全 文 ：Aug．2006
·16·
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
第4卷第3期
2006年8月
糖苷酶及其在糖基化合物改性中的研究
冯世江1，李 春k2，曹竹安3
(1．石河子大学 化学化工学院，石河子832003；2．北京理工大学生命科学与技术学院，北京100081；
3．清华大学 化学工程系生化研究所，北京100084；)
摘要：利用糖苷酶对糖基化合物的糖基定向改造工程是目前一个研究的热点。通过对该领域最新研究成果调
研，综述了糖苷酶的分类、催化机理及其在糖基化合物改性中的应用i其中着重阐述了g-o．葡萄糖醛酸苷酶在甘草
酸生物改性中的应用。提出了糖苷酶的改造方法及其在糖基化合物改性中的研究策略。
关键词：糖苷酶；糖基化舍物；改性
中图分类号：Q814 文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2006}03—0016—06
Progressinglycosidaseandmodificationofglycoside
FENGShi-jian91，LIChunl’2，CAOZhu．觚3
(1．SchoolofChemistryandChemicalEn矛neefing，ShiheziUn v mityShihezi832003，China；
2．SchoolfLifeScienceandTechnology，BeijingInstituteofTechnology，Bering100081，China；
3．InstituteofBiochemicalEngineeringofChenficalEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing10(1084，China)
Abstract：Selectivitymodificationofglycosidebyglycosidaseisoneofthemostfascinatingtopics．Fromrecent
methodologicaladvancementsinthisfield，theclassification，catalyzingmechanismandtheapplicationinthe
modificationofglycosidebyglycosidasewereummarizedinthisreview．Glycyrrhizinbiotransformationbyp-
D—glucuronidaseWasfocused．Somestrat giesonmodificationofglycosidewerdiscussedhere．
Keywords：glycosidase；glycoside；modification
糖苷酶几乎存在于所有的生物体中[1圳，是一类
以内切或外切方式水解各种含糖化合物(包括单糖
苷、寡糖、多糖、皂甙、糖蛋白等)中的糖苷键，生成单
糖、寡糖或糖复合物的酶。
糖基化合物又称糖苷类化合物或配糖体，是糖
或糖的衍生物如氨基糖、糖醛酸等与另一非糖物质
通过糖苷键连接而成的化合物，其存在形式主要有
单糖、多糖、皂甙类化合物、糖蛋白等。作为自然界
中一类重要的化合物，在生物、医药、食品等领域均
有着广泛的利用价值，也是继核酸、蛋白质之后的叉
一广阔的生命与健康的研究领域。近年来，随着对
该类化合物的深入研究，许多糖基化合物需要经改
性后才能满足人们的要求，而糖苷酶在这一任务中
无疑将扮演重要角色，利用糖苷酶对糖基化合物的
糖基定向改造工程成为一个研究热点【5d2}。本文将
围绕糖苷酶的分类、机理、糖基化合物生物改性的研
究现状进行综述，并提出了糖苷酶在糖基改性中的
研究策略。
收稿日期：2006—04-20
基金项目：生物反应器工程国家重点实验室开放基金(眦出吆09)；教育部工业生物技术重点实验室开放基金
作者简介：冯世江(1976一)，男，新疆人，讲师，研究方向：生物催化与酶工程。
联系人：李春，男，教授、博士生导师，E-mail：lich棚@bit．otu．ca
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2006年8月 冯世江等：糖苷酶及其在糖基化合物改性中的研究 ．17．
1糖苷酶的分类及折叠方式
糖苷酶有4种分类方法：(1)按底物命名的分类
法，如水解pD．葡萄糖苷键的酶称为肛口葡萄糖苷
酶(EC3．2．1．21)；(2)按糖苷酶的作用机制分类法，
根据底物异头构型的保留或反转，分为保留型和反
转型；(3)按水解位置分类，分为内切型和外切型；
(4)按氨基酸序列和三维结构相似性的分类法[4J3j，
该法能够区分糖苷酶的结构特征，显示酶之间的相
互进化关系，同时，通过结构和功能的比较，可以获
知糖苷酶的活性中心(或者功能区)和维系其三维空
间稳定的区域等，为获取活性较高、稳定性较好、底
物特异性较强等特性优良的糖苷酶提供理论基础，
因而，目前广泛采用该种分类方式。
