一种来源于Thermoanaerobacterium saccharolyticum JW/SL-YS48菌株的β-木糖苷酶(XylC)的晶体结构分析

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随着世界人口的大幅度增加和人类对自然资源和能源日益增长的需求,可再生资源的开发与利用也越来越受到人们的重视。木聚糖是半纤维素的主要组成成份,如果它能够得到充分降解和有效转化,将对可再生资源的开发产生重要的影响。木聚糖的彻底降解需要一个完善的木聚糖酶系,其中p-木糖苷酶主要水解低聚木糖和木二糖,对p-木糖苷酶结构和功能的研究,将对研究木聚糖的降解体系有着重要的意义。本论文所研究的p-木糖苷酶(XylC)来源于一株嗜热厌氧菌Thermoanaerobacterium saccharolyticum JW/SL-YS485, XylC含有638个氨基酸,分子量大小约为72.6kDa。前期的研究通过热处理、DEAE Sepharose Fast Flow阴离子交换层析、TOYOPEARLHW-55分子筛层析及Butyl-HIC疏水层析等方法对XylC进行提纯,所得到的蛋白纯度达95%以上,达到养晶程度。采用坐滴气相扩散法对蛋白进行结晶和结晶条件的筛选,获得了表面平整,大小合适的晶体,可进行X-射线绕射。绕射数据显示母体晶体分辨率为2.2A,属于单斜晶系,空间群为P21,晶胞参数:口=88.36A,b=202.20A,c=99.87A,p=99.04。。收集制备的汞衍生物数据,晶体的绕射分辨率都优于2.5A。使用多重同晶置换法(MIR)进行衍生物晶体初始相位的解析并获得相位,生成最初的电子密度图。通过SOLVE/RESOLVE对XylC电子云密度图进行密度修饰,改善电子云密度图。在ARP/wARP中建立结构模型,并利用CNS或Refmac5等相关软件进行结构的修正,最终得到了XylC的结构。通过底物浸泡方式获得了XylC-木二糖和XylC-木糖复合体结构。XylC整体结构为四聚体,每个单体由三个区域组成:N端区域(1-204个氨基酸残基)、中间催化区域(205-484个氨基酸残基)和C端区域(485-638个氨基酸残基)。中间区域的折叠方式为右手parallel P helix,有8次完整的缠绕。XylC-木二糖和XylC-木糖复合体结构中,底物结合部位为一个开放式的活性口袋。活性位点因突变而使XylC失活的氨基酸有E405、D382、K358、E353、W383和W113。XylC的催化机制为保留反应机制,我们推断E405为催化亲核剂,D382为酸碱催化剂。从XylC与产物木糖的复合体结构中可以得知,一个单体XylC分子与七至八个木糖分子结合,其中一个结合位在活性位点上,剩余的木糖分子则结合在其他区域,说明了此木糖苷酶或许是藉由这样的方式而对产物抑制具有极高的耐受性。本课题解析出GH120第一个β-木糖苷酶结构,将对该家族其他成员结构和功能的研究奠定基础,具有重要的理论指导意义和潜在的经济效益。
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