基金项目:国家海洋局海洋公益性项目(201305015); 福州大学校人才基金(XRC-1551)
通信作者:chenqx@xmu.edu.cn
(1.福州大学 生物科学与工程学院,福建省海洋酶工程重点实验室,福建 福州 350116; 2.厦门大学生命科学学院,福建 厦门 361102)
(1.Fujian Key Laboratory of Marine Enzyme Engineering,College of Biological Science and Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China; 2.School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,China)
Hypocrea orientalis; β-glucosidase; lactic acid; inhibition kinetics; fermentation products
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201609043
为探讨糖化共发酵同步进行的过程中发酵产物对纤维素酶活力的影响,研究了乳酸对纤维素酶组分中β-葡萄糖苷酶(BG)活力的影响.结果显示:乳酸对BG活力有不同程度的抑制,该作用具有显著的浓度效应,其半抑制浓度IC50=0.19 mol/L; 乳酸对BG的抑制类型是可逆的竞争性抑制,抑制常数KI=0.149 mol/L.应用底物反应动力学方法研究酶抑制动力学,建立了抑制动力学模型,发现乳酸对BG的影响是缓慢可逆失活的过程,底物对其有明显的保护作用,测得其正向速率常数k+0为0.4 L/(mol·min),逆向速率常数k-0为0.056 min-1.该结果为纤维素糖化共发酵进程调控提供了理论依据.
The kinetics of inhibition of β-glucosidase purified from Hypocrea orientalis by lactic acid has been studied.The results show that the enzyme can be reversiblely inhibited by lactic acid with IC50 of 0.19 mol/L,while at low concentration the inhibition of the enzyme is a slow,competitive type reaction and the inhibition constant(KI)is 0.149 mol/L.The microscopic rate constants for the reactions of lactic acid with the enzyme have been determined and the values of forward(k+0)and reverse(k-0)inhibition constants are 0.4 L/(mol·min)and 0.056 min-1,respectively.The presence of the substrate has showed an obvious protective effect on the enzyme against the inhibition by lactic acid.Our study provides the theoretical support for lactic acid production industry by simultaneous saccharification-fermentation of cellulose.
通过降解木质纤维素制备化工原料是绿色化学研究的热点之一[1].在纤维素酶水解木质纤维素的过程中,3个功能酶组分协同作用于葡聚糖链:内切酶先水解纤维素长链的糖苷键,将纤维素长链水解成纤维寡糖; 外切酶再水解纤维素长链和纤维寡糖两端的糖苷键释放出纤维二糖; 最后β-葡萄糖苷酶(BG)水解β-1,4-糖苷键,将纤维二糖水解成葡萄糖.BG又称β-D-葡萄糖苷水解酶或纤维二糖酶,是一种水解芳香基或烃基与糖分子形成的糖苷键的一类水解酶,在纤维素水解过程中,可将纤维二糖的β-1,4-糖苷键切开产生葡萄糖[2].
乳酸是微生物发酵的代谢产物之一,以木质纤维素或纤维寡糖为原料进行同步糖化发酵法是制备乳酸或其他发酵产品的有效途径[3-5],但其中的发酵产物如乳酸等对纤维素酶活性具有抑制作用,影响纤维素的酶解水平,导致乳酸发酵产率下降[6-7].目前乳酸对纤维素酶活力影响的作用机制还鲜见报道.本研究以东方肉座菌(Hypocrea orientalis)EU7-22菌株分泌的BG为研究对象,在前期测定了产物葡萄糖对该酶的作用动力学机制[8]的基础上,分析乳酸对该酶的抑制动力学机制,以考察BG在共发酵纤维素产乳酸的生物过程中的活力变化.
东方肉座菌EU7-22菌株由厦门大学龙敏南教授课题组提供[9].BG由东方肉座菌发酵液中分离纯化[10].乳酸购自国药集团化学试剂有限公司,分析纯.
酶活力的测定:450 μL 0.1 mol/L 乙酸-乙酸钠缓冲液(pH 5.0)和120 μL 4 mmol/L对硝基苯酚葡萄糖苷(pNPG)底物60 ℃预热后,加入50 μL酶液混匀; 60 ℃水浴15 min后,再加入1 mL 2%(质量分数)NaOH溶液终止反应并显色,在酶标仪测405 nm吸光度(A405); 通过标准曲线查得产物对硝基苯酚(pNP)的含量.重复3次,计算平均值和标准差.每分钟每毫升反应液水解产生1 μmol pNP的酶量定义为一个酶活单位(U).
乳酸对BG的抑制作用研究:在BG测活体系中固定BG浓度,加入不同量的乳酸后测定BG活力,重复3次,计算平均值和标准差.以酶活力对乳酸浓度作图,考察乳酸抑制BG活力的浓度效应.
乳酸对BG的抑制机制分析:在一定浓度乳酸存在下,改变测活体系中BG的质量浓度(0.01,0.03,0.06和0.09 μg/mL),测定BG活力,以酶活力对酶的质量浓度作图,得到一组直线,根据直线的位置关系判断乳酸的抑制机制.
