，Ｋｌｅｍａｎ－ＬｅｙｅｒＫ，ＫｅｒａｎｅｎＳ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｓｏｆ
ａｃｔｉｏｎｏｎｃｏｔｔｏｎａｎｄｂａｃｔｅｒｉａｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅｏｆａｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓｅｎｄｏ－ｇｌｕｃａｎａｓｅｅｘｏｇ－ｌｕｃａｎａｓｅｐａｉｒｆｒｏｍＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ［Ｊ］．ＥｕｒＪＢｉｏｃｈｅｍ，１９９８，（２５１）：８８５－８９２
［８］张鸿雁，陈锡时．微生物纤维素酶分子生物学研究进展［Ｊ］．
生物技术，２００３，１３（３）：４１－４２
ＥｎｚＭｉｃｒｏｂＴｅｃｈ，１９９４，（２３）：
［９］孔凡德，刘建新．纤维素酶在畜牧业中的应用［Ｊ］．黑龙江畜
牧兽医，２００１，（４）：１３
［１０］宋贤良，温其标，朱江．纤维素酶法水解的研究进展［Ｊ］．郑
州工程学院学报，２００１，２４（４）：６７－７２
［１１］ＨｅｏｒｉｓｓａｔＢ，ｅｔａｌ．ＢｉｏｌＴｅｃｌ，１９８５，（３）：７２２－７２６
［１２］夏黎明．可再生纤维素资源酶法降解的研究进展［Ｊ］．林产
化工通讯，１９９９．３３（１）：２３－２８
［１３］ＷｏｏｄＴＭ．Ｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｓｅｏｆｆｕｓａｒｉｕｍｓｏｌａｎｉｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅ（１，４）－ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｃｈｅｍ，１９７１，１２１：３５３
［１４］陈春洪，邝哲师，陈薇，等．里氏木霉纤维素酶产生条件的
研究［Ｊ］．微生物学通报，１９９８，２５（２）：７７－７９
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!"
欢迎订阅２００７年《食品科技》
邮发代号：２－６８１全年订价：１８０元
１５
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
２００７
专题论述
纤维素酶分子结构及作用机理的
研究进展
刘树立１，王
华２＊，王春艳１，盛占武１
（１．西南大学食品科学学院，重庆４００７１６；２．中国农业科学院柑橘研究所，重庆４００７１２）
摘要：纤维素是自然界中存在最广泛的一类碳水化合物，同时它也是地球上数量最大的可再生资源。利用微生物生产的纤维素酶将其转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于人类社会解决环境污染、食物短缺和能源危机具有重大的现实意义。综述了纤维素酶的分子结构、作用机理的研究进展。关键词：纤维素；纤维素酶；分子结构；作用机理中图分类号：ＴＳ２０１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００５－９９８９（２００７）０７－００１２－０４
Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｍａｂｏｕｔｃｅｌｌｕｌａｓｅ
ＬＩＵＳｈｕ－ｌｉ１，ＷＡＮＧＨｕａ２＊，ＷＡＮＧＣｈｕｎ－ｙａｎ１，ＳＨＥＮＧＺｈａｎ－ｗｕ１
收稿日期：２００６－１２－０４作者简介：刘树立（１９８１－），
＊通讯作者
