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棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性研究



全 文 :棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性研究
黄志鸿1,檀东飞2
摘要: 目的 研究棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性。 方法 将棘托竹荪菌盖胞外酶冻干粉以缓
冲液进行溶解,经透析、离心后,以DNS为显色剂,以水杨苷为底物,采用分光光度法,对β-葡萄糖苷酶的主要酶学
特性和不同抑制剂、激活剂对酶活性的影响进行研究。 结果 β-葡萄糖苷酶的最适反应pH为4.0,最适反应温
度为65℃;Hg2+、Cu2+对酶起抑制作用,Fe2+、Zn2+对酶具有激活作用;棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶对水杨苷
的米氏常数(Km)为1.320×10-2 mol/L,最大反应速度Vmax为0.143 7μmol/min,比活力为2.874U/mg。 结论
 棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶偏好酸性环境,其温度适应范围较宽,温度升高可提升酶催化活性,但影响酶的
稳定性。
关键词: 棘托竹荪;子实体类,真菌;分光光度法;β-葡糖苷酶类;曲霉菌,黑;温度
中图分类号: R345;R363.123;R379.6;R977.3  文献标志码: A  文章编号: 1672-4194(2014)02-0091-05
收稿日期:2014-01-14
基金项目:福建省自然科学基金(X0650045)
作者单位:1.福建医科大学 基础医学院,福州 350108;
2.福建师范大学 生命科学学院,福州 350117
作者简介:黄志鸿(1985-),男,助理实验师,理学硕士
通讯作者:檀东飞.Email:dftan@fjnu.edu.cn
  棘托竹荪(Dictyophora echinovolvata Zang,
Zheng et Hu)原产于我国湖南、贵州等地,是我国科
技工作者于湖南省会同县首次发现并于1988年正
式定名的新种,隶属于真菌门、腹菌纲、鬼笔目、鬼笔
科、竹荪属[1]。棘托竹荪是名贵的食用真菌,同时具
有各种药用功效,是一种食、药兼用菌[2-3]。
  棘托竹荪属大型真菌,能直接生长于腐朽的树
干、竹木及草本植物半分解的残体上,具有很强的分
解利用纤维素的能力,棘托竹荪是所有竹荪中分解
能力最强的,对不易分解的针叶树凋落物也能进行
有效的分解[4-5]。纤维素酶是含有葡聚糖内切酶、葡
聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶这3种主要组分的复合
酶[6]。在水解纤维素的过程中,β-葡萄糖苷酶起着
关键作用,因此增强复合酶体系中β-葡萄糖苷酶的
活性,是提高水解效率的关键措施之一。
  目前对纤维素酶的研究主要集中在霉菌和细
菌,对大型真菌的相关研究相对较少[7]。因大型食、
药用真菌不分泌有害物质,其纤维素酶可应用于食
品药品行业,开展对食、药用真菌纤维素酶的研究,
在一定的现实意义。本研究以棘托竹荪为材料,研
究其菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性,旨在对棘托竹
荪β-葡萄糖苷酶进行研究及对其进行利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 主要材料 棘托竹荪菌盖胞外酶样品冻干
粉:收 集 已 开 伞 棘 托 竹 荪 菌 盖 外 分 泌 物 以
0.01mol/L pH 6.0磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液溶
解并去除杂质后,利用硫酸铵沉淀法,冻干制成。棘
托竹荪品种:棘托-89。
1.1.2 主要试剂 水杨苷(C13H18O7)、3,5-二硝基
水杨酸(DNS)、酒石酸钾钠(C4H4O6KNa·4H2O)、
磷酸氢二钠(Na2HPO4)、柠檬酸(C6H8O7)、盐酸
(HCl)、磷酸(H3PO4)、葡萄糖(C6H12O6)、牛血清
蛋白等均为A.R试剂(中国国药集团)。
