廖劍洪,楊 娟,曾曉房,白衛(wèi)東,梁景龍*
(1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 輕工食品學(xué)院 廣東省嶺南特色食品科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 廣州510225 2 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 輕工食品學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點實驗室 廣州 510225)
近年來,有研究稱γ-谷氨酰肽屬于厚味肽[1]。這種小肽既能增加食品的風(fēng)味特征,也能增加化合物的溶解性、穩(wěn)定性,在食品、醫(yī)藥領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。在食物中添加少量的厚味肽能增強或改善風(fēng)味特征,如在食品體系中添加可增強基本味感的協(xié)調(diào)性、連續(xù)性和呈味強度[2]。此外,有報道稱氨基酸經(jīng)γ-谷氨?;?,水溶性優(yōu)于原氨基酸,并且γ-谷氨酰肽比一般的短肽穩(wěn)定性好[3]。
γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶(γ-Glutamyltranspeptidase,GGT)廣泛存在于各種生物體內(nèi),能特異性地催化γ-谷氨酰化合物中的γ-谷氨酰鍵斷裂,并將γ-谷氨酰基團轉(zhuǎn)移到氨基酸、短肽或水分子中[4]。GGT 催化反應(yīng)具有特異性強,不消耗能量等優(yōu)點,已有廣泛的應(yīng)用研究,如改善食品體系的口感(茶氨酸、γ-谷氨酰-苯丙氨酸等)或作為藥物或藥物前體(γ-D-谷氨酰-L-色氨酸、γ-谷氨酰-?;撬岬龋?。
GGT 在合成多種食品和醫(yī)藥用γ-谷氨酰基化合物方面有廣泛的應(yīng)用前景。然而,在使用該酶的酶促合成應(yīng)用方面受多種因素制約:有限的酶促反應(yīng)速率、供體底物的水解和自身轉(zhuǎn)肽化的副反應(yīng)、酶的抗逆性以及穩(wěn)定性等。細(xì)菌中有豐富的GGT 資源,本文綜述其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)工程在改造GGT 性質(zhì)方面的應(yīng)用以及產(chǎn)物特點,旨在挖掘細(xì)菌GGT 的潛力,為未來研究提供參考。
目前,人們已經(jīng)從許多微生物中分離得到GGT,包括大腸桿菌GGT(Escherichia coli GGT,EcGGT)、肺炎鏈球菌GGT(Streptococcus pneumoniae GGT,SpGGT)、枯草芽孢桿菌GGT(Bacillus subtilis GGT,BsGGT)、地衣芽孢桿菌GGT(Bacillus licheniformis,BlGGT)、解淀粉芽孢桿菌GGT(Bacillus amyloliquefaciens,BaGGT)、奇異變形桿菌GGT(Proteus mirabilis,PmGGT)、幽門螺桿菌GGT(Helicobacter pylori,HpGGT)等。對多種不同生物體產(chǎn)生的GGT 結(jié)構(gòu)研究表明,它是結(jié)構(gòu)不對稱的一種由小亞基和大亞基組成的異二聚體酶。迄今已確定的GGT 酶在一級結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出一定程度的同源性。幾種芽孢桿菌的GGT 的小亞基氨基酸序列同源性超過80%[5];解淀粉芽孢桿菌的小亞基與枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、幽門螺桿菌、銅綠假單胞菌的同源性為33%~78%之間,與相應(yīng)的非微生物酶亞基(如牛、人和小鼠GGT)的同源性在25%~31%之間[6]。將幾種微生物的GGT一級結(jié)構(gòu)序列進(jìn)行比對,可以看出有較高的相似性(圖1)。