男，硕士研究生，研究方向为农产品加工与发酵研究。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［６］王长青．我国水牛奶业开发前景及对策［Ｊ］．中国畜牧杂志，
２００４，（４）：３７－３９［７］
张新时．中国高速发展奶水牛业的建议［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集
５３（９）：３４２６－３４３３
［１５］ＤｉａｚＭ，ＤｅｃｋｅｒＥＡ．Ｃａｓｅｉｎｏｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｅｌｌ
ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ［Ｊ］．Ｂｉｏｆａｃｔｏｒｓ，２００４，２１（１－４）：７３－８［１６］ＸｕＲＪ．Ｂｉｏａｃｔｉｖｅｐｅｐｔｉｄｅｓｉｎｍｉｌｋａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄ
ｈｅａｌｔｈｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＦｏｏｄＲｅｖＩｎｔ，１９９８，１４：１－９［１７］ＭｉｎｅｒｖｉｎｉＦ，ＡｌｇａｒｏｎＦ，ＲｉｚｚｅｌｌｏＣＧ．ＡｎｇｉｏｔｅｎｓｉｎＩ－Ｃｏｎ－
ｖｅｒｔｉｎｇ－Ｅｎｚｙｍｅ－ＩｎｈｉｂｉｔｏｒｙａｎｄＡｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌＰｅｐｔｉｄｅｓｆｒｏｍＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｈｅｌｖｅｔｉｃｕｓＰＲ４Ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ－ＨｙｄｒｏｌｙｚｅｄＣａｓｅｉｎｓｏｆＭｉｌｋｆｒｏｍＳｉｘＳｐｅｃｉｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＥｎｖｉｒｏｎＭｉｃｒｏ－ｂｉｏｌ，２００３，６９（９）：５２９７－５３０５
［１８］ＧｏｂｂｅｔｔｉＭ，ＦｅｒｒａｎｔｉＰ，ＳｍａｃｃｈｉＥ．ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＡｎ－
ｇｉｏｔｅｎｓｉｎ－Ｉ－Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ－Ｅｎｚｙｍｅ－ＩｎｈｉｂｉｔｏｒｙＰｅｐｔｉｄｅｓｉｎＦｅｒｍｅｎｔｅｄＭｉｌｋｓＳｔａｒｔｅｄｂｙＬａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓｄｅｌｂｒｕｅｃｋｉｉｓｕｂｓｐｂｕｌｇａｒｉｃｕｓＳＳ１ａｎｄＬａｃｔｏｃｏｃｃｕｓｌａｃｔｉｓｓｕｂｓｐＣｒｅｍｏｒｉｓＦＴ［Ｊ］．ＡｐｐｌＥｎｖｉｒｏｎＭｉｃｒｏｂｉｏｌ，２０００，６６（９）：３８９８－３９０４［１９］
ＣｌａｒｅＤＡ，
ＳｗａｉｓｇｏｏｄＨＥ．
Ｂｉｏａｃｔｉｖｅｍｉｌｋｐｅｐｔｉｄｅｓ：ａ
ｐｒｏｓｐｅｃｔｕｓ［Ｊ］．ＤａｉｒｙＳｃｉ，２０００，８３：１１８７－１１９５
［２０］王春凤，殷文政，王和平，等．抗人轮状病毒和大肠杆菌免
疫乳持续性研究［Ｊ］．食品科学，２０００，（５）：４２－４３
［８］章纯熙．水牛产业资源的利用和开发［Ｊ］．中国食物与营养，
２００６，（３）：１９－２１
［９］杨炳壮，梁贤威，曾庆坤，等．从世界水牛发展现状看我国奶
水牛业的发展趋势［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集：７３－８４
［１０］曹永新，杨金波，黄锋．中国水牛业的生产状况及产业化
前景［Ｍ］．第五界亚洲水牛大会论文集：２２－３９
