葡萄糖異構酶

葡萄糖異構酶(glucose isomerase , GI)，又稱木糖異構酶，指的是能將D一木糖，D-葡萄糖，D核糖等醛糖異構化為相應酮糖的異構酶。GI的來源非常廣泛，細菌、真菌和放線菌等微生物以及植物和動物細胞中均有GI的存在，它是工業上生產高果糖漿的關鍵酶，在高果糖漿和燃料乙醇的工業化生產中發揮關鍵的作用。

基本介紹

• 中文名：葡萄糖異構酶
• 外文名：glucose isomerase
• 簡稱：GI
• 別名：D-木糖異構酶
• 套用：生產高果糖漿

物質介紹

葡萄糖異構酶(glucose isomerase , GI)，又稱D-木糖異構酶(D-xy lose isomerase)。1957 年最早在嗜水假單胞菌中發現其活性，後來有近百種細菌和放線菌被鑑定為產GI 的菌株，其來源非常廣泛，細菌、真菌和放線菌等微生物以及植物和動物細胞中均有存在。

GI 是一種胞內酶，參與對進入體內的木糖的利用，其最適的天然底物為D-木糖。後來人們發現，其在胞外可以將D-葡萄糖轉化為D-果糖。套用這種酶可以使葡萄糖漿中朽% 以上的糖分轉化為果精， 使甜度大大提高，從此，GI 被大量套用於高果糖漿( high fructose syrup，HFS) 工業生產中。

結構特點

雖然不同種屬來源的GI 的一級結構有一定的差異，但在空間結構上具有相似性。GIase 都是非糖蛋白，一般以四聚體或二聚體形式存在。其亞基單體分子質量為19 ～ 52 kD。四聚體亞基之間都以非共價鍵相結合，無二硫鍵，二聚體之間的結合力強於二聚體內的亞基間結合力，亞基單體間符合222點群對稱分布，每個亞基單體分兩個結構域。N端的主結構域: 由8 股α /β 螺旋摺疊結構圍成具有催化作用的“催化口袋”，內層由8 條平行的β 摺疊片構成，外層由8 股與β 摺疊片交替相鄰的α 螺旋構成，α 螺旋的肽鏈走向與β 摺疊片成反平行，活性中心則位於β 摺疊的近C 連線埠部。C 端的小結構域：由幾段α 螺旋無規則捲曲成一個遠離N 端的不規則環狀結構，該結構域參與亞基間的相互作用及活性中心的構建。

四聚體葡萄異構酶有4 個活性中心，呈口袋狀，活性中心位於亞基催化域β 桶的近C 連線埠部。每個活性中心由2 個相鄰亞基構成，包含2 個二價金屬離子結合位點，以及與底物結合和催化過程相關的保守殘基。

生物學性質

GI 它是工業上大規模從澱粉製備高果糖漿的關鍵酶，且該酶可將木聚糖異構化為木酮糖, 再經微生物發酵生產乙醇。

熱穩定性

乳酸桿菌和埃希桿菌GI 的熱穩定性較差，鏈黴菌和枯草芽孢桿菌GI 在高溫下相當穩定。嗜熱高溫菌(Thermus thermophi lus)GI 的熱穩定性最高，可能是它對Val 及Pro 等胺基酸的偏愛選擇,使其具有更緊密的空間結構。

底物專一性

GI 除了D-葡萄糖和D-木糖外， 還能以D-核糖、L-阿拉伯糖、L-鼠李糖、D-阿洛糖和脫氧葡萄糖以及葡萄糖C-3 、C-5 和C-6 的修飾衍生物為催化底物。但是GI 只能催化D-葡萄糖或D-木糖α-旋光異構體的轉化， 而不能利用其β-旋光異構體為底物。

最適pH和最適溫度

GI 的最適pH 通常微偏鹼性， 在7.0 ～ 9.0 之間。在偏酸性的條件下，大多數種屬的GI 活力很低，GI 最適反應溫度一般在70 ～ 80 ℃。

金屬離子的影響

GI 的活力及穩定性跟二價金屬離子有重大關係，Mg²⁺ 、Co²⁺ 、Mn²⁺ 等對該酶有激活作用，Ca^{2 +} 、Hg^{2 +} 、Cu²⁺等則起抑制作用。金屬離子還影響GI 對不同底物的活性，如凝結芽孢桿菌GI 和Mn2+結合時對木糖的活性最高， 和Co²⁺結合時對葡萄糖的活性最高。

作用機理

GI的催化過程主要分為4個步驟：底物結合、底物開環、氫遷移反應（異構化）和產物分子的閉環，其中氫遷移反應被認為是整個反應過程的限速步驟。

烯二醇中間體催化機制

此催化機制首先提出底物是以開環方式與酶結合的。H54 作為鹼性催化劑與底物C1 相互作用。底物O₁ 和O₂ 附近的水分子可能是起催化作用的酸，它使底物羰基極化從而促進烯二醇中間體的形成。

負氫離子轉移機制

晶體學和酶動力學的證據表明，GI 是採用金屬離子介導的負氫離子轉移機制。關於負氫離子轉移中間體形式有兩種看法，一種是陽離子形式， 在異構化過程中， Mg-2 極化底物C1 的羰基產生碳正離子， Mg-1 和K183 作為路易斯酸穩定碳正離子，同時兩個金屬離子穩定O2 的負電荷 。另一種是陰離子形式，提出與底物的O1 、O2和D257 的羧基形成氫鍵並與催化離子Mn2+配位的水分子，將質子轉移給D257 的CO1 而自身形成OH-離子，此OH-離子奪取底物的質子使其帶負電荷，其質子轉移是由水分子/氫氧根離子完成的。

HFCS製備

HFCS的工業化生產中的α－澱粉酶、β－糖苷酶價格相對較便宜，而GI生產成本較高，是生產HFCS最關鍵的一步，直接影響HFCS的產量和生產成本，因此GI的生產成本對HFCS的生產具有重要意義。目前報導的商業化產生菌的酶產量在1000～35000UL^-1，因此，篩選更優良的GI、改善GI的催化性能和工藝條件以提高轉化率和產量是生產HFCS的重要發展趨勢。如耐高溫GI、　耐酸性GI、對底物親和力提高的GI、對金屬離子依賴性改變的GI、對抑制劑不敏感的GI。

固定化

為了增加GI套用於催化反應的批次，降低HFCS的生產成本，工業上一般採用固定化游離GI或產GI的微生物細胞的方法進行HFCS的生產。國外在GI固定化方面的研究較早，技術較成熟。20世紀70年代，通過交聯、吸附和包埋等固定化技術實現了6種GI的固定化，並商業化出售。如傑能科公司生產的IGI是通過聚乙烯亞胺/戊二醛交聯GI產生菌的細胞，並添加無機載體膨潤土、硅藻土混合製得，固定化後的GI穩定性極好，在60℃的填充床反應器中的半衰期達到一年以上。

國內有關GI固定化的研究也較多，但穩定性和酶活力方面仍低於國外水平。鄧輝等採用殼聚糖絮凝和戊二醛交聯的方法，對表達生產褐色嗜熱裂孢菌GI的重組大腸桿菌進行固定化，使固定化的酶活力達到356U·
g^-1，半衰期達到61天，基本滿足HFCS的工業生產要求。