圖1 幾種微生物的GGT 序列對比Fig.1 Sequence alignment of several microbial GGTs
目前,已有許多研究通過蛋白質(zhì)分子結(jié)晶技術(shù)深入理解了GGT 的空間結(jié)構(gòu)。在空間構(gòu)象上,微生物產(chǎn)生的GGT 通常由2 個大小不相等的亞基組成,大亞基的分子質(zhì)量一般約為40 ku,小亞基一般約為20 ku。GGT 是一種酰胺鍵水解酶,小亞基的一側(cè)被大亞基環(huán)繞。正確的空間折疊結(jié)構(gòu)是GGT 具有酶活性的關(guān)鍵[7-8]。
γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶催化分為2 步反應(yīng):第:1 步稱為?;?,Thr-391 的活性氧原子攻擊γ-谷氨酰基化合物的羰基碳原子,裂解γ-谷氨酰化合物如谷胱甘肽和谷氨酰胺中存在的γ-谷氨酰鍵,隨后供體底物的γ-谷氨?;糠峙c酶結(jié)合,形成γ-谷氨?;?酶復(fù)合物;第2 步反應(yīng)是脫酰胺化,受體底物接受中間體的γ-谷氨酰基部分,形成最終產(chǎn)物。Okada 等[9]對EcGGT 的晶體觀察,表明第2 步反應(yīng)可能是限制酶促反應(yīng)速率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
根據(jù)受體分子的不同可以將GGT 的催化反應(yīng)分為3 種類型(圖2):1)當(dāng)受體分子是水時,γ-谷氨酰化合物水解;2)當(dāng)受體分子是氨基酸或者短肽時,形成新的γ-谷氨?;衔?;3)當(dāng)受體分子與供體分子為同一物質(zhì)時,稱為自轉(zhuǎn)肽反應(yīng)。水解反應(yīng)和轉(zhuǎn)肽反應(yīng)的最適pH 值不同,因此能通過調(diào)整反應(yīng)體系的pH 值調(diào)控反應(yīng)進(jìn)行方向。目前已報道的GGT,酸性條件具有較高的水解反應(yīng)活性,在堿性條件下(pH 8.0~11.0)催化轉(zhuǎn)肽反應(yīng)活力迅速攀升,同時水解反應(yīng)被一定程度抑制。
圖2 GGT 的催化反應(yīng)類型(以谷氨酰胺為例)Fig.2 Catalytic reaction type of GGT(Taking glutamine as an example)
圖3 GGT 三維結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-dimensional structure of GGT
GGT 催化γ-谷氨酰鍵斷裂,特異性強,可以根據(jù)不同底物條件合成特定的目的產(chǎn)物。自然界中的蛋白質(zhì)肽鍵通常是在α-羧基和α-氨基之間形成的,而γ-谷氨酰肽的肽鍵是在γ-羧基上形成,這被認(rèn)為是其具有厚味活性的關(guān)鍵,因為同樣序列的α-谷氨酰肽沒有呈現(xiàn)出厚味性質(zhì)[10]。供體和受體底物選擇性方面,L 型或D 型的γ-谷氨?;衔锒寄茏鳛楣w分子參與酶促反應(yīng),而多數(shù)GGT 僅接受L-氨基酸作為供體底物,而不能以D-谷氨酸作為受體底物,目前僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)的GGT同時能催化L 型和D 型氨基酸作為受體分子反應(yīng)[11]。相比酸性氨基酸,堿性氨基酸是更適合的受體氨基酸,氨基酸的側(cè)鏈長短似乎也是影響酶活性的因素[12-13]。
