学术研究 ——J中外食品 }。 f— ———T业 —————一 N一乙酰一 —D一氨基葡萄糖苷酶的研究现状 成娟歌 王森 (1.浙江万里学院浙江宁波315100;2.上海财经大学上海200082) 摘要:N一乙酰一p—D一氨基葡萄糖苷酶(N~Acetyl—B—D—glucosaminidase,NAGase,EC 3,2 1.52)是水解酶中的一种, 因其在几丁质降解过程中的特殊作用,引起国内外学者对其进行多方面研究,包括酶分离纯化系统的建立、生物学性质、克隆测 序等相关研究。文章从动物、植物和微生物三方面介绍了国内外关于NAGase的研究现状。微生物NAGase与真菌细胞壁的形成有 关,有利于农业上生物控制致病真菌的研究;动物NAGase是糖蛋白和粘多糖彻底降解的关键酶,在甲克类动物几丁质和可降解 聚合材料的开发方面有较高的利用价值;植物NAGase研究较少;)L)]'NAGase也存在于人体中,对某些疾病的诊疗具有重要意义。 关键词:N~乙酰一B-D-氨基葡萄糖苷酶几丁质代谢酶学性质 中图分类号:556+.2 文献标识码:A 文章编号:1672—5336(2014)14—0068—03 Abstract:N—Acetyl—D—D~glucosaminidase(NAGase,EC 3 2.1.52).is one ofthe chitin metabolic enzymes,NAGase in chitin metabolism and sugar base on the transfer of special function,canse the foreign and domestic research on its various aspects,including the separation and purification of enzyme,basic properties,enzymatic molecular biology research,cloning sequencing and SO on.This article from three aspects as animals,plants,and microorganisrm are introduced domestic and foreign research status about NAGase.Microbial NAGase associated with the formation ofthe cell walls offungi and bacteria polysaccharides shell,biological control ofpathogenic fungi play an important role on the agdculture;NAGase animals is the key e ̄yme of glycoprotein and mucopo1ysaccharide completely degradation, chitin injacket type ofanimals and the development ofbiodegradable polymeric materials have higher use value;NAGase plant research is less;NAGase are also exists in the human body,is of reatg significance for clinical diagnosis and treatment of some diseases. Key Words:N—Acetyl~B—D—glucosarninidase Chitin metabolism Enzymology properties 几丁质(chitin)又可以称作甲壳素,甲壳质等,是由 几千个乙酰葡萄糖胺残基通过p一1,4糖甙链直线连 接成的聚合(图1-1)[1l,因此又名(1,4)一2一乙酰氨基--2-- 脱氧一D-D一葡萄糖it2】。其在自然界中的分布仅次于植 物纤维,是目前地球上的第二大生物资源,主要分布 酶,正是几丁质降解酶系中的一种,对于南极磷虾几 丁质的开发有很大的应用价值,已被广泛用于人类保 健及医疗抗菌、环境保护、化学化工及生物工程等领 域,目前国外已就几丁质的降解及生物学转化开展一 系列研究,国内相关研究报道较少。 