纤维素的微生物降解（酶、步骤、机制）

什么是纤维素？

纤维素是由数百β-连接的D-葡萄糖单元的线性链组成的有机多糖。

数字：纤维素，一种由β(1→4)-糖苷键连接的d -葡萄糖单元(如图所示)的线性聚合物。图片来源:神经电视台．

• 纤维素是生物圈中生物分子中最丰富的胞外结构多糖或有机聚合物。
• 纤维素存在于所有土地植物中，但完全缺乏肉，鸡蛋，鱼和牛奶。然而，没有由人体系统代谢。
• 它是分布最广碳水化合物植物王国的植被占据植被中所有碳的约50％。
• 纤维素发生在植物的细胞壁中，其中它以有机体的结构贡献。
• 所有纤维素合成生物，包括细菌，藻类，肌肤和高等植物，具有纤维素合酶蛋白，其催化葡聚糖链的聚合。
• 即使人体不能消化纤维素，它也是纤维的来源。
• 在自然界中，纤维素是各种生物的食物来源，包括细菌、真菌、植物和原生生物，以及各种无脊椎动物，如昆虫、甲壳类动物、Annelids.那软体动物， 和线虫．
• 植物细胞的机械强度归因于纤维素的结构特性，因为即使在水环境中，纤维素也能保持半结晶的聚集状态。
• 纤维素是葡萄糖衍生物的均聚物，并且因此，它作为可发酵糖的重要来源。
• 纤维素以能量作物的形式培养，用于生产乙醇，醚，乙酸等。
• 纤维素的丰富是由于不断光环循环在高等植物中，合成约1000吨纤维素。
• 纤维素是一种纤维状，刚性，白色固体，不溶于水但可溶于氨基摩尔氢氧化物溶液。
• 虽然不溶于水，但纤维素吸收水并增加大部分粪便物质，并促进其去除。

纤维素的结构

• 纤维素的分子量在200,000 - 2,000,000之间，因此每个分子对应1,250-12,500个葡萄糖残基。
• 纤维素由一个d -葡萄糖单元和一个C端组成_4.-OH基团为非还原端，终止基为C₁-OH作为还原端。
• 化学键是通过取出a水分子从一个β- d -葡萄糖分子的1号碳原子上的糖苷羟基和相邻的β- d -葡萄糖分子的4号碳原子上的醇羟基。
• 脱水纤维二糖是纤维素的重复单元。
• 纤维素的整体结构是相邻的纤维素链和氢键和范德瓦尔力的结合的结果，导致平行对准。
• 这导致纤维素的晶体结构具有很大的拉伸强度和低可直的，稳定的超分子的纤维。
• 除了通过β-1,4-葡糖苷键连接的葡萄糖单元将葡萄糖单元连接在一起，纤维素的结构与淀粉糖相似。
• 该结构中的β-1,4-糖苷键在一起产生直线葡聚糖链，其中每个其他葡萄糖残留物在180°旋转到邻居。
• 纤维素分子非常稳定，半衰期为5-800万年，在25℃下B戊酰基粘合裂解。
• 纤维素的结构和可及性不同；水晶和非水晶，可接近和不可接近。
• 在木材中发现的大多数纤维素是高度结晶的，约有65%的结晶区域。该结构的其余部分具有较低的堆积密度，从而形成非晶态或非晶态结构。
• 纤维素的可及用于定义以水和微生物纤维素的可用性。结晶纤维素的表面主要是可访问的，而结构的其余部分是不可访问。