由于GGT 催化反應(yīng)的特點,反應(yīng)體系的水解、轉(zhuǎn)肽、自轉(zhuǎn)肽反應(yīng)并存不利于底物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物分離純化。調(diào)控GGT 催化反應(yīng)的方向,對其實際應(yīng)用有重要意義。
在一般的酶促反應(yīng)中,酶和底物量的是催化反應(yīng)不可缺少的一員,影響著轉(zhuǎn)化率,而GGT 的反應(yīng)特點決定了其反應(yīng)特性與此迥異。由于GGT同時具有底物水解和合成2 種反應(yīng),水解產(chǎn)物、轉(zhuǎn)肽產(chǎn)物以及自轉(zhuǎn)肽產(chǎn)物共存是GGT 催化反應(yīng)的共同特征,并且與所使用的受體的性質(zhì)無關(guān)?;贕GT 催化反應(yīng)的特點,對EcGGT 的反應(yīng)特點研究中表明,低濃度的酶不影響底物的轉(zhuǎn)化率,而過高濃度的酶可能造成底物轉(zhuǎn)化率的降低。另外,目前關(guān)于GGT 催化反應(yīng)的報道[14]中,轉(zhuǎn)肽反應(yīng)和自轉(zhuǎn)肽反應(yīng)的產(chǎn)物主要在前期階段生成,轉(zhuǎn)肽產(chǎn)物濃度隨時間延長而保持相對穩(wěn)定,自轉(zhuǎn)肽產(chǎn)物導(dǎo)致了復(fù)雜的產(chǎn)物體系,降低了底物的轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)肽產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率被證實取決于供體與受體底物的濃度比例,而在反應(yīng)過程中增加供體底物的濃度會促進(jìn)自轉(zhuǎn)肽反應(yīng)的進(jìn)行,而不是轉(zhuǎn)肽反應(yīng)。如表1 所示,GGT 催化不同反應(yīng)其最佳的反應(yīng)條件有著明顯的差異。
表1 GGT 的催化的最佳條件Table 1 The optimal conditions for the catalysis of GGT
為了促進(jìn)GGT 的轉(zhuǎn)肽反應(yīng),利用大多數(shù)GGT對底物的選擇性,使用D-谷氨?;衔锬軌蝻@著提高產(chǎn)物合成產(chǎn)量并降低γ-谷氨酰副產(chǎn)物。除此之外,基因工程手段被認(rèn)為是一種控制GGT 催化反應(yīng)的重要方式,對某些保守氨基酸的突變,可以使GGT 的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)和水解反應(yīng)的比值提高,是良好的控制產(chǎn)物合成的方式[6,15]。另外,根據(jù)GGT 的結(jié)構(gòu)與功能特點,在BsGGT 中插入“蓋-環(huán)”結(jié)構(gòu),水解反應(yīng)被明顯抑制[16]。
酶的空間構(gòu)象是決定酶催化性質(zhì)的關(guān)鍵。通過比對不同物種的GGT 的關(guān)鍵氨基酸和空間結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),不同來源的GGT 在活性中心區(qū)域的空間構(gòu)象存在差異,進(jìn)而對底物的結(jié)合和酶促反應(yīng)產(chǎn)生重要的影響。
EcGGT、HpGGT 等會攜帶一個由12~16 個殘基組成的短序列,被稱為“蓋-環(huán)” 結(jié)構(gòu)(“Lid-Loop”)[9],而在BsGGT、BlGGT 和BaGGT 的空間結(jié)構(gòu)上是不具有這種結(jié)構(gòu)。這兩類GGT 在催化性質(zhì)方面呈現(xiàn)不同的特點。