［１１］杨白云，章纯熙，杨炳壮，等．水牛奶黑米酸奶的研制［Ｊ］．食
品科学，２００６，（７）：６７－６８
［１２］曾庆坤，章纯熙，杨炳壮．水牛奶鸡蛋酸奶的研制［Ｊ］．农牧
产品开发，２０００，（１０）
［１３］曾庆坤，章纯熙，杨炳壮．水牛奶双歧酸奶的制作［Ｊ］．中国
奶牛，２００１，（２）：４７－４９
［１４］ＭｉｑｕｅｌＥ，ＧｏｍｅｚＪＡ，ＡｌｅｇｒｉａＡ，ｅｔａｌ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃａｓｅｉｎ
ｐｈｏｓｐｈｏｐｅｐｔｉｄｅｓ
ｒｅｌｅａｓｅｄ
ａｆｔｅｒ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ
ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ
ｏｆｍｉｌｋ－ｂａｓｅｄｉｎｆａｎｔｆｏｒｍｕｌａｓ［Ｊ］．ＡｇｒｉｃＦｏｏｄＣｈｅｍ，２００５，
１２
７．
专题论述
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｏｄＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１６；２．ＣｉｔｒｕｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｓｔｈｅｍｏｓｔａｂｕｎｄａｎｔｏｒｇａｎｉｃｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，
ａｎｄｉｔｉｓｔｈｅｏｎｌｙｒｅｎｅｗａｂｌｅｒｅ－
ｓｏｕｒｃｅｔｈａｔｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｌａｒｇｅｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ．Ｓｏｉｔｈａｓｇｒｅａｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｍｅａｎｉｎｇｆｏｒｈｕｍａｎｂｅｉｎｇｔｏｓｏｌｖｅｅｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｆｏｏｄｓｈｏｒｔａｇｅａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓｔｈａｔｕｓｉｎｇｃｅｌｌｕｌａｓｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｔｒａｎｓｆｏｒｍｃｅｌｌｕ－ｌｏｓｅｔｏｅｎｅｒｇｙ，ｃｈｅｍｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｆｏｏｄ．Ｉｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａ－ｎｉｓｍａｂｏｕｔｃｅｌｌｕｌａｓｅｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｃｅｌｌｕｌａｓｅ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
纤维素（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）是植物细胞壁的主要组分之一，占植物秸秆干质量的４０％～５０％。它对增强细胞壁的机械支撑强度、维持不透水性以及抗逆性有重要的功能作用［１］。纤维素酶（Ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）是降解纤维素的一组酶系的总称，而纤维素是地球上数量最大但又未得到充分利用的一类多糖，微生物对它的降解、转化是自然界碳素循环的主要环节。近年来随着对纤维素酶研究的深入，以及越来越多的性质不同的纤维素酶的发现，使得纤维素酶的应用日益广泛。但是由于对纤维素酶的结构、功能特别是降解纤维素的作用机制还缺乏足够的了解，使得对纤维素酶的研究和高效应用存在很大的局限。由于分子生物学技术的兴起，使得人们能在基因水平上对纤维素酶类多样性的进化起源有了更进一步的研究。
