纤维素的大分子结构

纤维素合酶的结构及细胞壁中纤维素的合成过程（综述）

莫文洲

(中国农业大学农学与生物技术学院植物108，1001080823)

摘要：纤维素地球上最丰富的生物大分子和最重要的可再生资源，，植物纤维素的生物合成需要多个纤维素合成酶与其他相关酶，本文综述了从蛋白结构和基因组成上总结了纤维素合酶的特点以及植物细胞壁中纤维素合成的过程。

关键词：纤维素合酶 纤维素的合成

纤维素是地球上数量最多的有机大分子物质，是构成细胞壁的基础物质，占初生细胞壁物质的20%~30%。纤维素分子是由β（1-4）连接的D-葡聚糖组成的高分子聚合物，并通过分子内氢键使其形成一种类螺旋状的结构。随着社会的快速发展，人类对植物纤维的需求激增，而过度利用自然界的植物纤维资源将对人类生存造成极大的破坏。植物纤维素生物合成机制的研究对材质改良，木材定向培育以及农业、造纸等化工业都十分重要。而纤维素主要有纤维素合酶来合成，所以对植物纤维素台酶基因及其蛋白的研究显得更有价值。要掌握纤维素合成酶基因的调控。

1.纤维素合酶的结构

1.1纤维素合酶蛋白结构特点

在不同植物的纤维素合成中，不同的纤维素合成酶(CesA)基因的具体作用是不同的，并且在纤维素的生物合成中，需要多个纤维素合成酶基目的共同作用。纤维素的糖基转移酶有两个催化位点。所有的CesA和Csl蛋白都具有跨膜蛋白的特征，在N一端与C一端具2个或多个跨膜区域，其中间为亲水胞内区，CesA与Csl蛋白之间最大的同源性出现在中间胞内区。植物纤维素合成酶的N末端一段氨基酸可形成一个特殊的结构域，类似于锌指状或LIM 转录因子构向，此种该结构域具有保守序列CxxC(半胱氨酸氨一x 半胱氨酸氨)，与蛋白间的相互作用有关。

其次，植物纤维素合成酶包含有2个高变区，其中一个在N端，约150个氨基酸残基，富含酸性氨基酸，另一个在A 区与B区之间，约5O个氨基酸。A 区和B区是植物纤维素合成酶基因所特有的保守区，A 区含有几个保守的天冬氨酸残基，排列特征为Dx⋯xDxD(D为天冬氨酸)。B区除含有一个保守的天冬氨酸残基外，还有另一个序列QxxRw。A 区可结合纤维素合成的底物：尿苷二磷酸一葡萄糖，而B区则与纤维素合成酶的催化活性有关。 第三，纤维素合酶共有8个跨膜区，其中有两个在N一末端，另外6个在C一末端。N端和C端跨膜结构域之间约有550个氨基酸长度的间隔，具有典型的亲水性，可形成环状结构延伸至细胞质，称为胞内区。跨膜区是 β—1，4-葡萄糖苷链穿过质膜进入细胞壁的重要通道。

一. 结构

纤维素是一种重要的多糖，它是植物细胞支撑物质的材料,是自然界最非丰富的生物质资源。在我们的提取对象－农作物秸秆中的含量达到450－460g/kg。纤维素的结构确定为β—D-葡萄糖单元经β－（1→4）苷键连接而成的直链多聚体，其结构中没有分支.纤维素的化学式：C6H10O5 化学结构的实验分子式为(C6H10O5）n 早在20世纪20年代,就证明了纤维素由纯的脱水D-葡萄糖的重复单元所组成,也已证明重复单元是纤维二糖。纤维素中碳、氢、氧三种元素的比例是：碳含量为44。44%，氢含量为6.17％，氧含量为49.39％。一般认为纤维素分子约由8000～12000个左右的葡萄糖残基所构成。

OOOOOOOOOβ－（1→4）苷键OOHHOHOOHOHβ-D-葡萄糖纤维素分子的部分结构（碳上所连羟基和氢省略）

二．天然纤维素的原料的特征

做为陆生植物的骨架材料,亿万年的长期历史进化使植物纤维具有非常强的自我保护功能。其三类主要成分－纤维素、半纤维素和木质素本身均为具有复杂空间结构的高分子化合物，它们相互结合形成复杂的超分子化合物，并进一步形成各种各样的植物细胞壁结构。纤维素分子规则排列、聚集成束,由此决定了细胞壁的构架，在纤丝构架之间充满了半纤维素和木质素。天然纤维素被有效利用的最大障碍是它被难以降解的木质素所包被。

纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键,半纤维素和木质素之间除了氢键外还存在着化学健的结合，致使半纤维素和木质素之间的化学健结合主要在半纤维素分子支链上的半乳糖基和阿拉伯糖基与木质素之间。