“蓋-環(huán)”結(jié)構(gòu)有控制底物、產(chǎn)物進(jìn)出活性中心的作用。哺乳動物和大腸桿菌等具有“蓋環(huán)”結(jié)構(gòu)的GGT 對底物分子有篩選作用,表現(xiàn)為限制分子質(zhì)量較大的γ-谷氨?;衔镞M(jìn)入酶活性中心[25-26]。如:EcGGT 的“蓋-環(huán)”結(jié)構(gòu)(Pro438-Gly449)中的的芳香族殘基酪氨酸(Try444)與保守殘基Asn411形成氫鍵,限制水分子分子進(jìn)入活性中心,并且具有調(diào)節(jié)底物進(jìn)入活性中心的功能[9]。HpGGT 蓋環(huán)的Tyr433 與Asn400 之間同樣存在類似的氫鍵[27]。因此,“蓋-環(huán)”結(jié)構(gòu)被認(rèn)為能抑制水分子參與的水解反應(yīng)。相反,枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等GGT 能夠結(jié)合長鏈的谷氨酰胺化合物[28],尤其是利于聚合谷氨酰胺化合物的水解。Calvio 等[29]、Massone 等[16]的研究進(jìn)一步佐證上述觀點,將EcGGT 上對應(yīng)的“蓋-環(huán)”的基因序列通過基因工程技術(shù)插入到BsGGT 上,突變體GGT 獲得 “蓋環(huán)”結(jié)構(gòu)后,優(yōu)先催化小分子質(zhì)量的底物分子,同時提升GGT 酶轉(zhuǎn)肽活性。
此外,在“蓋-環(huán)”中心位置的有一個重要的保守芳香殘基保護(hù)酶結(jié)構(gòu),這種芳香族氨基酸在EcGGT-中是酪氨酸(Tyr444),而在哺乳動物中相對應(yīng)的芳香族殘基則是苯丙氨酸[9,27,30],這種差異也被認(rèn)為決定GGT 的活性大小[31]。
GGT 是N 末端親核水解酶家族的一員,這種酶家族的特點是轉(zhuǎn)錄翻譯產(chǎn)生的前體蛋白不具有酶活性,需要激活N 端的Ser 或者是Thr 進(jìn)行自催化裂解后才能具有酶活性。這種機制被稱為自催化成熟機制[32]。成熟的GGT 的大小亞基都是經(jīng)過前體蛋白自催化處理后產(chǎn)生的二聚體。GGT 自催化加工涉及一個保守殘基-蘇氨酸,自催化處理后,新產(chǎn)生的C-末端和N-末端分別形成大的和小的亞基;這個保守的蘇氨酸作為小的亞基中的第一個氨基酸殘基,同時這個保守的殘基還是酶促反應(yīng)的關(guān)鍵活性位點[6]。成熟的GGT 和前體蛋白的整體結(jié)構(gòu)相比,雖沒有顯著的變化,但是在活性位點附近有顯著的變化,從而解除了對限制底物結(jié)合空間位阻,而賦予了GGT 酶活性。多個報道證明GGT 分子的自催化加工需要多個氨基酸殘基共同參與,小亞基的上的保守殘基蘇氨酸對GGT 的自催化加工是重要的,但不是必須的[33-36]。
酶分子在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上經(jīng)過盤繞折疊成特定的空間結(jié)構(gòu)才能具有特定的催化功能,而酶的空間構(gòu)象對底物結(jié)合的親和能力影響著酶催化能力。在GGT 的催化反應(yīng)中,底物分子根據(jù)提供的基團不同,GGT 底物結(jié)合區(qū)域可以劃分為2 種:供體結(jié)合部位和受體結(jié)合部位。
供體結(jié)合位點和供體分子中的γ-谷氨酰氨基部分結(jié)合,而不同的受體分子的結(jié)合位點仍未完全表征清楚。Okada 等[9]利用蛋白質(zhì)結(jié)晶技術(shù)捕獲了EcGGT 與谷胱甘肽結(jié)合的酶中間體結(jié)構(gòu)以及和谷氨酸結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu),揭示了谷胱甘肽的γ-谷氨酰基部分的α-羧基和α-氨基位于酶催化口袋的底部,通過氫鍵和鹽橋保持在關(guān)鍵的空間位置。GGT 中參與供體分子的結(jié)合氨基酸主要分布在小亞基中,大亞基中僅有一個保守的Arg參與。