乳酸对BG的抑制类型判断[7]:在一定浓度的底物溶液中,测定不同浓度乳酸存在下酶促反应的初始反应速率(v),以1/v对1/c(S)(c(S)表示底物浓度)进行双倒数作图,根据双倒数曲线图判定乳酸抑制类型,分析比较BG的表观米氏常数(Kmapp)和最大反应速率(Vm)的变化,并计算乳酸对BG的抑制常数(KI).
在酶的最适反应条件下(pH 5.0,60 ℃),首先测得东方肉座菌BG水解pNPG的米氏常数Km为0.28 mmol/L,最大反应速率Vm为2.1×104 U/mg(图1).
图1 BG催化底物pNPG水解的动力学常数测定
Fig.1 Determination of catalytic kinetic constants of BG for hydrolysis of pNPG
向测活体系中加入不同体积的乳酸,研究不同体积分数的乳酸对BG活力的影响.BG活力与乳酸体积分数的关系见图2:BG活力随着乳酸体积分数的增大而迅速下降,当乳酸体积分数为1.5%时,BG活力下降50%,即得乳酸对BG活力的半抑制浓度(IC50)为0.19 mol/L.
为判断乳酸对BG的抑制是否为可逆抑制,进一步在含不同浓度乳酸的测活体系中,固定底物pNPG浓度为0.24 mmol/L,改变BG的加入量,测定不同浓度乳酸对BG活力的影响.以酶活力对酶的加入量作图,得到一组通过原点的直线(图3),说明乳酸对BG的抑制作用是可逆过程.
图4 乳酸存在下BG催化pNPG水解的Lineweaver-Burk曲线
Fig.4 Lineweaver-Burk plots for hydrolysis of pNPG by BG under different concentrations of lactic acid
在酶的最适反应条件下(pH 5.0,60 ℃),在含一定浓度的乳酸测活体系中改变底物浓度c(S),测定酶促反应的初始反应速率v,以1/v对1/c(S)进行双倒数作图,得到一组相交于纵轴的直线(图4(a)),说明乳酸不影响最大反应速率Vm,只影响米氏常数Km,其抑制类型表现为竞争性抑制,即乳酸与游离酶竞争性结合,但不与酶-底物复合物结合.以不同乳酸浓度下的表观米氏常数Kmapp对乳酸浓度作图得一直线(图4(b)),从斜率可求出其抑制常数KI为0.149 mol/L.
参考文献[11-12]的方法建立乳酸对BG抑制动力学模型.根据实验结果,乳酸对酶作用为可逆竞争抑制,其动力学模型可表示为:
其中:E、S、I和P分别代表游离酶(BG)、底物(pNPG)、抑制剂(乳酸)和产物(pNP); ES为酶-底物复合物; EI为酶-抑制剂复合物; k+0与k-0分别表示酶的正、逆向速率常数; kp为酶-底物复合物分解速率常数.通常情况下,由于底物和抑制剂浓度远大于酶的初始浓度,根据邹承鲁教授提出的抑制剂对酶的抑制作用机制[13],可推导得下式:
c(P)t=(Bv)/(Ac(I)+B)·t+
(Ac(I)v)/((Ac(I)+B)2)(1-e-(Ac(I)+B)·t),(1)
其中,A=(Km·k+0)/(Vm+c(S)),(2)
B=k-0.(3)
式中,c(P)t是反应时间t时的产物浓度,A和B分别为抑制剂对酶的表观正向速率常数和逆向速率常数.当反应时间足够长,曲线变直,酶受抑制达到稳态,理论计算所得的产物浓度c(P)calc可表示为:
c(P)calc=(Bv)/(Ac(I)+B)·t+(Ac(I)v)/((Ac(I)+B)2),(4)
c(P)calc-c(P)t=(Ac(I)v)/((Ac(I)+B)2)·e-(Ac(I)+B)·t.(5)
分别对式(5)两边取自然对数,则得:
ln(c(P)calc-c(P)t)=a-(Ac(I)+B)·t,(6)
其中a为常数.
不同乳酸浓度下,以ln(c(P)calc-c(P)t)对反应时间t作图,可得一组直线,其负斜率(-slope)为Ac(I)+B,即斜率与抑制剂浓度呈线性关系,为一组交于纵轴的直线,其纵轴截距和斜率分别为B(即k-0)和A.联解式(2)和米氏方程,得到:
A/v=(Km·k+0)/(Vm)·1/(c(S)).(7)
以A/v对1/c(S)作图,直线的斜率为(Km·k+0)/Vm,由于Km与Vm已测出,所以从直线的斜率即可求得正向速率常数k+0.
在pH 5.0的测活体系中(1 mL缓冲体系内含0.24 mmol/L pNPG及不同浓度的乳酸)加入适量酶液,在60 ℃下监测产物形成量(用A405表示)随反应时间t的进行过程.如图5(a)所示:在反应开始时,随着反应时间的增加,产物增加较为明显,随后产物增加逐渐缓慢直至达到恒定直线上升,说明酶逐渐被抑制,最终保留一定的剩余活力,且剩余活力随着乳酸浓度的增大而下降.可见,乳酸在考察浓度范围内对酶的效应表现为慢可逆的抑制作用.以ln(c(P)calc-c(P)t)对反应时间t作图,得一组直线(图5(b)),其负斜率即为Ac(I)+B.
