转海藻糖合成酶基因的研究进展
- 格式:doc
- 大小:49.00 KB
- 文档页数:4
海藻糖合酶的结构和催化机制研究进展王一雯;马焕;权淑静;刘德海;解复红;王佰涛;安明理【摘要】Trehalose synthase is a molecular isomerase which catalyzes the two-way replacement conversion of maltose and trehalose and has become the most concise path to produce trehalose.The structure characteristics and mechanism of the isomerase is widely concerned in the academic and pharmacological fields.The review summarized the latest research findings in three aspects,including the crystal structure of trehalose synthase,mechanism of intriguing isomerase and application prospects.It would help to improve the research and development mode of trehalose,as well as increase the economic benefit of industrial production in the future.%海藻糖合酶是一种能够催化麦芽糖和海藻糖之间发生双向替换反应的分子异构酶,这种合成途径是目前已知的海藻糖生成方式中最简洁的一条路径.该异构酶的结构特点及作用机制受到学术界和药理学界的广泛关注.该文从海藻糖合酶的晶体结构、催化机制及应用现状三个方面阐述有关海藻糖合酶的最新研究成果,有助于改进海藻糖相关产品研发模式,增加海藻糖工业生产经济效益.【期刊名称】《中国酿造》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】5页(P14-18)【关键词】海藻糖合酶;分子异构酶;晶体结构;催化机制【作者】王一雯;马焕;权淑静;刘德海;解复红;王佰涛;安明理【作者单位】河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008;河南省科学院生物研究所,河南郑州450008【正文语种】中文【中图分类】Q785非还原性双糖—海藻糖自1832年由WIGGERSH A L等从麦角菌中分离提取后,有关其化学结构、理化特性、功能应用及生产研发等相关研究便层出不穷[1-6]。
海藻糖的开发应用及研究摘要:海藻糖(Trehalose)是一种安全、可靠的21世纪新型天然糖类。
广泛应用于生物学、食品、医药、化妆品等行业。
本文主要对其理化性质、生物学特性、应用前景、提取方法等方面进行综述。
关键词:海藻糖生物学特性提取应用海藻糖又称酵母糖,是由两个吡喃环葡萄糖分子以a- 1, 1 糖苷键连接的非还原性二糖。
科学家们发现,沙漠植物卷叶柏在干旱时几近枯死,遇水后却又可以奇迹般复活;高山植物复活草能够耐过冰雪严寒;一些昆虫在高寒、高温和干燥失水等条件下不冻结、不干死,就是它们体内的海藻糖创造的生命奇迹。
海藻糖因此在科学界素有“生命之糖”的美誉。
国际权威的《自然》杂志曾在2000年7月发表了对海藻糖进行评价的专文,文中指出:“对许多生命体而言,海藻糖的有与无,意味着生命或者死亡”。
1832年, Wigger从黑麦中首次分离得到海藻糖,之后研究发现海藻糖广泛存在于动植物体和微生物体内,如磨菇、海带、面包酵母等。
它的分子式为C12H22O11。
因海藻糖对生物活性物质具有重要的抗逆保鲜作用,许多生物体在逆境(如脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透压及有毒试剂等)条件下都能通过体内调节增加海藻糖的含量来抵御外界不良的伤害。
此外,海藻糖通过外加式同样能对生物体和生物大分子起着良好的非特异性保护作用。
因此, 海藻糖在生物学、医药、食品、农业、保健品、化妆品等方面具有广阔的市场前景。
1、海藻糖的性质1.1海藻糖的结构海藻糖是一种由两个葡萄糖分子通过半缩醛羟基以a-1,1糖苷键结合的非还原性双糖。
它有(a,a)、(a,p)、(p,p)三种光学异构体,天然存在的海藻糖一般为(a,a)型,分子式为1.2 海藻糖的理化性质海藻糖是白色晶体,带有两分子结晶水,能溶于水、冰醋酸和热乙醇中,不溶于乙醚、丙酮。