研究表明[6]BlGGT、EcGGT 和BsGGT 中參與供體結(jié)合的氨基酸組成僅有1~2 個氨基酸的區(qū)別,例如BlGGT 的Glu423、Glu442 和EcGGT 的N411、Q430[7-8]。對大亞基上的參與底物結(jié)合的保守殘基Arg,在BlGGT 中,帶正電荷的殘基賴氨酸取代參與底物結(jié)合的Arg109 提高了轉(zhuǎn)肽活性,而在同樣的替換EcGGT 和BsGGT 中導(dǎo)致了酶活力的下降[37-39]。Gly-Gly 是多數(shù)GGT 良好的受體底物,PnGGT 的結(jié)構(gòu)研究指出其結(jié)構(gòu)口袋的芳香族氨基酸可能限制了Gly-Gly 作為γ-谷氨酰受體的活性[40]。Takao[40]證實了Trp385、Phe417 和Trp525的芳香族側(cè)鏈參與了受體底物的識別,根據(jù)這些殘基的生化特性,設(shè)計水解活性降低,轉(zhuǎn)肽酶活性顯著升高的突變酶。GGT 和底物結(jié)合催化機制的具體影響仍然需要進(jìn)一步的研究闡明,以便篩選不同種類的酶和改造出更優(yōu)質(zhì)的酶。
大多數(shù)酶在催化反應(yīng)中需要溫和的條件反應(yīng)以進(jìn)行正常的催化活性。酶蛋白在催化反應(yīng)中抵抗各種因素的影響(高酸、高溫、高鹽等)是保證其生物活力的關(guān)鍵。研究GGT 酶的穩(wěn)定性對其基礎(chǔ)理論研究有重要意義,對提高其反應(yīng)和貯存穩(wěn)定性,擴大酶的使用范圍對實際應(yīng)用是必不可少的。目前報道的微生物產(chǎn)生的GGT 最適合pH 值多為堿性范圍(8.0~10.0),通常在pH<5.0 的幾乎檢測不到酶活性,最適溫度范圍約為37~60 ℃,且對pH 值的穩(wěn)定性高于對溫度的穩(wěn)定性。當(dāng)溫度超過60 ℃時,即使是短時間孵育(10 min),GGT 也會喪失90%的活性[5,13,41]。對于GGT 穩(wěn)定性不足,突變改造是有效的提升方式。如彭清等[42]將不同的氨基酸取代BsGGT 的280 位Tyr,改善了pH 值耐受性問題。Hu 等[43]將BlGGT 結(jié)構(gòu)和一種淀粉酶融合,雖提高了GGT 的熱穩(wěn)定性,但活性有所降低。耐鹽性是GGT 的另一個突出特性,這使得其在醬油等加工行業(yè)中有重要的應(yīng)用前景。目前已發(fā)現(xiàn)的多種GGT 在高濃度NaCl 存在和無NaCl 存在時都有活性,表明GGT 是耐鹽的但不嗜鹽,并在1~5 mol/L NaCl 溶液中表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性[5,37,44-45]。
天然酶穩(wěn)定性差、易失活、酶活力差等是限制酶應(yīng)用的主要原因。隨著酶工程技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)行定向進(jìn)化、定點突變或者其它穩(wěn)定化技術(shù)處理,脆弱的天然酶能成為符合工業(yè)生產(chǎn)要求的、更加穩(wěn)定的變異酶,使得生物催化技術(shù)極大地拓寬了應(yīng)用價值。目前對GGT 的酶學(xué)性質(zhì)提升研究主要有克隆表達(dá)、定點突變、和固定化酶幾方面。
近年來,諸多學(xué)者通過對基因工程技術(shù),將GGT 的基因進(jìn)行異源表達(dá),以期獲得高酶活性、穩(wěn)定性的GGT。Lee 等[13]將解淀粉芽孢桿菌SMB469中的GGT 酶分別在大腸桿菌和枯草芽孢桿菌中表達(dá),得到的重組GGT 酶活力分別提高了2 倍和22.5 倍。Yang 等[46]將短小芽孢桿菌ML413 的GGT重組到枯草芽孢桿菌168 中,提高了GGT 的產(chǎn)量和活性。Cho 等[44]把解淀粉芽孢桿菌S0904 的GGT 序列導(dǎo)入大腸桿菌中并表達(dá),重組酶產(chǎn)量提高了56.6 倍。