什么是纤维素酶？

纤维素酶是指一组催化纤维素的分解酶，以形成寡糖，纤维二糖，和葡萄糖。

• 这些酶代表一类由有助于纤维素水解的真菌和细菌产生的酶。
• 纤维素是一类重要的纤维素酶这在行业和自然界中起重要作用。
• 在自然界中，纤维素酶通过将不溶性纤维素降解为可溶性形式参与全球碳循环。
• 纤维素酶是结构独特和多样的，它水解单一的基质，纤维素，即使在家族中有七种不同的蛋白质折叠。
• 纤维素酶的完整酶系包括三种酶:外- β - 1,4 -葡聚糖酶、内- β - 1,4 -葡聚糖酶和β - 1,4 -葡萄糖苷酶。
• 这些酶在协同系统中依次作用，使纤维素分解，以葡萄糖的形式产生可利用的能源。
• 根据其作用方式，纤维素酶一般可分为四大类;外葡聚糖酶，内葡聚糖酶，β-葡萄糖苷酶和纤维生物水解酶。
• 这些酶的结构和作用方式不同，然而，在一些情况下，酶可以顺序起作用以产生所需的最终产品。
• 纤维素酶也可在不同有机体如真菌不同，并且细菌纤维素酶在它们的结构和功能显著不同。
• 与细菌纤维素酶不同，真菌纤维素酶由碳水化合物结合模块(CBM)组成，该模块位于c端，由一个短多连接区连接到n端催化结构域。

涉及纤维素降解微生物（纤维素微生物）

多年来已鉴定出广泛的纤维素分解微生物，主要是真菌和细菌。不同微生物产生的纤维素酶的结构和作用方式也不同。

纤维素分解菌

• 一般来说，真菌是有机物分解最活跃的媒介之一，特别是纤维素底物的分解。
• 产生纤维素酶的真菌在真菌中是普遍的，并且包括来自ascomycetes的物种（Trichoderma Reesei.），底肌细胞（Fomitopsis Palustris.）少量厌氧物种。
• 在真菌中，软腐以产生纤维素酶而闻名，其中，木霉菌是最好的。
• 其他众所周知的纤维素酶的软腐烂是曲霉菌尼日尔，镰仓牡蛎，神经孢子仓库，等
• 除软腐菌外，褐腐菌和白腐菌也积极参与纤维素降解；然而，这些酶的作用机制明显不同。
• 褐腐因为他们缺乏外切葡聚糖酶的早材衰变过程中积极地水解纤维素。有些真菌的常见例子包括：胎盘茯苓那Lenzites trabea, Coniophora puteana，和Tyromyces palustris．
• 白腐主要发生在木质纤维素的降解过程中，比如黄孢原毛平革菌，嗜热孢子丝菌，和云芝．
• 在厌氧纤维素分解真菌中，研究最多的是Neocallimastix属额，单鞭毛（Piromonas）群落，和orpinomyces物种。

纤维素分解菌

• 纤维素溶解细菌通常少量产生纤维素酶，纤维素的降解似乎通过群体群体复合物进行。
• 大多数细菌纤维素分解酶的从报道芽孢杆菌，acinetobacter，cellulomonas，和梭状芽胞杆菌．
• 所有细菌纤维素酶活性的约90-95％是由好氧菌在有氧条件下观察。然而，其余的10％是通过在厌氧条件下一组不同的细菌降解。
• 此外，还已知一些瘤胃细菌产生可以降解细胞壁部件的纤维素酶。
• 一些例子包括琥珀酸纤维杆菌，白色瘤胃球菌，假单胞菌，变形杆菌，和葡萄球菌．
• 有些嗜热菌状Anoxybacillus.服务提供商，土芽孢杆菌属sp,拟杆菌还表现出纤维素酶活性。

纤维素降解酶

参与纤维素降解的酶是纤维素酶类。根据它们催化的反应，大约有五种纤维素酶。

1.内切葡聚糖酶

• 内切葡聚糖酶是一组纤维素内酶，在纤维素分子的非晶态表面的内部键上进行切割。
• 内切葡聚糖酶随机攻击纤维素链并分解在分子内的β-1,4-葡糖苷键。
• 内切葡聚糖酶的作用以减少纤维素的长度，使得片段可以由其他酶作用。

2.Exoglucanases

• 胞外糖酶是一组水解纤维素链还原端或非还原端的胞外纤维素酶。
• 酶作用的主要产物是纤维二糖，纤维二糖进一步水解成单体单元。
• 外葡聚糖酶作用于内葡聚糖酶作用后形成的较小的四糖和二糖。
• 外葡聚糖酶包括1,4-β-D-葡聚糖葡聚糖酶，从β-葡聚糖和蜂窝霉素中释放出D-葡萄糖，以及以加工方式从β-葡聚糖释放D-纤维生物糖的1,4-β-D-葡聚糖纤维素酶。