1.1.3 主要仪器 高速冷冻离心机(CR22GII,日
本日立公司),电子分析天平[AL-204,梅特勒-托利
多仪器(上海)有限公司],紫外可见分光光度计
(752N,上海精密科学仪器有限公司),酸度计
(HANNA pH211,北京哈纳科仪科技有限公司),
数显恒温水浴锅(H-H-4,国华电器有限公司),
78HW-1型恒温磁力搅拌器(杭州仪表电机厂)。
1.2 方法
1.2.1 酶液制备 取10.0mg菌盖胞外酶样品
(硫酸铵沉淀冻干粉)用少量0.01mol/L pH 6.0磷
酸氢二钠-柠檬酸缓冲液溶解后装入透析袋中,后将
透析袋放入相同缓冲液中置于磁力搅拌器上进行低
温透析,更换透析液直至溶液中没有SO2-4 (以BaCl2
检测)。将完成透析的酶液以4℃、10 000r/min离
心10min,取上清液以蒸馏水稀释定容至25mL,
4℃保存备用。
1.2.2 β-葡萄糖苷酶活性测定 取1.0mL 1.0%
的水杨苷(溶于0.15mol/L pH 4.0磷酸氢二钠-柠
檬酸缓冲液)和粗酶液1.0mL于试管中,混合反应
后取出1.0mL反应液立即放入1.0mL DNS试剂
终止反应,充分混合后在沸水浴加热5min,流水迅
速冷却至室温,加水定容至10.0mL,分别取0min
19
福建医科大学学报
J Fujian Med Univ 2014April
,Vol 48No 2
和15min时的反应液,立即测定520nm波长下的
吸光值OD1和OD2;平行设置一个以等体积缓冲液
替代酶液的空白对照管,测其吸光值OD3,则OD值
增量为ΔOD =OD2-OD1-OD3。所有实验均设
置1个重复。
1.2.3 酶反应进程曲线测定 根据1.2.2中的酶
活测定方法,取10.0mL 1.0%的水杨苷和10.0mL
粗酶液预热升温后混合,于 65 ℃ 下反应。在
0~60min的反应时间内,于0,5,10,15,20,30,40,
50,60min分别取样1.0mL,测定波长520nm下
OD值,每个实验管均设一个重复。以反应时间为
横坐标,反应后产物的吸光值为纵坐标作反应进程
曲线。以曲线的起始段直线部分最高点对应的时间
做为所有后续实验的反应时间。
1.2.4 酶反应最适pH测定 根据1.2.2中的酶
活测定方法,分别于pH 2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,
5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0的缓冲液中,加入
酶液与底物,于65℃水浴反应15min,立即测定
OD520。以pH 为横坐标,产物吸光值为纵坐标作
图,最高吸光值所对应的pH 即为该酶的最适反应
pH。
1.2.5 酶反应最适温度测定 根据1.2.2的酶活
测定方法,采用1.2.4测定所得的最适反应pH,配
置反应液,分别将反应液于45,50,55,60,65,70,
75,80,85,90℃水浴反应15min,测定OD520。以温
度为横坐标,产物的OD520为纵坐标作图,吸光值最
高处所对应的温度即为该酶的最适反应温度。
1.2.6 酶温度稳定性测定 取一定量的酶液于
45℃水浴加热,待酶液温度恰好升至45℃时,取样
1次,随后每隔20min取样1次,共取3次。取出的
酶液以1.2.2酶活力测定方法,测定OD520,依此计
算出剩余酶活力;同样方法测在50,55,60,65℃保
温条件下酶的稳定性。
1.2.7 抑制剂、激活剂对β-葡萄糖苷酶的影响 参
照β-葡萄糖苷酶活性测定方法,抑制剂或激活剂的
反应条件设置如下:反应液为底物+酶+抑制剂或
激活剂(浓度为2×10-3 mol/L),三者体积比为
1∶1∶2,每管设置1个重复。同时,做同比例的正
常酶活测定管,抑制剂或激活剂用同体积的蒸馏水
替代,所有操作同1.2.2。由此得出加入抑制剂或
激活剂的酶与正常酶的相对酶活。
1.2.8 β-葡萄糖苷酶的反应动力学常数
1.2.8.1 标准曲线的制作 分别吸取2.5mmol/L
葡萄糖标准液0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0mL于试管
0,1,2,3,4,5 号 中,加 水 将 每 支 试 管 补 足 到
1.0mL,再加1.0mL DNS试剂,充分混匀后在沸
水浴中加热5min,流水迅速冷却至室温,加水定容
至10.0mL,在波长520nm处测OD值,以0号试
管为对照。以葡萄糖含量为横坐标,OD520为纵坐