在含一定浓度乳酸的测活体系中,分别测定酶催化不同浓度pNPG(0.16,0.24,0.32,0.48和0.64 mmol/L)反应的动力学进程曲线,并以5个底物浓度反应曲线的ln(c(P)calc-c(P)t)对t作图,可得一组直线.图6(a)为酶在含0.160 mol/L乳酸的测活体系中不同底物浓度下催化pNPG水解的动力学进程曲线.以ln(c(P)calc-c(P)t)对t进行二次作图(图6(b)),得直线的负斜率为Ac(I)+B.
以直线斜率对乳酸浓度作图,可得到一组纵截距为B的直线(图7(a)),求出乳酸对BG的逆向速率常数k-0为0.056 min-1.根据已测定的不同底物浓度下的初始反应速率v及求得的A,以A/v对1/c(S)作图得到一条过原点的直线(图7(b)).根据式(7),由于Km、Vm及k-0已测出,所以从直线的斜率可求得乳酸对BG的正向微观抑制速度常数k+0为0.4 L/(mol·min).
在纤维素酶作用体系中,BG负责水解纤维寡糖生成葡萄糖,然而葡萄糖对该酶具有明显的反馈抑制作用[7,13].以木质纤维素为原料,采用糖化发酵法同步进行乳酸或生物乙醇发酵,在提高发酵效率的同时能有效减少葡萄糖对BG的抑制程度[14],但发酵产物如乙醇、乳酸等容易导致其中的BG变性失活[6-7].因此,考察发酵产物对BG活力影响的机制具有重要的实际意义.
本研究考察了乳酸对BG活力的影响并分析其抑制机制,发现乳酸可竞争性抑制BG活力,KI=0.149 mol/L(乳酸体积分数为1.3%),BG耐乳酸能力低,表明在利用纤维素进行共发酵产乳酸的过程中须严格控制反应体系中乳酸的含量,避免酶活力下降,保证纤维素糖化效率.另外,乳酸是乙醇无氧氧化的产物,故用纤维素废料共发酵生产生物乙醇过程中要严格保证发酵液的溶氧量,避免无氧条件下发酵体系内乳酸积累而导致的酶活力下降.
乳酸分子是含有α羟基的羧酸类有机物,分子内通过羟基与羧基形成的p-π共轭体系,一方面增加了乳酸的酸性(pKa=3.86),另一方面也提高了其羧基的亲核能力[15].而本研究所用BG分子经鉴定属糖苷水解酶3家族(GenBank:AFM77966.1),水解糖苷底物的方式属保留型机制,即活性中心有2个保守的谷氨酸侧链羧基作为酸碱对起催化糖苷键水解的作用[16-17].谷氨酸侧链羧基的pKa=4.25,比乳酸分子稍高,在本研究的反应体系下(pH=5.0),一定量的乳酸分子进入活性中心,在引起酶的微环境酸碱度变化的同时,质子相比乳酸阴离子更倾向于和谷氨酸侧链羧基结合,抑制作为亲核试剂的谷氨酸羧基的解离,阻碍其与底物糖苷键的糖基侧碳原子结合; 与此同时,解离的乳酸根阴离子会亲核进攻糖苷键的糖基侧碳原子,阻碍酶的催化水解,因此在活性中心内起到了竞争性抑制糖苷底物水解的作用.另外,与其他类似发酵产物(如乙醇和乙酸)相比,乳酸具有相近的烃骨架,但乙醇不能像乳酸和乙酸一样解离出H+,而乙酸相比乳酸少了α碳上的羟基.许鑫琦等[7]之前的研究中比较了这3种发酵产物对BG的作用程度,发现乳酸的抑制效果最明显,半抑制浓度比乙酸(0.34 mmol/L)降低了几倍,比乙醇(4.4 mmol/L)降低了10倍以上,这是由其各自的结构特点所决定的.本研究通过建立乳酸抑制BG的动力学模型,确定了乳酸对BG为慢可逆抑制作用,在一定浓度乳酸存在下,随着反应时间进行,BG催化pNPG水解的速率逐渐下降,到一定时间后乳酸与酶分子的作用达到稳态,此时受抑制的酶的催化速率保持不变,乳酸浓度越高受抑制到达稳态后的酶剩余活力越低,且酶与底物结合后活力不受乳酸影响,说明底物在乳酸溶液中对酶具有保护作用,这与葡萄糖对该酶的竞争性抑制方式[8]相似.
在真菌培养或者利用纤维素进行发酵工业生产中,纤维素糖化产物常会在适宜的条件下继续发酵产酸或乙醇,影响纤维素酶的活力.本研究为探讨羧酸类有机物对纤维素酶的作用动力学过程和控制发酵工艺提供了理论参考.