海藻糖的理化性质非常稳定,不能使斐林试剂还原,也不能被a-糖苷酶水解,但在强酸条件下能被水解为两个葡萄糖分子[1]。
海藻糖的一些研究与开发海藻糖作为一种天然的糖类,最早发现海藻糖的是W igger,他在研究黑麦的麦角菌时,让溶液静置一段时间之后,发现在容器壁中形成一些无色、非还原性、微甜的糖晶体。
随后人们发现它在自然界的动植物和微生物中广泛存在,Elbein总结了各种生物中海藻糖的含量分布,近80种植物、藻类、真菌、酵母、细菌,昆虫到无脊椎动物都罗列其中。
经过100多年的研究,直到进入20世纪90年代,较大规模的工业化生产才得以实现。
由于海藻糖的结构明显不同于其他低聚糖类,自然就赋予了它独特的理化性质与生物学特性,学术界对海藻糖的作用机理和应用进行了广泛的研究。
海藻糖(Trehalose),又名覃糖,是由两个吡喃环葡萄糖分子以A,A-1, 1键连接而成的双糖,化学名为A-D-吡喃葡糖基A-D-吡喃葡糖苷(a-D-glucosideo-a-glucosideo),分子式为C12H22O11#2H2O,分子量378133。
海藻糖理论上存在有三种不同的正位异构体(Anomers),即A,A-型、A,B-型和B,B型。
但在自然界中广泛存在的只有A,A-型异构体,也就是通常所说的海藻糖(Trehalose),也被称作蘑菇糖(Mycose,Mushroom sugar),其余两种很少见,仅在蜂蜜和王浆中发现了少量的A,B-型海藻糖(新海藻糖, Neotrehatose);另一种B,B型也被称作异海藻糖(Isotrehalose)。
海藻糖的理化性质详见下表:20世纪90年代以来,海藻糖的研究成为世界各国科学家研究的热点,其原因不仅是因为海藻糖作为一种低聚糖具有其它低聚糖的特性,而且它还具有独特的生物活性,即它对生物体和生物分子具有独特的非特异性保护作用。
长年生活在沙漠地带的一些昆虫和植物,在中午的高温下几乎被干燥脱水,处在生理学上的假死状态,但一经降雨补充水分,数小时后就能复活。
英国剑桥大学的学者对这些隐生生物的研究表明,这种复活现象是由于其体内存在高浓度的海藻糖。
海藻糖的研究进展及其应用前景张树珍(中国热带农业科学院热带作物生物技术国家重点实验室 海口 571101)摘要 综述海藻糖的理化性质、来源、相关的酶及其对生物分子的保护特性、作用机理和可能的应用前景。
关键词 海藻糖 理化性质 作用机理1 海藻糖的理化性质及来源海藻糖(Trehalose)是一种稳定的非还原性双糖,它由两个吡喃环葡萄糖分子与1,1糖苷键连结而成[1]。
在理论上它存在三种不同的正位异构体(Anomers),即α,α-海藻糖(又叫蘑菇糖,Mycose),α,β-海藻糖(新海藻糖,Neotr ehalose),β,β-海藻糖(异海藻糖,Isotrehalose)。
海藻糖可以几种固体形式存在,最常见的是二水化合物,熔点达97℃,将其加热至130℃,其失去结晶水,成为无水结晶体时,熔点可达214~216℃。
其水溶液性质稳定,无色无嗅,口感略带甜味,它不会焦糖化[2]。
海藻糖的理化性质十分稳定,不能使斐林试剂还原,也不能被α-糖苷酶水解,但在强酸条件下能被水解为两个葡萄糖分子。
海藻糖的某些理化性质如下[3]:①熔点:含结晶水的为97.0℃,不含结晶水的为214~216℃。
②溶解热:含结晶水的为57.8kJ mol,不含结晶水的为53.4kJ mol。
③甜度:相当于蔗糖的45%。
④溶解度:10℃时为55.3,50℃时为140.1,90℃时为602.9。
⑤稳定性:a.pH稳定性:在pH3.5、100℃、24h条件下,99%残存。
b.热稳定性: (水中)120℃、90min,褐变。
c.热稳定性: (含蛋白质溶液)沸水、90min,褐变。
d.水溶液保存期:在37℃下可保存12个月。
海藻糖最初是从生活在沙膜中的一种甲虫蛹中分离得到,后来发现它存在于低等维管植物、藻类、细菌、真菌、酵母、昆虫及无脊椎动物中。
近年来还发现人体的肾脏也存在海藻糖,其中磨菇中海藻糖比较丰富,占其干重的11%~17%,所以海藻糖又称作蘑菇糖[4]。
海藻糖应用的研究进展摘要;海藻糖是一种非还原性双糖,它广泛存在于自然界中,其化学性质稳定,有稳定细胞膜和蛋白质结构的特性。
它的一些特性也成为研究的热点。
如今,在工农业生产中都有广泛的应用,本文对海藻糖的生物学功能、在医学、农学、食品科学、基因工程,以及微生态制剂等方面的应用进行综述。
