葡萄糖異構酶

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
  • 別名:D-木糖異構酶
  • 簡稱:GI
  • 套用:生產高果糖漿
物質介紹,結構特點,生物學性質,作用機理,HFCS製備,固定化,

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90% 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。
葡萄糖異構酶

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,Mg、Co 、Mn 等對該酶有激活作用,Ca 、Hg、Cu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Co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,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,半衰期達到61天,基本滿足HFCS的工業生產要求。

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