纤维素酶的诱导形成

3.纤维素酶的诱导形成

纤维素是不溶性的，而纤维分解菌在含纤维素的培养基中能诱导纤维素酶的形成，那么要问：固体的不溶性的纤维素既然不能进入细胞，如何给细胞以合成纤维素酶的信息呢？或者更广泛的问：固体的不溶底物如何诱导该底物分解酶的形成？这个问题在20世纪50年代左右就提出来了，作了不少工作，厘清了一些问题，但还有许多不清楚的地方。现在，一般认为这些底物首先被细胞壁上少量的组成酶（结构酶）分解为小分子，小分子进入细胞再诱导大量的酶形成。这种情况下，底物分解产物——小分子常常起着诱导剂的作用。如在点青霉（Penicilluim chrysogenum）中半乳糖醛酸对多聚半乳糖醛酸的诱导（Phaff，1947）；某些真菌中木糖对多聚戊糖酶的诱导（Simpson，1954）；黑曲中麦芽糖对淀粉酶的诱导（Tanabe和Tennom，1953）；烟曲霉和漆斑霉中N-乙酰基葡糖胺对几丁质酶的诱导（Reese）等。

Mandels和Reese在1960年左右，用绿色木霉为材料，发表多篇文章。他们认为，纤维素酶形成的天然诱导剂是纤维二糖。但是纤维二糖做诱导剂，远远及不上天然纤维素。例如球磨的棉花或木材纤维（S.F.）诱导的酶单位分别为30单位/毫升和29单位/毫升，而纤维二糖只诱导1单位/毫升（见表1）。这是为什么？他们认为，这是由于绿色木霉中存在着葡萄糖效应。即葡萄糖或某些能迅速利用的碳源抑制降解酶合成的效应，又称为分解代谢产物阻抑（catabolite repression）。纤维二糖能迅速为细胞所利用，从而抑制纤维素酶的形成。其次，它对纤维素酶还有反馈抑制作用。但是，只要控制纤维二糖的浓度（降低浓度或用纤维二糖辛乙酸酯代替）或减慢代谢速度（不适温度，减少通气，无机盐过量或不足），纤解酶的产量便大大提高。前面谈到的萤光假单胞菌中降低纤维二糖的浓度也证明可大大刺激纤维素外酶的形成。他们认为当真菌在纤维培养基上生长时，先由少量的组成酶分解少量的纤维素，产生纤维二糖，后者进入细胞，诱导纤维素酶的形成。纤维二糖是纤维素分解的最终产物，它既起着诱导剂作用，又起着阻抑和抑制作用，其作用如图2所示。

此外，Mandels他们发现结构与纤维二糖类似的乳糖（4-0-β-D-半乳糖苷葡萄糖）和含纤维二糖一半的三聚糖（32-0-β-葡糖基纤维二糖和21-0-a-葡糖基纤维二糖，62-0-β-葡糖基纤维二糖）也是良好的诱导剂，如图3所示。

表1中特别引入注目的是槐糖的作用。它对纤维素酶的刺激作用比纤维二糖大得多，达到2 800单位/毫克，是目前绿色木霉最强有力的诱导荆。不过要说明的是表中的数字是离体的菌体诱导试验，培养时间短（1天），槐糖的作用是使产酶提前，培养1天便达高峰，而纤维素做底物，产酶慢，所以两者相差就很大，时间延长，两者可接近。

槐糖最初是在试剂级的葡萄糖中发现的，试剂级葡萄糖能刺激纤维素酶形成，但用活性炭纯化后就不再有刺激作用，后来发现里面混有少量槐糖杂质（0.006%），而槐糖的量只要极微就有刺激作用（万分之几的浓度）。

槐糖只对绿色木酶和萤光假单胞菌等少数菌有诱导。

槐糖的衍生物大多数无活力，如四乙基苯亚甲基甲基a-槐糖、四乙酰基甲基a-槐糖、甲基-a-槐糖。唯四乙酰基槐糖稍有活力，可能体内有去乙酰酶，使它变成槐糖。

槐糖在结构上类似纤维二糖，都是二个葡萄糖接起来的双糖，所不同的是纤维二糖是β-1，4结构，槐糖是β-1，2结构。当二个葡萄糖以β1→3、β1→6结合，则完全无诱导活力。为什么β1→4，特别是β1→2活力特别高，而β1-3、β1-6无活力？现在还不清楚。

Mandels和Reese一直认为纤维二糖是纤维素酶的天然诱导剂，但是情况远远不是如此简单。原来他们发现在纤维二糖为碳源的绿色木霉培养物中（2～3天）含有一种未知的比纤维二糖强得多的诱导剂，最初分离到一个三聚体，是葡基转移到纤维二糖的62位置上（葡萄糖β1-6葡萄糖β1-4葡萄糖），以后又发现这个三聚物中混有使它活性更强的诱导剂，其含量极微，用层析法测不出，有可能是22-β-葡糖基纤维二糖，此三糖中含有槐糖的一半，但至今纯为推测，无法肯定。这说明纤维二糖进一步转化另一个真正的未知诱导剂。

西译俊一等以绿色木霉的洗濯菌体为材料，研究槐糖的诱导作用，他们认为槐糖是真正的诱导剂，因为用双标记同位素法证明，槐糖促进纤维索酶蛋白的含成，但是他们还没有证据证明绿色木霉中确实能从纤维素变成槐糖来诱导。此外，他们发现放线菌素D和嘌呤霉素能强烈抑制纤维素酶的诱导形成，尤其是嘌呤霉素，说明纤维素酶的诱导形成包括了从DNA到mRNA的转录和从mRNA到酶蛋白的翻译过程。葡萄糖能竞争性地抑制槐糖对纤维素酶的诱导，即存在所谓的分解代谢产物阻抑，葡萄糖的作用与放线菌素D和嘌呤霉素抑制进行比较，说明葡萄糖的作用点是在纤维素酶蛋白的翻译水平，它减慢从mRNA到酶蛋白的翻译速率。

总之，在纤维素酶的诱导方面作了一些工作，但还有许多不清楚的地方：固体纤维素是否仅仅通过可溶性水解产物进行诱导？为什么槐糖只对少菌有诱导，对其他菌无诱导？真正的诱导剂是什么？诱导的步骤和过程怎样？绿色木霉纤维素酶的诱导是否服从Jacob-Monod在E.Coli中关于β-半乳糖苷酶的诱导和操纵子模型？等等。