定點突變是通過對蛋白質(zhì)中的氨基酸定點突變改變密碼子偏性以提高表達(dá)水平,改變蛋白質(zhì)活性、穩(wěn)定性,改變酶的特異性等。Lin 等[6]把地衣芽孢桿菌GGTAsn450 替換為Ala 和Asp,均提高了轉(zhuǎn)肽活性,最高可達(dá)3.6 倍。Bindal 等[37]將地衣芽孢桿菌GGT 的109 位氨基酸Arg 突變?yōu)長ys,發(fā)現(xiàn)Lys 的取代后GGT 具有更高的轉(zhuǎn)肽活性和催化效率。Li 等[47]將解淀粉芽孢桿菌GGT 結(jié)合口袋中Ser437 替換為Gly,改造后的酶茶氨酸產(chǎn)率從58%上升到83%。
固定化酶既能穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu),保持酶的活力;還便于酶和產(chǎn)物的分離。周治等[48]以鎳螯合環(huán)氧載體作為載體將GGT 進(jìn)行共價固定化,固定化的酶對溫度和pH 值的穩(wěn)定性有明顯提高。韋敏等[49]針對GGT 的pH 值耐受性差問題,以硅烷化改性的介孔氧化鈦晶須為載體對重組枯草芽胞桿菌GGT進(jìn)行固定化,提高了酶的pH 值耐受性和熱穩(wěn)定性。Lin 等[50]把地衣芽孢桿菌的GGT 固定在氧化石墨烯納米片上,固定化后可重復(fù)使用9 次,生物催化合成γ-L-谷氨酰苯丙氨酸和γ-L-谷氨酰亮氨酸的產(chǎn)率均在31%以上。Bruni 等[51]利用辛基乙氧基-瓊脂糖固定了γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶,開發(fā)一種用于合成γ-谷氨酰氨基酸的強效生物催化劑,在γ-谷氨酰甲硫氨酸合成反應(yīng)中,反應(yīng)6 d 后仍保持95%以上的活性,而反應(yīng)6 個循環(huán)(18 d)后仍保持85%的活性。
γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶是原核生物和真核生物中普遍存在的一種酶,具有很高的序列相似性和進(jìn)化保守性,這有利于通過合成生物學(xué)手段實現(xiàn)物種間的基因交換與蛋白質(zhì)工程設(shè)計。GGT 獨特的水解和轉(zhuǎn)肽的催化反應(yīng),根據(jù)其最適的pH 值不同,通過調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH 值,可以選擇性的利用這兩種催化反應(yīng)中的一種,因此在食品工業(yè)中引起廣泛的重視,例如利用轉(zhuǎn)肽活性合成γ-谷氨酰肽或利用水解活性在醬油發(fā)酵中產(chǎn)生谷氨酸。對于GGT 結(jié)構(gòu)與功能的研究已得到深入的了解,結(jié)合酶工程等手段改造GGT 分子是提高其應(yīng)用價值的是重要的手段。
雖然近年來GGT 的研究取得了顯著的進(jìn)展,但是與其它能夠規(guī)模化生產(chǎn)的酶相比進(jìn)展緩慢。GGT 生產(chǎn)成本相對較高、活性、穩(wěn)定性等是阻礙其工業(yè)化應(yīng)用的主要缺點之一。深入探索生物多樣性,以鑒定高產(chǎn)菌株是未來最有希望的替代方案之一?;蛑亟M技術(shù)和定點突變已被證明是蛋白質(zhì)工程中不可估量的工具,應(yīng)把更多的重點放在探索酶的生產(chǎn)技術(shù)上,提高GGT 的性能,以適應(yīng)不同的工業(yè)需求。GGT 的結(jié)構(gòu)分析,包括活性必須基團的鑒定和相互作用的闡明,將有助于建立不同來源的γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系,尤其是GGT 涉及受體的結(jié)合殘基仍然未完全明確??偟膩碚f,現(xiàn)有研究水平尚停留在實驗室研究階段,為此需要通過篩選高酶活性、穩(wěn)定性的酶來源,以及結(jié)合酶工程改造等策略,提高GGT 的γ-谷氨酰肽合成能力。