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葡萄糖氧化酶饲料添加剂 的基本情况

葡萄糖氧化酶(Glucose Oxidase,GOD)的系统命名为β-D-葡萄糖:

  氧化还原酶(EC1.1.3.4)。最早于1928年由Muller[1]在黑曲霉(Aspergillus niger)中发现,GOD能够以氧分子为电子受体,催化β-D-葡萄糖生成葡萄糖酸和过氧化氢。

  另外,GOD对甘露糖、半乳糖和木糖也具有较为缓慢的氧化作用。

  将GOD反应原理特性与不同领域的需求相结合,该酶已被广泛应用于食品工业和医学诊断等领域,此外GOD已被农业部列入《饲料添加剂品种目录(2013)》中。

  本文对GOD的生产方式及其在不同领域中的应用进行综述,并对其在畜牧生产中的应用前景进行展望。

  1 GOD简述

  1.1 GOD结构

  GOD是一种同型二聚体酶,2个亚基通过2个二硫键结合,每一个亚基都含有2个不同的区域:

  一个区域以非共价键的方式与黄素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide,FAD)结合,该区域主要为β-折叠;

  另一个区域结合底物β-D-葡萄糖,该区域由4个α-螺旋支撑一个反向平行的β-折叠。

  黑曲霉GOD的结构如图1所示,

  结合β-D-葡萄糖的活性位点位于FAD辅基上的星号所示部位。另外,GOD的外表面被糖链覆盖。

  GOD分子量为130~320 ku,分子的变化主要取决于其糖基化程度的不同。天然酶是糖基化的,碳水化合物质量百分比为16%~25%;在酵母中异源表达GOD时糖基化程度提高,碳水化合物的质量百分比可达60%。

  GOD的二聚体形式具有活性而单体属于失活构象,这是由于相比于单体,二聚体形式的稳定性更强;另外,当FAD从单体酶上解离时,单体的稳定性变得更差,这表明FAD在GOD活性或稳定性方面均有重要的作用。

  图1 黑曲霉GOD单体晶体结构

  1.2 GOD的反应机理

  GOD催化β-D-葡萄糖的过程分为2个半反应。在还原半反应中,GOD催化β-D-葡萄糖生成D-葡萄糖-δ-内酯,D-葡萄糖-δ-内酯自发降解为葡萄糖酸,随后GOD上的辅基FAD被还原为FADH2;在氧化半反应中,FADH2被O2氧化变成FAD并生成H2O2。但也有人认为,D-葡萄糖-δ-内酯是在曲霉属的内酯酶(Lactonase)作用下变成葡萄糖酸[8]。

  1.3 GOD的性质

  高纯度的GOD是淡黄色晶体,易溶于水,完全不溶于乙醚、氯仿、丁醇、吡啶、甘油、乙二醇等有机溶剂。不同来源的GOD酶学性质有所不同,以黑曲霉为例,其GOD最适pH大致范围是5~7.5,最适温度范围为28~40℃。酶活和动力学参数也因GOD来源、表达系统和发酵方式等因素而变化。

  1.4 GOD的来源

  多种动植物、细菌和真菌都能够产生GOD,目前生产GOD的主要来源是曲霉属中的黑曲霉和青霉属。将NCBI搜索得到的曲霉与青霉来源的GOD氨基酸序列进行比对,并用MRGA 7构建系统进化树得到图2。不同的曲霉和青霉产生的GOD亲缘关系远近不同。总体而言,GOD的氨基酸序列表现出了一定的菌株种属特异性。与青霉来源的GOD相比,曲霉来源的GOD亲缘性更大;与曲霉来源的GOD相比,青霉来源的GOD之间亲缘性也较大。