3.纤维二糖酶

• 纤维虫酶是作用于纤维二糖单元（二糖，三糖和四糖）的酶以形成单体单元。
• 纤维二糖酶也称为β-葡萄糖苷酶，因为它们形成单独的葡萄糖单位。

4.氧化纤维素酶

• 氧化纤维素酶是通过自由基反应将纤维素解聚纤维素至较小单位的酶。
• 纤维二糖脱氢酶等酶催化多种形式的纤维二糖转化为纤维二糖，因此纤维偏差对纤维二糖起作用。

5.纤维二糖磷酸化酶

• 纤维二糖磷酸化酶与纤维二糖酶相似，不同之处在于聚合物单元的水解是在存在磷而不是水的情况下发生的。

有氧和脂肪纤维素的厌氧降解

1.纤维素的好氧降解

• 有氧纤维素水解是由三种酶的协同作用完成的:内切葡聚糖酶或1,4 -β- d -葡聚糖4-葡聚糖水解酶，外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶或β- d -葡萄糖苷水解酶，导致可溶性纤维糊精和各种糖苷释放d -葡萄糖单位。
• 有氧纤维素酶以高浓度制备，并且还以顺序作用。
• 有氧水解是相当简单的并且以顺序步骤发生，每个步骤由不同类型的纤维素酶催化。
• 内切葡聚糖酶攻击纤维素纤维的无定形区域，形成外切葡聚糖酶的位置，然后外切葡聚糖酶可以水解纤维更多结晶区域的纤维二糖单元。
• 最后，β-葡萄糖苷酶通过水解纤维二糖，形成单体葡萄糖单元。

2.纤维素的厌氧降解

• 厌氧细菌的纤维素酶催化结晶纤维素解聚的机理尚不明确;然而，已知的机理明显不同于好氧水解。
• 大多数厌氧微生物的纤维素酶被组织成大型多蛋白复合体，称为纤维素酶体。
• 的纤维素酶介导细胞和基底之间的紧密附近，从而最小化水解产物的扩散损失。

影响纤维素降解的因素

土壤或其他地方的纤维素降解受到若干因素的影响，其中一些因素是:

1.可用矿物

• 营养和矿物质的可用性影响纤维素的降解，因为这些组件是生产的生物重组像纤维素酶和其他蛋白质．
• 营养素和矿物质的增加会增加纤维素降解速率。

2.温度

• 纤维素降解发生在0°C和65°C的温度范围内，嗜冷和嗜热生物都能水解纤维素。
• 然而，纤维素的降解在25-30℃的碘化温度范围内是最佳的。

3.曝气

• 氧气的可用性影响酶的水解速度和机理，好氧和厌氧生物的作用方式不同。
• 在氧气存在下，葡萄糖中纤维素水解的顺序过程发生了三种不同的酶。
• 在厌氧条件下，所述纤维素分解酶形成多酶复合物，其是相对较慢的。

4. pH值

• 酸性土壤中纤维素降解比碱性或中性土壤略高。
• 在酸性条件下，真菌是参与纤维素分解的主要生物群，而细菌和放线菌则是中性至碱性条件下的主要纤维素分解菌。

5.有机物

• 有机物的存在也增加了纤维素降解的速度，因为许多有机物作为基质。
• 然而，如果纤维素是这种物质的唯一成分，水解率就会降低。
• 随着添加少量容易分解的有机物，降解速率增加，因为它允许微生物生长。

6.木质素

• 木质素的存在降低了纤维素降解的速率。
• 木质素与纤维素密切相关，影响纤维素的降解。

纤维素降解的过程（简单的步骤）

纤维素降解发生在三个简单的步骤中;

1.内切葡聚糖酶水解

• 纤维素降解的第一步是随机攻击纤维素原纤维的内葡聚糖酶的作用。
• 该步骤导致纤维素链的尺寸减小，因为它将聚合物降低到较小的片段中。
• 酶在内部作用在聚合物的随机点。

2. exoglucanases的水解

• 外葡聚糖酶作用于更小的片段，产生更小的四糖或二糖单位。
• 外葡聚糖酶作用于片段的还原端，形成二聚体单位或纤维二糖。

3.水解由β葡糖苷酶

• β-葡萄糖苷酶或纤维二糖作用于纤维二糖的葡萄糖二聚体单位，形成单体单位葡萄糖。
• 这是纤维素降解的最终步骤，其导致形成葡萄糖分子的自由单位。

数字：通过纤维素酶(内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β -葡萄糖苷酶)和LPMO (AA9或10)酶的协同作用，纤维素链的酶降解方案。图片来源:https://doi.org/10.1002/lesc.201800039.．