标。
1.2.8.2 反应动力学常数测定 分别吸取1/50,
1/60,1/75,1/100,1/150,1/200mol/L水杨苷(溶
于0.15mol/L pH4.0磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液)
0.50mL 于试管1,2,3,4,5,6号中,再分别加
0.50mL酶液于65℃的水浴中反应15min,立即加
入1.0mL DNS试剂,混匀;每个浓度的水杨苷设
1个对照管,方法同1.2.2。
1.2.9 β-葡萄糖苷酶酶活测定
1.2.9.1 标准曲线的制作 分别吸500μg/mL牛
血清蛋白标准液0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,
0.7,0.8mL于8支试管,加水将每支试管补足到
1.0mL,然后加0.4mol/L的Na2CO3溶液5.0mL,
再加Folin-酚试剂1.0mL,充分混匀后放在40℃
的水浴中反应20min,直接于波长680nm处测OD
值,以0号试管为对照。以牛血清蛋白的含量为横
坐标,吸光值为纵坐标。
1.2.9.2 蛋白质含量测定 经透析、离心后定容的
酶液浓度为0.4mg/mL,取1.0mL酶液,以Folin-
酚法测出其蛋白质含量。
1.2.9.3 酶活力单位测定 在65℃下,分别设立
试验管和对照管,加入酶液,测定其酶活力单位,具
体方法同1.2.2。β-葡萄糖苷酶活力单位定义:以水
杨苷为底物,在pH 为4.0,温度为65℃的反应条
件下,每分钟生成1.0μmol葡萄糖的酶量为一个酶
活力单位(U)。
2 结 果
2.1 酶反应进程曲线 由β-葡萄糖苷酶反应进程
曲线可知,酶促反应时间与产物生成量在前15min
内基本呈直线关系,20min时达到反应的顶峰,之
后趋势渐缓,因此选择15min做为后续实验的反应
时间(图1)。
2.2 pH对β-葡萄糖苷酶活性的影响 pH对棘托
竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶活性的影响结果表明,
pH的变化对酶活的影响较大。当pH 由3.0上升
到4.0时,酶的活性急剧上升,而当pH>4.0时,酶
活开始下降,pH由4.0升至5.0时,酶活下降明显,
当pH>5.5时,酶活基本被抑制。在pH 3.0~5.0
的范围内,酶活相对较高,其中4.0为酶的最适反应
pH(图2)。
29 福建医科大学学报 2014年4月 第48卷第2期
图1 β-葡萄糖苷酶反应进程曲线
Fig 1 The reaction process curve ofβ-glucosidase
图2 pH对β-葡萄糖苷酶活力的影响
Fig 2 Effect of pH onβ-glucosidase activity
2.3 温度对β-葡萄糖苷酶活性的影响 棘托竹荪
菌盖胞外β-葡萄糖苷酶反应温度范围较宽。在
45~65℃内酶活随温度增高上升快;>65℃时,酶
活明显下降;降至70℃仍有一定活力,70~75℃时
酶活急剧下降;>80℃时,酶活几乎降为零。可见
棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶在45~70℃相对
具有较高活性,其最适反应温度为65℃(图3)。
图3 温度对β-葡萄糖苷酶活力的影响
Fig 3 Effect of temperature onβ-glucosidase activity
2.4 β-葡萄糖苷酶热稳定性 β-葡萄糖苷酶在
45℃时的热稳定性最佳,45℃时能保持较长时间
的催化活性,温度升高,则稳定性下降,温度越高,稳
定性下降得越快。如50℃经40min后,相对酶活
尚存39.17%;而65℃经40min,酶活已降为0,说
明此时酶已变性失活(表1)。
表1 温度对β-葡萄糖苷酶稳定性的影响
Tab 1 Effect of temperature onβ-glucosidase stability
t/min
T相对酶活/℃
45  50  55  60  65
0  100  100  100  100  100
20  90.75  69.49  28.35  13.98  1.38
40  88.78  39.17  3.35  1.77  0
60  87.60  13.58  0.79  0  0
180  71.46 - - - -
360  53.35 - - - -
  表中数据为%.