期内仅对纤维素酶的结构域进行拆分。１９８６年
Ｔｉｌｂｅｕｒｇｈ［２］用木瓜蛋白酶有限酶切里氏木霉（Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ）的纤维二糖水解酶，即外切酶分子，得到两个具有独立活性的结构域：一个具有催化功能的结构域
（Ｃａｔａｌｙｔｉｃｄｏｍａｉｎ，ＣＤ），另一个是具有结合纤维素功能的结构域（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂｉｎｄｉｎｇｄｏｍａｉｎ，ＣＢＤ），两者之间由一段高度糖基化的ｌｉｎｋｅｒ相连［３－４］。整个分子呈楔形，球状核区表示包含催化位点和底物结合位点的
ＣＤ区［５］。
大多数纤维素酶都是这样，只有少数微生物和高等植物产生的纤维素酶不具有这类结构域，如Ｔ．
ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ就没有ＣＢＤ结构域。通常认为ＣＢＤ对高效降解纤维素起到关键的作用，但Ｔ．ｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ在没有ＣＢＤ的情况下仍具有水解纤维素的活性，在Ｔ．
ｒｅｅｓｅｉ的ＥＧ１的酶解过程中也观察到同样的现象。此外，Ｈｕｍｉｃｏｌａｉｎｓｏｌｅｎｓ的ＥＧ５和Ｃｅｌｌｕｌｏｍｏｎｎａｓｆｉｍｉ的
１纤维素酶的作用类型［２］
纤维素酶由三类不同催化反应功能的酶组成，
ＣｅｎＥＧ都并未发现具有ＣＢＤ结构，但仍然具有水解酶活性。这些实验证明，在有些外切和内切酶中ＣＢＤ对酶的催化活力是非必需的［６］。
根据其催化功能的不同可分为：①内切葡萄糖苷酶
（ｅｎｄｏ－１，４－β－Ｄ－ｇｌｕｃａｎａｓｅ，ＥＣ３．２．１．４，来自真菌的简称ＥＧ，来自细菌的简称Ｃｅｎ），该类酶能随机地在纤维素分子内部降解β－１，４糖苷键；②外切葡萄糖苷酶
２．１催化域的结构（Ｃａｔａｌｙｔｉｃｄｏｍａｉｎ，ＣＤ）
目前已经被阐明的催化结构域是Ｔ．ｒｅｅｓｅｉＣＢＨⅡ
的催化域结构，它是由α组成的筒状结构：由５个α／β螺旋和７条β链组成，活性部位由两个延伸至表面的环（ｌｏｏｐ）以形成一个隧道状（ｔｕｎｎｅｌ）结构，长度大约２ｎｍ，包含４个结合位点，水解糖苷键发生在第２和第３结合位点之间；Ｔｈｅｒｍｏｍｏｎｏｓｐｏｒａｆｕｓｃａ的ＥＧ２尽管和Ｔ．ｒｅｅｓｉ
（ｅｘｏ－１，４－β－Ｄ－ｇｌｕｃａｎａｓｅ，ＥＣ３．２．１．９１，来自真菌的简称ＣＢＨ，来自细菌的简称Ｃｅｘ），它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键，生成纤维二糖；③纤维二糖酶（３－Ｄ－ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅ，ＥＣ３．２．１．２１，简称ＢＧ），它把纤维二糖降解成单个的葡萄糖分子。
只有在这三类酶的协同作用下，最终才能把纤维素分子降解成葡萄糖。微生物特别是真菌能产生这类酶的复合物，从而把纤维素分子降解为葡萄糖分子为自己所利用。
ＣＢＨⅡ属于同一家族，但在活性部位的组织结构却有一点显著的不同，它的活性位点表面没有一个由环覆盖的结构，因此它更象是一个沟槽（ｇｒｏｏｖｅ）而不是一个“隧道”［７］。所有属于ＥＧ家族的环结构都缺失，而属于ＣＢＨ家族的正好相反，都有一个环结构。普遍认为，正是由于ＣＢＨ拥有这样一个环结构形成的“隧道”，它能连续地催化几个糖苷键的断裂。