表:植物细胞壁中纤维素、半纤维素、和木质素的结构和化学组成

项目 纤维素 木质素 半纤维素

结构单元 吡喃型D－葡萄糖基 G、S、H D-木糖、苷露糖、L-阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸

结构单元间连接键 β-1，4-糖苷键 多种醚键和C—C键,主要是

β—O-4型醚键 主链大多为β—1,4—糖苷键、支链为

纤维素的结构

引言

纤维素是地球上存在的最丰富的可再生有机资源, 在高等植物、细菌、动物、海藻等生物中广泛存在, 每年总量有几百亿吨, 具有巨大的经济开发价值[1]。五十年代至六十年代，由于合成高分子材料的兴起，纤维素资源的开发研究受到极大的影响。七十年代初期，由于国际上出现了石油危机，这种曾被忽视的可更新资源又再次被重视起来.能否利用这些丰富的可再生资源是解决未来能源问题的关键因素。因此，世界各国都很重视纤维素的研究与开发[2]。纤维素结构是纤维素性能研究及应用的基础，本文就纤维素的化学剂物理结构进行了概述。

1纤维素的化学结构

纤维素的元素组成为：C=44.44%，H=6.17%,O=49.39%, 其化学实验式(C6H10O5)n（n为聚合度，一般高等植物纤维素的聚合度为7000—150000）[3]

纤维素大分子的基环是脱水葡萄糖，其分子式为(C6H10O5)。纤维素的化学结构是由D-吡喃葡萄糖环彼此以β- 1, 4-糖苷键以C1椅式构象联结而成的线形高分子化合物[4]，其结构表达式如图1所示。

非还原端 纤维二糖 还原端

图1 纤维素链结构

除两端的葡萄糖基外，每个葡萄糖基上都有三个游离羟基，分别位于C2、C3和C6位上，所以纤维素的分子可以表示为[[C6H7O2(OH)3]n,其中C2和C3位上为仲醇羟基，C6位上为伯醇羟基，他们的反应能力不同，对纤维素的性质具有重要影响，如纤维素的酯化、醚化、氧化和接枝共聚，以及纤维素之间的分子间氢键作用，纤维素的溶胀与水解都与纤维素的羟基有关。

纤维素大分子两端的葡萄糖末端基，其结构和性质不同，一端的葡萄糖末端基在C4上存在一个苷羟基，此羟基的氢原子易转移，与基环上的氧原子结合，使氧环结构转变为开链式结构，在C1处形成醛基，具有潜在还原性，固有隐形醛基之称。左端的葡萄糖末端为非还原性的，由于纤维素的每一个分子链一端是还原性，另一端是非还原性，所以纤维素分子具有极性和方向性。

一. 结构

纤维素是一种重要的多糖，它是植物细胞支撑物质的材料,是自然界最非丰富的生物质资源。在我们的提取对象－农作物秸秆中的含量达到450－460g/kg。纤维素的结构确定为β—D-葡萄糖单元经β－（1→4）苷键连接而成的直链多聚体，其结构中没有分支.纤维素的化学式：C6H10O5 化学结构的实验分子式为(C6H10O5）n 早在20世纪20年代,就证明了纤维素由纯的脱水D-葡萄糖的重复单元所组成,也已证明重复单元是纤维二糖。纤维素中碳、氢、氧三种元素的比例是：碳含量为44。44%，氢含量为6.17％，氧含量为49.39％。一般认为纤维素分子约由8000～12000个左右的葡萄糖残基所构成。

OOOOOOOOOβ－（1→4）苷键OOHHOHOOHOHβ-D-葡萄糖纤维素分子的部分结构（碳上所连羟基和氢省略）

二．天然纤维素的原料的特征

做为陆生植物的骨架材料,亿万年的长期历史进化使植物纤维具有非常强的自我保护功能。其三类主要成分－纤维素、半纤维素和木质素本身均为具有复杂空间结构的高分子化合物，它们相互结合形成复杂的超分子化合物，并进一步形成各种各样的植物细胞壁结构。纤维素分子规则排列、聚集成束,由此决定了细胞壁的构架，在纤丝构架之间充满了半纤维素和木质素。天然纤维素被有效利用的最大障碍是它被难以降解的木质素所包被。

纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键,半纤维素和木质素之间除了氢键外还存在着化学健的结合，致使半纤维素和木质素之间的化学健结合主要在半纤维素分子支链上的半乳糖基和阿拉伯糖基与木质素之间。

表:植物细胞壁中纤维素、半纤维素、和木质素的结构和化学组成

项目 纤维素 木质素 半纤维素

结构单元 吡喃型D－葡萄糖基 G、S、H D-木糖、苷露糖、L-阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸

结构单元间连接键 β-1，4-糖苷键 多种醚键和C—C键,主要是

β—O-4型醚键 主链大多为β—1,4—糖苷键、支链为