2.5 不同抑制剂、激活剂对β-葡萄糖苷酶活性的影
响 以加蒸馏水时所测得的酶活力为100%,其他
加激活剂、抑制剂所测值与其对比得相对酶活。在
激活剂、抑制剂终浓度为1.33×10-3 mmol/L条件
下,HgCl2、CuSO4对棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷
酶有明显的抑制作用,MgCl2、(NH4)2SO4、KCl、
NaCl、CaCl2对其则无明显影响,FeSO4、ZnSO4则有
不同程度的激活作用(表2)。
表2 不同抑制剂、激活剂对β-葡萄糖苷酶活力的影响
Tab 2 Effect of inhibitor and activator onβ-glucosidase ac-
tivity
激活剂、抑制剂 相对酶活/%
H2O  100
HgCl2 64.6
CuSO4 73.5
EDTA  82.5
FeCl3 87.5
Pb(NO3)2 87.7
MgCl2 98.4
(NH4)2SO4 100.6
KCl  102.8
NaCl  103.6
CaCl2 104.9
ZnSO4 108.1
FeSO4 128.0
2.6 β-葡萄糖苷酶反应动力学常数 以葡萄糖为
标样,得到葡萄糖标准曲线,方程为:
  Y=0.428 9X-0.050 8
  R2=0.999 4
  其中Y为OD520,X为葡萄糖含量(μmol)。
  在β-葡萄糖苷酶的反应动力学常数测定中,测
出OD值后,可从葡萄糖标准曲线求出葡萄糖含量,
即在不同浓度的底物中β-葡萄糖苷酶催化反应所生
成的葡萄糖的量,再结合双倒数做图法,即可测得酶
反应动力学常数等一系列参数。
39黄志鸿等:棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性研究
表3 β-葡萄糖苷酶在不同浓度底物中的反应速度
Tab 3 The reaction rate ofβ-glucosidase in different concentration substrate
序号 [S]/(mol·L-1) OD520 c葡萄糖/μmol  V/(μmol·min-1) 1/V  1/[S]




1/50
1/60
1/75
1/100
0.402
0.373
0.316
0.262
1.056
0.988
0.855
0.729
8.800×10-2
8.233×10-2
7.125×10-2
6.075×10-2
11.364
12.146
14.035
16.461
50
60
75
100


1/150
1/200
0.194
0.155
0.571
0.480
4.758×10-2
4.000×10-2
21.016
25.000
150
200
图4 双倒数作图
Fig 4 Double-reciprocal plot
  从图4可知,当直线与X轴相交时,交点的值即为
-1/Km,当直线交于y轴时即可求得1/Vmax,由此可得
出棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶对底物水扬苷的
Km=1.320×10-2 mol/L,Vmax=0.143 7μmol/min。
2.7 β-葡萄糖苷酶活力单位 经测算,牛血清蛋白
的标准曲线为:
  Y=0.000 3X+0.001
  Y为OD680,X为蛋白质含量(μg),由此可测得
酶的蛋白质含量为50μg。
  以纤维二糖为酶解底物时,一个β-葡萄糖苷酶
活力国际单位等于标准反应条件下每分钟生成
2.0μmol葡萄糖的酶量。现以水杨苷为底物,一个
β-葡萄糖苷酶活力单位则等于在pH 4.0,温度为
65℃的反应条件下每分钟生成1.0μmol葡萄糖的
酶量。由此可得,β-葡萄糖苷酶活力0.134 7U,进
而可得知,比活力为2.874U/mg。
3 讨 论
  棘托竹荪是珍贵的食药兼用菌,目前我国南方
各省已大面积人工栽培,其中棘托-89因具有产量
高,对环境的适应性好等特点,因而做为主要品种在
福建省内大量栽培。棘托竹荪用于食用的通常为子
实体菌柄和菌裙部分,占棘托竹荪菌体的40%左
右,而大量的菌盖、菌托等不可食用部分则被直接丢
弃。鉴于棘托竹荪具有很强的分解利用纤维素的能
力,生长过程中大量的酶液分泌到胞外,因此可对其
胞外β-葡萄糖苷酶进行研究,以期对棘托竹荪不可
食用部分进行利用。
  本研究以水杨苷为底物,对棘托竹荪菌盖胞外
β-葡萄糖苷酶的特性进行研究。由实验结果可知,
棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶在pH 3.0~5.0均
有活性,其最适pH为4.0,说明在偏酸性环境中,β-
葡萄糖苷酶能表现出更强的活力,这与棘托竹荪喜生
长于偏酸性环境的生理习性相一致。大量的研究结
果也表明,β-葡萄糖苷酶为一种酸性蛋白酶,不同来
源的β-葡萄糖苷酶其最适反应pH在3.0~7.0之
间[8-12]。
   不同来源的 β-葡萄糖苷酶其最适温度在
40~110℃均有分布,温度适应范围较宽[9-11]。棘
托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶的在45~70℃的范
围内均可表现出较高活性,其最适温度为65℃。相
对于其他温度,β-葡萄糖苷酶在45℃时的热稳定性
最高,能保持较长时间的催化活性;而在其最适反应
温度65℃,热稳定性却较差,经40min的处理,酶
活就完全被抑制。说明温度的升高能提高β-葡萄糖