２纤维素酶的分子结构
对纤维素酶分子结构和功能的研究是从２０世纪
ＣＤ体现了催化活性及对特定水溶性底物的特异性，尽管不同来源纤维素酶的分子量大小差别很大，但它们催化区的大小却基本一致。
８０年代开始的，由于来源于真菌的纤维素酶大多是糖蛋白，难以得到完整纤维素酶晶体，很长一段时
２００７
１３
专题论述
２．２连接肽（Ｌｉｎｋｅｒｐｅｐｔｉｄｅ）
连接桥主要是保持ＣＤ和ＣＢＤ之间的距离，也可
附和水解活力则有明显降低。化学突变和定点诱变表明，芳香族氨基酸在与结晶纤维素的吸附中发挥重要作用，它们的突变会导致ＣＢＤ对结晶纤维素的吸附能力急剧下降。
能有助于不同酶分子间形成较为稳定的聚集体。大多数ｌｉｎｋｅｒ是将纤维素酶的催化区连接到ＣＢＤ的富含丝氨酸或脯氨酸与苏氨酸残基联合体的糖基化的肽链。研究发现，Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ的ＣＢＨＩ两个区域功能的有效发挥需要二者有足够的空间距离，表明
ＣＢＤ的作用机理还不清楚，一种观点认为它有助于增加催化结构域在固体纤维素表面的浓度；另一种观点认为它能促使单链纤维素分子从结晶纤维素中释放，以便催化结构域能接近它。如Ｂｏｒａｓｔｏｎ等通过实验证实ＣＢＨ的ＣＢＤ能够促使微纤维中内部氢键的断裂，从而释放单根纤维素分子链，但却未发现ＥＧ的ＣＢＤ有这种作用。还有人认为，ＣＢＤ是通过氢键稳定结合结晶底物的［９］。
Ｌｉｎｋｅｒ在某种程度上控制了两结构域之间的几何构象。Ｌｉｎｄｅｒ等也曾提出催化过程中长的Ｌｉｎｋｅｒ具有一定的柔性，能够保证两结构域在纤维表面的运动一致。使酶的作用表现出高效的活力。肽链对蛋白酶非常敏感，因为它易暴露于水相，因此为了防止被蛋白酶水解，这一段肽链常常被Ｏ－ｇｌｙｃｏｓｉｌａｔｅｄ糖基化。
细菌纤维素酶的连接桥富含脯氨酸、苏氨酸，约由１００个氨基酸残基组成。而真菌纤维素酶的连接桥富含甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸，并且总的来说比细菌的小，大概只有３０￣４０个氨基酸残基组成。细菌纤维素酶的ＣＢＤ与ＣＤ夹角为１３５°，而真菌为１８０°；细菌纤维素酶有两个酶切位点可将ＣＢＤ与连接桥分别切去，而真菌纤维素酶一般只有一个酶切位点可将ＣＢＤ与连接桥一同切去。由于纤维素酶全酶分子呈蝌蚪状，其连接区高度糖基化且具有较强的柔韧性，所以很难得到结晶。因此对纤维素酶分子结构和功能的研究主要是对其ＣＤ和ＣＢＤ的研究。
３纤维素酶的作用机理
纤维素酶使纤维素转化成为葡萄糖的详细过程
仍不清楚，普遍认为是纤维素酶各组分协同作用的结果。但是各个组分是如何作用的，许多学者提出了不同的看法，主要包括以下几种观点［１０］：
３．１Ｃ１－ＣＸ假说
１９５０年，Ｒｅｅｓｅ等人提出Ｃ１－ＣＸ假说：
ＣｘＣ１
结晶纤维素→无定形纤维素→纤维二糖
β－葡萄糖苷酶↓
葡萄糖
２．３纤维素结合区（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂｉｎｄｉｎｇｄｏｍａｉｎ，ＣＢＤ）
Ｃ１酶首先作用于结晶纤维素使其变成无定形纤维素，再被Ｃｘ酶进一步水解成可溶性纤维素和葡萄糖的β－１，４寡聚物，即Ｃ１酶的作用是Ｃｘ酶水解的先决条件。接着β－葡萄糖苷酶将纤维二糖和三糖水解成葡萄糖［１１］。但该学说对Ｃ１酶的作用机理不清楚，提出了种种推测，如Ｃ１酶可能作用于纤维素链间的氢键或者作用于纤维素中少数的β－１，４－葡萄糖苷键，或者其他一些不规则的键、薄弱键等等，可是都没有分离得到Ｃ１酶。
ＣＢＤ通常位于酶蛋白的Ｃ－末端或Ｎ－末端，其主要功能是将酶分子连接到纤维素上。真菌和细菌的