关键词:海藻糖食品医药农业基因工程Progress in the application of trehaloseAbstract Trehalose is a non-reducing disaccharide, is widely found in nature, and its chemical stability, a stable membrane properties and protein structure. Some of the features it has become a research hotspot. Now, in the industrial and agricultural production are widely used in this paper on the biological function of trehalose in medicine, agriculture, food science, genetic engineering, and applied aspects of probiotics are reviewedKey words Trehalose Food Medicine Agricultural Genetic Engineering海藻糖(Trehalose)是一种安全、可靠的天然糖类,1832年由Wiggers将其从黑麦的麦角菌中首次提取出来,随后的研究发现海藻糖在自然界中许多可食用动植物及微生物体内都广泛存在,如人们日常生活中食用的蘑菇类、海藻类、豆类、虾、面包、啤酒及酵母发酵食品中都有含量较高的海藻糖海藻糖是由两个葡萄糖分子以α,α,1,1-糖苷键构成的非还原性糖,自身性质非常稳定,并对多种生物活性物质具有神奇的保护作用。
转海藻糖合成酶基因的研究进展
牟禹
(四川农业大学雅安)
摘要:综述海藻糖的理化性质,生物活性,以及转海藻糖合成酶基因的意义和在植物转基因方面的研究现状。
关键词:海藻糖、海藻糖合成酶、转基因
海藻糖在自然界中广泛存在,因起独特的理化性质和生物活性而被关注。
广泛应用于生物、医药、食品等行业,需求量逐年增加。
但因昂贵的生产成本,其使用受到很大的限制。
近年来,很多研究者从基因工程的角度来研究海藻糖,如用工程微生物来生产海藻糖,使海藻糖成本下降;不少科研者也把海藻糖合成酶基因转入高等植物,期望得到具有特殊抗性的植株,并已取得不小的进展。
1 理化性质
海藻糖(C12H12O11·2H2O)的分子构型为a,a-型,是一种通过a,a-1,1糖苷键连接的非还原性双糖,化学名称为α-D-吡喃葡萄糖基-α-D-吡喃葡萄糖苷。
失水后,海藻糖变成含有两分子结晶水的白色晶体,其熔点为97O C。
继续加热到1300C,失去结晶水,熔点达到214~2160C。
海藻糖甜味较弱,相当于蔗糖甜度的45% ,无毒性,溶于水、冰醋酸和热乙醇,适用于食品工业。
海藻糖性质十分稳定,是天然双糖中最稳定的,无还原性,在食品中加热不会焦糖化。
可被海藻糖酶水解成为葡萄糖或葡萄糖聚合物,但不被一般的酶水解。
其分子式如下:
3转基因方面的研究进展
目前,国内外不少研究关于海藻糖,特别是转基因方面。
其目的主要有两点:一、生物合成海藻糖,得到大量海藻糖制品。
二、得到抗逆植物,提高植物抗逆性。
3.1 生物合成海藻糖
海藻糖具有很高的经济价值,有必要研究一种高效、廉价的生产方式。
由于它的应用很广泛,其生产从很早就开始了。
目前,海藻糖的生产方式主要有五种:微生物提取法和微生物发酵法、化学合成法、酶转化法、、[7]但在成本和产量上,都有不少缺点。
而用基因工程法来合成海藻糖,成为具有广阔前景的研究。
用生物技术生产海藻糖,或将葡萄糖转化为海藻糖的基因通过一种细菌导入酵母、甜菜、马铃薯、番茄等植物中,构建
具有生产海藻糖能力的转基因植物,这种植物可使价值不菲的海藻糖进入百姓生活中。
基因工程法制海藻糖的优点:1 成本低。
2 转化率高。
3 直接在微生物或植物中保存,不易分解。
4 易于食用。
野生型的E.coli中海藻糖积累很低,几乎无法检测。
构建的otsBA基因菌株经渗透压诱导能大量合成海藻糖[9]。
3.2 植物抗逆方面的应用
传统的观点认为,抗逆性属数量性状,由多基因控制,因而进行抗逆育种,特别是转抗逆基因作物研究是一个比较困难的问题。
但随着植物生理的抗旱分子生物学研究,人们逐渐确定了与抗逆性有关的重要基因,并进行了基因定位研究,取得了一定的进展[11]。
很多极端耐旱植物在逆境胁迫下能合成大量海藻糖,使植物在极端环境中能够处于休眠状态,度过逆境,一旦条件合适,又能复苏。
海藻糖具有独特的保水特性,与其他的渗透调节物质,如甘露醇、脯氨酸、甜菜碱等的调节原理不同,因此,应用转海藻糖合成酶基因来提高植物抗性具有广阔的前景。