在低等植物,节肢动物、以及昆虫的外壳、软体动物(如 鱿鱼、乌贼)的外壳等,其每年的生物合成量超过百亿 吨,因此十分具有研究价值_3】。 多年以来,几丁质的开发一直是研究的热点,研究 发现几丁质本身不能被利用,但他的降解产物有广泛 的用途,几丁质降解后产生的几丁寡糖类生物活性物 质,是几丁质工业中的高附加值产品,已被广泛用于 人类保健及医疗抗菌[4】。而N一乙酰一p~D一氨基葡萄糖 1 N一乙酰一13一D氨基葡萄糖苷酶概述 N一乙酰一 -D-氨基葡萄糖苷酶(N—Acetyl—f5一 D-gluc0saminidase NAGase,E C 3.2.1.52)是酸性水 解酶中的一种,在几丁质降解过程中起关键作用,其 在生物体中主要分布在动物内脏中,其可将几丁质代 谢过程中产生的寡糖水解成单糖[5]。此外,该酶广泛存 在于各种组织器官、体液中。其测定方法有比色法和 荧光光度法,甲壳动物体内营养代谢以及周期性脱壳 也有该酶的参与,因此,对该酶的研究,有助于促进甲 壳动物周期性脱壳的生长研究【6I。该酶的研究可以提 高触杀虫剂的效果,将该与一些生物农药联用将有助 于药剂对害虫几丁质表皮的渗透,从而提高触杀农业 害虫的效果 7l。 2 N一乙酰一B—D氨基葡萄糖苷酶的分子生物学研 究现状 图1—1几丁质的结构(Vaajc—Kolstad,G.el al,201 0) Fig.1-1.Chemical structure of chitin 2.1酶的分离纯化及性质研究概况 N~乙酰一p-D-氨基葡萄糖苷酶来源十分丰富, 目前已有报道较多的是动物、和微生物中均可分离纯 收稿日期:2014-06—05 基金项目:宁波市合作项目“南极磷虾系列食品的开发”(2012D10012)。 作者简介:成娟歌(1990--),女,硕士研究生,研究方向水生生物种质工程与海洋牧场。 通讯作者:王森。 68 中外食品工业5in口一foreign Food Industry __I中外食品 十1__ 学术研究 化得到。微生物N一乙酰一p—D一氨基葡萄糖苷酶是目 N一乙酰一p-D-氨基葡萄糖苷酶主要存在于昆虫和甲 前研究最多,做深入的,动物中主要集中在甲壳类动 壳动物的内脏以及性腺中[26-271。 物的研究,植物中从1 994年有学者第一次研究,到目 有研究者已从烟草天蛾内脏中纯化出两种几丁质 前研究你依然很少_81。动物中该酶的分离纯化主要采用 水解酶:外切几丁质酶和N一乙酰一p-D-氨基葡萄糖 凝胶柱,DEAE离子交换柱层析分离纯化等;微生物中 苷酶;对纯化的烟草天蛾NA—Gase酶的研究表明,在蜕 真菌(Trichoderma as ̄mllum)中主要利用HiTrat ̄阴离 皮液中外切几丁质酶和酶协同作用的效率是单NA— 子交换柱及phenyl—Sepharose疏水柱层析分离纯化出两 Gase酶作用的六倍,而这种协同增效作用的速度取决 种同型二聚体N一乙酰一D—D一氨基葡萄糖苷酶 ; 于蜕皮液中两种酶的比_2 。 从嗜高温菌(Thermococcus chitonophagus)中利用bu— 5植物中N一乙酰一B—D一氨基葡萄糖苷酶的研究 tyl—TSK—NPR疏水柱及Mono Q离子交换柱层析分离 单亚基N一乙酰一p-D-氨基葡萄糖苷酶[1们等。 2.2酶的抑制失活研究性研究概况 N一乙酰~D-D-氨基葡萄糖苷酶的抑制和失活研 究,可影响其生理功能,也可抑制某些细菌、真菌和昆 虫的生长发育,在相关研究中也有报道过。相关研究 主要做了金属离子Hgn,Cu ,Fe ,和Zn抖,变性剂盐 酸胍、尿素等对N一乙酰一B-D-氨基葡萄糖苷酶活性、 结构等的影响。表明Hg2+,Cu外,Fe2+,和Zn 等金属离 子抑制剂对N一乙酰一0-D-氨基葡萄糖苷酶,均有不 同年程度的抑制作用,重金属离子抑制性更强,其中 Zn Cu2+,为可逆性非竞争抑制,而Hg 等金属离子多 为不可逆性抑制…一121。 3微生物中N一乙酰一B—D一氨基葡萄糖苷酶研究 概况 关于微生物N一乙酰一p—D一氨基葡萄糖苷酶目 前研究最多,最有价值的就是其与真菌细胞壁和细菌 多糖外壳的形成相关,对于农业上生物控制致病真菌 有重要作用[13l。