苷酶的催化效率,但较高的温度也会对酶造成不可
逆的破坏。
  棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶活性还受到金
属离子的影响[11,13]。Hg2+、Cu2+ 对该酶有明显的
抑制作用,使酶活分别降低了35.4%和26.5%;
Fe2+、Zn2+则有不同程度的激活作用,其中Fe2+对
酶的激活作用明显,使酶活力提高了28%。这可能
由于β-葡萄糖苷酶是一种蛋白酶,Hg
2+、Cu2+等重
金属离子容易使酶蛋白变性失活,而Zn2+通常是一
些酶蛋白活性结构域的重要组成部分,因此该离子
的加入对酶具有激活作用,同时Fe2+作为一种还原
剂,可能用以还原酶促反应过程中产生的有害氧化
物,从而保护酶的结构不受破坏。
  本实验研究了棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶
的酶学特性,并在此基础上进一步研究了抑制剂、激
49 福建医科大学学报 2014年4月 第48卷第2期
活剂对酶活性的影响,结果表明,棘托竹荪菌盖外分
泌物含有β-葡萄糖苷酶,在合适的反应条件下能表
现出较高的酶促活性。棘托竹荪是食药两用菌,不
分泌有害成分,其所产的β-葡萄糖苷酶可用于食品、
医药行业,且目前棘托竹荪在我国已进行大规模的
人工栽培,生产加工会产生大量的废弃物,从棘托竹
荪加工后的废弃物中提取β-葡萄糖苷酶,既为β-葡
萄糖苷酶的获取增加一个来源,也可促进棘托竹荪
不可食用部分的再利用,对于提高棘托竹荪的利用
率具有较为积极的意义。
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Study on Enzymatic Properties of Extraceluarβ-glucosidase Isolated
from Pileus of Dictyophora Echinovolvata
HUANG Zhihong1,TAN Dongfei 2
1.School of Basic Medical Sciences,Fujian Medical University,Fuzhou 350108,China;
2.Colege of Life Sciences,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China
  ABSTRACT: Objective To study the enzymatic characteristics of extracelularβ-glucosidase isolated
from pileus of Dictyophora echinovolvata. Method The lyophilized powder of ectoenzyme that extrac-
ted from pileus of Dictyophora echinovolvata was reconstituted in a buffer solution. After dialysis and
centrifugation,the characteristics ofβ-glucosidase and the effects of various different inhibitors and activa-
tors ofβ-glucosidase were investigated with the method of spectrophotometry in which DNS was chosen as
chromogenic reagent,and the saligenin was used as substrate. Results The optimal pH forβ-glucosi-
dase activity was 4.0,and the temperature was 65℃. Theβ-glucosidase activity was inhibited by Hg
2+
and Cu2+,but was activated by Fe2+and Zn2+. The Kmofβ-glucosidase from pileus of Dictyophora echi-
novolvata was 1.32×10-2 mol/L,the Vmaxwas 0.143 7μmol/min and the specific activity was 2.874U/mg. 
Conclusion The acidic conditions can enhance the enzyme activity of extracelularβ-glucosidase,and the
working temperature ofβ-glucosidase has broad range. A higher temperature can increaseβ-glucosidase
activity but impair its stabilization.
KEY WORDS: Dictyophora echinovolvata;fruiting bodies,fungal;spectrophotometry;beta-gluco-
sidase;aspergilus niger;temperature
(编辑:张慧茹)
59黄志鸿等:棘托竹荪菌盖胞外β-葡萄糖苷酶酶学特性研究