3.2.1 转基因应用的理论前提
海藻糖最初由Wiggers等从1882年从黑麦麦角菌中分离出来。
后来发现它广泛分布于微生物、高等植物和无脊椎动物,甚至昆虫中。
高等植物体海藻糖最初是从S.lepidophylla 中分离得到的,它在干旱时休眠,而重新给予水分后又复活。
拟南芥和水稻中的某些克隆同大肠杆菌和酵母有高度同源的序列表达标签(EST)[10]。
这就为把海藻糖合成酶基因导入植物并使其在植物中表达提供了一定的科学前提。
近年来,随着对海藻糖合成代谢途径的深入研究,许多微生物中各种海藻糖合成酶基因已相继被克隆,如大肠杆菌的otsA、otsB基因,酿酒酵母中的tps1、tps2、tsl1基因,担子菌灰树花中的Tsase基因等。
[12]
3.2.2 海藻糖对提高植物抗逆性的应用
Oscar等将大肠杆菌中的ostA,ostB基因转入烟草及马铃薯,获得了良好的抗逆效果[1]。
陈红漫等在国内首次将酵母中海藻糖合成酶基因克隆并转入烟草,发现海藻糖对叶片中细胞器的膜结构具有较好的保护作用[12]。
我国的赵恢武等、戴秀玉等也已相继分别将tps 基因和ost基因转入烟草,使其耐旱性增强。
荷兰植物生物技术公司把OstBA导入甜菜、马铃薯中,在获得廉价海藻糖的同时,增强了植物的抗旱性和抗寒性。
可见,海藻糖在双子叶植物中具有较好的抗逆效果,但其在禾谷类作物中的作用还有待于进一步的研究。
目前,樊剑鸣已将tps基因转入到小麦中,并得到抗性植株。
张树珍转化海藻糖合成酶基因到甘蔗中,得到转基因植株。
但是,转基因烟草的形态发生多种改变,包括变矮,茎变细,叶子呈柳叶状,腋芽明显, 大大降低转基因植物的生物量,同时耐旱性又得到增强。
因此,也有很多研究采用了用诱导型启动子或者让基因在特定组织内表达,来解决这些问题。
美国的科研人员把昆虫体内两个与海藻糖合成有关的基因转入水稻,使这两个基因只在胁迫环境下,在特定组织里的表达。
北京大学赵恢武、陈杨坚等通过PCR程序克隆拟南芥的干旱诱导性启动子Prd29A来启动海藻糖-6-磷酸合酶基因,通过根癌土壤杆菌介导,获得转基因烟草。
但是,北京大学对用PCR方法获得的Prd29A进行了功能鉴定,表明干旱处理确实能使由它调控的GUS基因的表达增强。
在组培条件下, Prd29A控制TPS基因表达时,转基因植株仍然表现出显著的形态变异。
具推测,海藻糖一旦在转基因植株中积累,将影响到糖代谢,激发一些信号而影响转基因植株的发育,并且这种影响会一直持续下去。
[13]
4 前景和挑战
由于海藻糖广泛的应用和市场,从农业、食品、医学到生物领域,都有其利用价值,因为昂贵的价格成为其推广的一个障碍,但转海藻糖合成酶基因广阔的发展前景,必然会有更多的科研者从事这方面的研究。
利用微生物、植物来生产海藻糖的技术会得到推广;在植物抗逆方面,取得了一定的成果,确实能使植株在逆境环境中生长,但由于海藻糖合成酶基因在植物体内的表达存在过量的问题,带来了使转基因植物形态发生改变和生长缓慢的负面效应,同时,产生出的海藻糖影响了植物的糖代谢,并且在正常环境下不能被有效的分解,导致转基因植物生长不正常。
这些问题都还有待研究。
参考文献
[1] 张玉华,凌沛学,籍保平食品与药品 2005,7:8-12.
[2]CroweJHetal.Cryobiology,1990,27:219-231.
[3]CroweJHetal.AnnuRewPhysiol,1992,54:579-599.
[4]KaasenIPetal.JBacteriol,1992,174:889-898.
[5] FrankF,Hatley,RHM,etal.MaterialsScienceandtheproductionofshelfstablebiologicals[J].Biopharm.1991,4:38.
[6] 张丽杰,邸进申,全学军,赵天涛,张雪莲,李英杰. 生物技术 2005,15(1):31-33
[7] 涂国云. 山西食品工业 2003,3:33-35
[8]黄成垠戴秀玉周坚微生物学通报1997,24:341-343.
[9] HottigerTetal.FEMSLett,1987,220:113-115.
[10] 王三根.海藻糖提高绵羊红15号小麦幼苗耐盐能力的研究.西南农业大学学
报,1992,14(2):182~185
[11] 张正斌,山仑.作物抗旱生理性状的遗传研究进展.科学通报,1998,43(17):1812~1817
[12] 李莉黄群策秦广雍生物学通报2003,38(6):6-7
[13]赵恢武陈杨坚胡鸢雷高音林忠平. 植物学报,2000,42(6):616-619。