对此多为学者做了相关研究,通过对不 同对微生物N一乙酰一B—D一氨基葡萄糖苷酶活力 的研究,发现,在大部分真菌中该酶最适p H值介于 4.0~5.5之间,等电点偏酸『1 1;而细菌来源的酶的等电 点偏酸偏碱的都有,研究者们猜想这可能与其含有较 多的谷氨酸和天冬氨酸等有关[】 。不同来源的细菌N一 乙酰一p—D一氨基葡萄糖苷酶的最适温度差异较大, 真菌N一乙酰一D—D一氨基葡萄糖苷酶的最适温度大约 在50E[161。 目前研究报道的微生物N一乙酰一D—D一氨基葡 萄糖苷酶的分离纯化大多采用盐析、透析、疏水柱、离 子交换柱、凝胶柱等多步层析纯化步骤[171。谭玉龙做了 N一乙酰氨基葡萄糖苷酶Nag 1对于生物膜结构的作 用,发现可有效抑制生物被膜的形成,同时也可清除 生物被膜结构并有效的恢复了抗生素的效果_1引。 4动物中N一乙酰一B—D一氨基葡萄糖苷酶的研究概 况 关于动物,国内外研究较多的主要集中在烟草天 蛾、家蚕、蜘蛛、中国螯蟹、山麻鸭、猪、虾等物种,研究 表明两栖类动物、鸟类及昆虫等都能产生几丁质酶, 而另外一些动物如兔子和龟则不能产生任何几丁质 酶,仅含有微量的几丁质二糖酶[19-21】。一些研究表明动 物几丁质酶也属于内切酶体系,可将几丁质水解成二 糖或三糖,动物几丁质酶主要分布于消化液、腺体、胃 和肠粘膜 1。其中虾类主要研究的是南美白对虾,而对 于南极磷虾中有关该酶的报道目前还没有。研究表明 概况 到目前为止,关于植物几丁质酶系的报道较少, 2003年Oikawa等人报道了从玉米幼苗中提取p—N一 乙酰氨基己糖苷酶,通过凝胶电泳测得该酶分子量为 70 kDa,单亚基[26-28];最适pH为4.5,最适温度为55℃, 等电点为6.75,同做了Ag Hg 等金属离子对该酶抑 制作用的研究,表明Ag Hg 是不可逆非竞争性抑制 ]flit 一川。 追溯更早发现史益敏等研究者在1 9 9 4年也做了 相关研究B”,从系统感染TMV(tobacco mosaic virus) 的番茄叶胞外蛋白提取液中分离纯化得分子量为 145kDa的同型二聚体p—N一乙酰氨基己糖苷酶,该酶 同时具有N一乙酰一D—D一氨基葡萄糖苷酶和N一乙 酰一p-D一氨基半乳糖糖苷酶活力,最适pH在4.8~ 5.0之间,最适温度在44~47℃之间 卜 引。进一步做 了,N一乙酰葡萄糖和N一乙酰半乳糖等抑制剂对该活 性、结构等的影响实验,表明N一乙酰葡萄糖和N一乙 酰半乳糖是酶的竞争性抑制剂,Ag 和Hg 是酶活性 的不可逆抑制剂【3 -3 1。 6总结和展望 作为几丁质生物降解的主要酶类,N一乙酰一p~ D一氨基葡萄糖苷酶受到诸多生命学科的重视,并开展 了大量的研究工作,目前已经建立了一整套较为完善 的酶学体系和研究方法,对N一乙酰一p-D-氨基葡萄 糖苷酶的理化性质、生物结构例如N一乙酰一p—D一氨 基葡萄糖苷酶蛋白的核苷酸序列、一级结构和高级结 构以及作用机理等许多方面进行了深入系统的研究。 普遍的观点认为来源于细菌的N一乙酰一p—D一氨基葡 萄糖苷酶其主要功能是将几丁质分解利用作为营养 源;近年来随着分子生物技术的高速发展,大量的不 同来源的N一乙酰一p—D一氨基葡萄糖苷酶基因被克 隆,并作了细致的序列分析。 近年来,我国的海产品养殖加工工业迅猛发展,尤 其是南极磷虾的副产品的开发,是目前生物资源开 发的热点。由于对于南极磷虾的加工利用上尚处于初 级阶段,在加工中产生大量的废弃物,这些废弃物中 50%都是几丁质。所以对于南极磷虾几丁质的开发研 究目前是世界上各个国家都在研究的课题,对于该酶 的研究有助于我们对于几丁质催化降解机理的研究, 为几丁质降解提供理论基础。 致谢 感谢为本文提供帮助的所有老师和同学们,谢谢 你们辛勤的付出,感谢本人所采用文献的作者们,因 为有你们研究的基础,才有了今天这篇文章,你们是 中外食品工业5 1口一for ̄gn F叩d Industry 69 学术研究 最大的付出者,谢谢你们 参考文献 [1]张宇婷.来源于维式气单胞菌B565的两个几丁质降解 酶基因的高效表达、性质研究及水产养殖应用[D].中国 农科院,201 2. 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