微生物降解纤维素的机制

• 通过纤维素分解微生物利用两种研究的机制，以降解存在的纤维素，并已知第三种较少的氧化机理被棕色腐真菌使用。
• 通过纤维素酶的酶促作用对分解β-1,4连杆的酶促作用发生良好的纤维素降解机制;然而，纤维素酶向环境呈现的方式是完全不同的。
• 尽管棕色腐菌似乎使用不同的氧化机制来降解纤维素，但许多研究的好氧微生物使用游离纤维素酶机制来消化纤维素。

A.纤维素降解的水解机理

• 在糖基水解酶中，糖苷键的酶水解通常通过一般的酸/碱催化进行，这需要两个关键残基：质子供体（HA）和亲核/碱（B-）。
• 这种催化活性是由两个天冬氨酸或谷氨酸残基提供的。
• 在机械上，所有纤维素酶催化的反应都是由酶活性位点的羧酸对催化的一般酸碱催化，即使它们在结构上不同。
• 其中一个残基充当一般酸，质子化o-糖苷键的氧，而另一个残基充当亲核试剂。
• 根据两个羧基之间的距离，可以观察到纤维素酶的转化(10 Å距离)或保留(5 Å-distances)机制。

1.反转机构

• 在转化纤维素酶机制的情况下，两个酶残基，典型的羧酸残基，作为酸和碱。
• 反相机理是在Sn2型置换反应中，水分子攻击葡萄糖环的C1碳，导致异位碳C1处的构型发生反转。

2.保留机制

• 在保持纤维素酶机制的情况下，在两步机构中发生水解，每个步骤涉及转化。如在反转中，涉及两种酶残留物，其中一种用作亲核试剂，而另一个作用作为酸或碱。
• 在第一步中，亲核试剂攻击异端中心，导致去质子化。然后，去质子化的羧酸盐作为下一步骤中的碱，其有助于亲核水形成水解产物。

3.糖苷酶机制

• 最近，已经发现了一种基本上不同的糖苷酶机制为NAD⁺和二价金属离子依赖性GH4糖苷酶。
• 在这种情况下，C3的氢化物抽取产生酮，然后通过酸催化消除糖苷氧的消除和形成1,2-不饱和中间体的酸催化的去质子化。
• 这种α-β-不饱和物种经历碱催化的攻击攻击，以产生3-酮衍生物，然后通过NADH减少以完成反应循环。

的例子水解机理

• 在大多数有氧和厌氧微生物中观察到水解机制，包括芽孢杆菌、不动杆菌、纤维菌属那梭菌、黑曲霉、尖孢镰刀菌、粗链孢菌、和Trichoderma Reesei.．

B.纤维素降解的氧化机制

• 尽管大多数好氧细菌通过不同纤维素酶的协同作用降解纤维素，但一些无细胞纤维素降解真菌培养滤液在氧气环境下降解纤维素比在厌氧条件下更快。
• 在这种情况下，纤维二糖脱氢酶(CDH)发挥了重要作用。
• CDH催化在肺乒乓型反应中，在氧化纤维素（纤维素酶作用的主要产物）中，在减少各种电子受体等醌，螯合Fe（III），o₂（产生过氧化氢）和苯氧基自由基。
• 此外，纤维二糖脱氢酶也有纤维素降解进一步角色。
• CDH氧化由内作用纤维素酶产生的游离端，防止纤维素链的再缩合。
• 去除纤维二糖可以防止产物抑制，因为高浓度的纤维二糖抑制许多纤维素酶。
• CDH可以生产FE^２＋和H.₂O.₂通过减少Fe^3＋和o.₂．它们在芬顿型反应中形成羟基，其解聚或改变纤维素。

数字：纤维素降解的氧化机制。图像来源：https://doi.org/10.5936/csbj.201209015．

氧化机理的实施例

• 可以在真菌物种中观察氧化机制的实例黄孢原毛平革菌，嗜热孢子菌，胎波菌，崔氏菌， 等等。

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