ＣＢＤ有一定区别。真菌的ＣＢＤ由３３￣３６个氨基酸残基组成，具有高度的同源性。真菌的外切酶的ＣＢＤ的结构形状已经用核磁共振技术（ＮＭＲ技术）测定，是一个楔型”“，一面亲水，另一面疏水，平坦的亲水面上有
３个Ｔｙｒ残基，执行吸附纤维素的功能［８］。而细菌纤维素酶的ＣＢＤ由１００￣１１０个氨基酸组成，同源性也较低。细菌外切酶的ＣＢＤ很大，且包含很多芳香族氨基酸，它们中的Ｔｒｐ５４和Ｔｒｐ７２暴露于蛋白分子表面，执行吸附功能。
由于至今尚未得到完整纤维素酶的晶体结构，所有的结构研究工作都是用分离的结构域来进行的。
３．２顺序作用假说
另一种观点以Ｅｎａｒｉ等人为代表，认为首先是由
外切型葡聚糖酶（ＣＢＨⅠ和ＣＢＨⅡ）水解不溶性纤维素，生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由内切型葡聚糖酶（ＥＧＩ和ＥＧｌ）作用于纤维糊精，生成纤维二糖；再由ＢＧ将纤维二糖分解成二个葡萄糖，如图１［１２］。
Ｘ射线衍射分析表明，吸附区折叠成一种楔行结构，它含有６个半胱氨酸残基，但只有两对二硫键。对真菌吸附区不同的β－片层拓扑学结构分析表明，吸附区是由三段不规则、反平行的片层组成，β１通过氢键与其他两个片层相连。吸附区的这种一面亲水、一面疏水的楔形结构，使它能插入和分开纤维素的结晶区，在其吸附于纤维素分子链的表面后，具有疏解纤维素链的作用。ＣＢＤ的去除实验表明，去除ＣＢＤ对可溶性底物活力影响较小，而对结晶纤维素的吸
１４
７．图１纤维素酶水解纤维素的可能途径
同样，这个假说在以后的实验当中也并未得到
专题论述
证实。
３．３协同作用模型
目前，普遍接受的纤维素酶的降解机制是协同作
４结束语
纤维素酶在充分利用农作物秸秆等农副产品废弃
用模型，见图２［１３］。
物、降解秸秆中的纤维素、开辟新的粮食和能源方面具有巨大的潜力［１４］。随着人们对纤维素酶分子结构及作用机理等各方面的研究工作的深入，纤维素酶必将在食品、饲料、环境保护、能源和资源开发等各个领域中发挥越来越大的作用。纤维素酶将是很有发展前途的新兴产业之一。
参考文献：
图２纤维素酶对纤维素的协同降解模型
［１］王建荣，张曼夫．绿色木霉纤维素酶ＣＢＨＩＩ基因的分子克
隆［Ｊ］．真菌学，１９９４，１３（３）：２３５－２４０
在协同降解过程中，首先由Ｃｘ酶在纤维素聚合物的内部起作用，在纤维素的非结晶部位进行切割，产生新的末端，然后再由Ｃ１酶以纤维二糖为单位，从末端进行水解，最后由ＢＧ酶将纤维二糖水解为葡萄糖。Ｗｏｏｄ在研究木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ）、青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｆｕｎｉｃｕｌｏｓｕｍｄｅ）的纤维素酶水解纤维素时，发现培养液中的两种外切酶在液化微晶纤维素和棉纤维素时具有协同作用。Ｆａｔｅｒｓｔａｍ也发现两种外切酶（ＣＢＨⅠ和ＣＢＨⅡ）具有协同作用。Ｋａｎｄａ等还发现了对可溶性纤维素进攻方式不同的两种内切葡萄糖酶在微晶纤维素的水解过程中也具有协同作用。
对于内切－外切纤维素酶协同效应的机制有人认为，所谓的协同效应，其实酶的动力学参数并未发生改变，只是几个催化顺序反应的酶组分混合后，后一个酶把前一个酶的产物转化掉，去除了产物抑制或空间的阻碍效应，使总反应速度提高了。而原子力显微镜观察结果显示，外切酶的作用使结晶纤维素的表面结构发生了改变，这种变化使得内切酶的作用变得容易，由此表现出两种酶的协同作用。人们在应用高新分离分析手段研究纤维素酶时发现，葡聚糖内切酶、纤维二糖水解酶、β－葡萄糖苷酶均存在２～４个，甚至更多个同工酶，这些酶的基因如何协同表达至今仍不清楚，以及这些同工酶的功能，目前还未有明确的阐述。总之，纤维素酶酶解的协同作用比较复杂，其协同效应机制尚不十分清楚，但由于协同效应能够提高各单组分酶的水解效率，因此有进一步研究的价值。
!!!!!!!!"