根据最后一种分类方式，糖苷酶分为67个家
族，活性结构域的拓扑学构象有3种，它们各自有一
样的折叠方式和相同的催化活性氨基酸。(1)口袋
式：识别糖的非还原末端，典型的外切酶是此构象，
口袋的深度和长度决定于底物和酶结合基团的长
i写一
℃迎oH 一
～0一
度；(2)裂隙式：开放结构，随机结合多聚长链多个糖
单位，一般是内切酶，如溶菌酶，淀粉酶等；(3)隧道
式：像纤维二糖酶是对～个长链纤维素分子进行攻
击，它们的结合部位处于隧道中m】。
2糖苷酶催化机理
糖苷酶的活性中心由两个羧基残基组成。其催
化作用是通过与糖苷化合物的异头碳形成正碳离子
中间体，然后离去完成反应。糖苷键的催化机理有两
种：反转和保留方式【I引，它们分别指在糖苷酶与糖苷
物形成正碳离子后的离去方式，糖苷化合物的异头碳
是否发生构象改变，如果发生改变称为反转，不发生
改变称为保留。在反转方式的糖苷酶中，活性中心的
两个羧基残基之间的平均距离大约为(14-0．2)nm，它
们分别作为酸或碱催化，只需一步置换即可裂解糖苷
键完成水解反应(图l(a))。在保留方式的酶中，活性
中心的两个羧基残基之间的平均距离大约为0．55
nlll[J劓6J，糖基和酶形成了反应过渡态，在酸碱催化的
协助下，经过两步置换，完成催化水解¨71(图1(b))。
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图1糖苷酶的反转(a)和保留(b)催化机理
Fig．1Glycosidasemechanismsforla)锄invertingandIb)aretmtfing
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·18· 生物加工过程 第4卷第3期
3糖苷酶在糖基化合物生物改性中的应用
3．1在天然产物改性中的应用
许多天然生物活性分子是糖基化合物或称糖甙
类化合物，在对人类疾病的治疗中具有抗病毒、抗肿
瘤等药理学意义¨蚴j。但令人遗憾的是天然型野生
的植物中，一些糖甙类化合物往往因水溶性或脂溶
性过大，导致其不是生物活性最佳的分子形式，需要
定向改造它们的糖基部分，以生成高活性的糖甙类
化合物‘22一引。
甘草酸是甘草中一种主要的有效成分，结构为
三萜皂甙，其糖基部分是通过口．1，2糖苷键相连接
的两个葡萄糖醛酸。甘草酸是一种重要的天然甜味
剂和药物，但会导致高血压、低血钾等副作用[雏引。
甘草酸经改性(图2)后的产物p-D．单葡糖醛酸基甘
草次酸的甜度是甘草酸的5倍多，是蔗糖的l000多
倍，并且肋∞为5000mg／kg，远大于甘草酸的
LD粥mJ，比甘草酸更加安全，由于甘草酸独特的分
子结构决定了生物(酶)法为生产p-D．单葡糖醛酸
基甘草次酸的最佳方法。目前，生物法生产肛D．单
葡糖醛酸基甘草次酸存在的问题主要是：生物催化
剂主要为微生物细胞或粗酶，源于不同生物体的p
D．葡萄糖醛酸苷酶具有多种的催化特性，催化甘草
酸存在着副反应，使目标产品p-D一单葡糖醛酸基甘
草次酸的得率不高。因而如何获得用于定向合成
pD一单葡糖醛酸基甘草次酸的优良生物催化剂一直
是生物合成pD．单葡糖醛酸基甘草次酸面临的主
要问题。AKAOTaikob¨和KIMDongHyun旧21均在人
体肠道细菌中发现具有催化甘草酸合成单葡萄糖醛
酸基甘草次酸的pD．葡萄糖醛酸苷酶，同时在老鼠
的肝脏中也发现具有催化以下4种水解反应的p
D．葡萄糖醛酸苷酶：(1)甘草酸一甘草次酸；(2)甘草
酸一单葡萄糖醛酸基甘草次酸一甘草次酸；(3)甘草
酸一单葡萄糖醛酸基甘草次酸；(4)单葡萄糖醛酸基
甘草次酸一甘草次酸，因此认为不同生物中该酶的
底物特异性有差异。吴少杰等人[33]筛选到具有产
p-D．葡萄糖醛酸苷酶的米曲霉和黑曲霉，利用其水
解甘草酸得到了pD一单葡糖醛酸基甘草次酸，但底
物特异性不强，在得到目标产物的同时还产生了大
量副产物甘草次酸。笔者的研究室通过自行设计的
以甘草酸为唯一碳源的限制性培养基选育出了一株
真菌Penicilliumsp．Li．3菌株，其表达的p-D．葡萄糖
醛酸苷酶具有高度的反应特异性，能定向水解甘草
酸生成p-D．单葡糖醛酸基甘草次酸，摩尔转化率可
达88．45％。
甘草酸 D—D一单葡萄糖醛酸基甘草次酸
图2甘草酸的生物改性
Fig．2Biotransformationfglycyrrhizin
人参皂甙是人参中的主要有效成分，含量约
4％，人参皂甙属三萜类皂甙‘34J，按其皂甙元结构的
不同，可分为齐墩果酸型皂甙、人参二醇型皂甙和人
参三醇型皂甙3大类，但并非所有的人参皂甙都有
很高的生物活性。如具有强烈抗癌作用的人参皂甙
nide
Rh2，在人参中的质量比仅为10～，如果利用低活性
的人参二醇类皂甙R93，去掉C一3位末端上的一个
p一葡萄糖基，就得到人参皂甙Rh2。张丹、金凤燮
等㈥筛选到一株p一葡萄糖苷酶的高产菌株，以人
参皂甙R舒为底物水解掉一个葡萄糖后得到人参皂
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