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α-环糊精葡萄糖基转移酶

发表时间: 2011-10-28 14:13:00

一、环糊精的组成和结构
     环糊精(Cyclodextrins,通常简称为CD),是一类由淀粉或多糖在环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键首尾相连的环状化合物的总称,通常由6-12个D-吡喃葡萄糖单元组成,环糊精的命名是基于环中葡萄糖单元的数量,常见的有6、7和8个葡萄糖单元的分子,分别称为α-、β-和γ-环糊精,其化学结构图如1-1所示。



     组成环糊精的D型吡喃葡萄糖单元都是处于椅式构象,而椅式构象中各糖基不能围绕糖苷键自由旋转,因此环糊精的立体结构是略呈锥状的中空圆筒形,其疏水性和亲水性区域可用图1-2表示,其中,在它的圆筒内部,有非极性的C3和C5上的氢以及通过醚键连接的C-4位上的氧原子,故圆筒内腔具有较强的疏水性;而葡萄糖的2位和3位的仲羟基位于圆筒的宽侧开口处,小口端由C-6位上的7个伯羟基组成,由于羟基聚集在其分子的外侧边缘,因此环糊精分子外壁具有较强的亲水性。


二、环糊精的理化性质

1、环糊精的物理性质
     α、β和γ三种环糊精均为白色结晶粉末,其在水中的溶解度差异较大,γ-环糊精水溶性最好,其次是α-环糊精,β-环糊精在水溶液中溶解度最低,这种溶解度的差异主要与其分子结构有关。环糊精水溶液具有旋光性,其粘度稍高于水。利用差示扫描量热仪或热重方法对环糊精进行分析,发现环糊精没有明显的熔点,加热至280℃左右时开始分解;有较好的热稳定性;无吸湿性,但容易形成各种稳定的水合物。环糊精像淀粉一样,性质比较稳定,但与淀粉不同的一个重要的物理性质是具有良好的结晶性。在α-、β-、γ-环糊精中,β-环糊精的结晶性最好。当环糊精与客体发生包合后,其水溶性会下降,更容易从溶液中结晶析出

2、环糊精的化学性质
     环糊精的化学性质较稳定,储存多年不会发生变质。在强碱以及弱酸溶液中都具有良好的稳定性,但是强酸能作用环糊精生成葡萄糖和一系列麦芽低聚糖,其水解程度取决于酸的浓度和反应温度。从构成环糊精的基本单元-吡喃葡萄糖单元的结构和键的化学性质出发,可以进行反应和断裂的基团和键主要有:C-2、C-3、C-6位上的羟基以及C-O、C-H和C-C。环糊精可以通过羟基位置引入新的基团得到一系列的环糊精衍生物。    

3、环糊精的生物学性质

     环糊精完全不被β-淀粉酶水解,却可以被α-淀粉酶缓慢水解,因为环糊精不含有可以被β-淀粉酶水解的末端基团,而α-淀粉酶直接攻击分子内部,因而能水解环糊精。不同来源的α-淀粉酶对环糊精的水解作用也不同,且对α-、β-、γ-环糊精的作用难易程度不同,如Taka淀粉酶易于分解β和γ-环糊精,但对α-环糊精作用却很弱。一般情况下,环糊精不被酵母所利用。
     对环糊精的药理研究表明,其口服后无毒性,安全, LD50(半数致死计量)可以与淀粉和蔗糖相比,已被若干国家食品和药物法规批准使用,并制定了严格的质量规格。
     研究发现环糊精在体内只有小部分被肠道吸收,大部分在结肠中被微生物利用,生成的产物如麦芽糊精、麦芽糖和葡萄糖等被机体吸收,进一步代谢成二氧化碳和水。因此,机体摄入淀粉后1-2h就可以观察到代谢的最大强度,而环糊精则需要6-8h。一般来说,三种环糊精中α-环糊精代谢作用最慢,β-环糊精次之,而γ-环糊精最快。
三、酶的作用机理
     实际生产中多使用 CGT 酶催化合成 CD,研究表明CGT 酶可催化三种转糖基反应和一种水解反应,包括:环化反应 (分子内转糖基反应,线状麦芽低聚糖的非还原末端与同一分子内的还原性末端结合生成 CD) 、歧化反应 (线状麦芽低聚糖断裂,其中一部分转移至另一线状受体上) 、偶合反应 (环化反应的逆反应,断裂 CD 的环状结构并使之与线状低聚糖结合)和水解反应 (线状低聚糖分子与水分子结合)由于 CD 的分离工艺较为复杂,为降低生产成本,希望能够获得可利用淀粉为原料催化合成某种特定 CD 的产 CGT 酶菌株。通常情况下,可通过紫外线和 γ 射线诱变处理获得CD 的高产菌株。这方面的研究多以 β-CD 生产菌株为主并已实现工业化,而 α-和 γ-CD 高产菌株的选用还基本停留在实验室阶段,未能广泛应用于实际生产中。随着基因工程和分子生物学技术的不断发展,研究者已经开始对 CGT 酶进行遗传修饰,进一步研究该酶的特性及催化机制,从而有助于 CGT 酶催化效率及产物选择性的进一步提高。

 

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