［２］闫训友，史振霞，张惟广，等．纤维素酶在食品工业中的应
用进展．食品工业科技，２００４，（１０）：１４０－１４２
［３］ＴｈｏｍａｓＭＷｏｏｄ．Ｆｕｎｇａｌｃｅｌｌｕｌａｓｅｓ［Ｊ］．ＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＳｏｃｉｅｔｙ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９９２，２０：４６－５３
［４］阎伯旭，高培基．纤维素酶分子结构与功能研究进展［Ｊ］．生
命科学，１９９５，７（５）：２２－２６
［５］ＴｏｍｍｅＰ，ＷａｒｒｅｎＲＡＪ，ＧｉｌｋｅｓＮＲ．Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
ｂｙｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｆｕｎｇｉ［Ｊ］．ＡｄｖＭｉｃｒｏｂＰｈｙｓｉｏｌ，１９９５，（３）：７１－８１［６］
ＳｒｉｓｏｄｓｕｋＭ．ＭｏｄｅｏｆａｃｔｉｏｎｏｆＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉＣＢＨ１ｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｃｅｌｌｕｌｏｓｅ［Ｊ］．２１３－２１９
［７］ＳｒｉｓｏｄｓｕｋＭ，Ｋｌｅｍａｎ－ＬｅｙｅｒＫ，ＫｅｒａｎｅｎＳ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｓｏｆ
ａｃｔｉｏｎｏｎｃｏｔｔｏｎａｎｄｂａｃｔｅｒｉａｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅｏｆａｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓｅｎｄｏ－ｇｌｕｃａｎａｓｅｅｘｏｇ－ｌｕｃａｎａｓｅｐａｉｒｆｒｏｍＴｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｒｅｅｓｅｉ［Ｊ］．ＥｕｒＪＢｉｏｃｈｅｍ，１９９８，（２５１）：８８５－８９２
［８］张鸿雁，陈锡时．微生物纤维素酶分子生物学研究进展［Ｊ］．
生物技术，２００３，１３（３）：４１－４２
ＥｎｚＭｉｃｒｏｂＴｅｃｈ，１９９４，（２３）：
［９］孔凡德，刘建新．纤维素酶在畜牧业中的应用［Ｊ］．黑龙江畜
牧兽医，２００１，（４）：１３
［１０］宋贤良，温其标，朱江．纤维素酶法水解的研究进展［Ｊ］．郑
州工程学院学报，２００１，２４（４）：６７－７２
［１１］ＨｅｏｒｉｓｓａｔＢ，ｅｔａｌ．ＢｉｏｌＴｅｃｌ，１９８５，（３）：７２２－７２６
［１２］夏黎明．可再生纤维素资源酶法降解的研究进展［Ｊ］．林产
化工通讯，１９９９．３３（１）：２３－２８
［１３］ＷｏｏｄＴＭ．Ｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｓｅｏｆｆｕｓａｒｉｕｍｓｏｌａｎｉｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅ（１，４）－ｇｌｕｃｏｓｉｄａｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｃｈｅｍ，１９７１，１２１：３５３
［１４］陈春洪，邝哲师，陈薇，等．里氏木霉纤维素酶产生条件的
研究［Ｊ］．微生物学通报，１９９８，２５（２）：７７－７９
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!"
欢迎订阅２００７年《食品科技》
邮发代号：２－６８１全年订价：１８０元
１５
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
２００７