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        白頭翁皂苷糖基水解Ⅱ型酶的分離純化及酶性質(zhì)

        2017-08-07 07:14:53蕊,瑩,權(quán),澤,
        大連工業(yè)大學學報 2017年4期
        關(guān)鍵詞:糖基吡喃白頭翁

        代 蕊, 劉 春 瑩, 徐 龍 權(quán), 林 完 澤, 魚 紅 閃

        ( 1.大連工業(yè)大學 生物工程學院, 遼寧 大連 116034;2.韓京國立大學 生命科學學院, 京畿道 安城 456-749 )

        白頭翁皂苷糖基水解Ⅱ型酶的分離純化及酶性質(zhì)

        代 蕊1, 劉 春 瑩1, 徐 龍 權(quán)1, 林 完 澤2, 魚 紅 閃1

        ( 1.大連工業(yè)大學 生物工程學院, 遼寧 大連 116034;2.韓京國立大學 生命科學學院, 京畿道 安城 456-749 )

        對Absidiasp. P39r所產(chǎn)白頭翁皂苷糖基水解Ⅱ型酶(PSGaseⅡ)進行分離純化,得到電泳純酶蛋白,對其酶學性質(zhì)以及該酶對底物的催化反應(yīng)過程進行了研究。結(jié)果表明,該酶蛋白的分子質(zhì)量為56 ku,最適反應(yīng)pH為4.0,在pH 3.0~7.0酶活力穩(wěn)定;最適反應(yīng)溫度為40 ℃,在20~40 ℃酶活力穩(wěn)定;金屬離子Na+、K+、Mg2+對酶反應(yīng)無顯著影響,而Fe3+、Cu2+、Zn2+對其有較強的抑制作用。酶反應(yīng)動力學參數(shù)Km為19.60 mmol/L,vmax為21.60 mmol/(L·h)。PSGaseⅡ?qū)Π最^翁皂苷PSⅠ的催化反應(yīng)過程結(jié)果表明反應(yīng)是分步進行的,PSGaseⅡ以白頭翁皂苷PSⅠ為底物,先催化降解為中間產(chǎn)物白頭翁皂苷PSⅡ,繼續(xù)催化反應(yīng),最終生成白頭翁皂苷A。

        白頭翁皂苷;水解酶;酶性質(zhì)

        0 引 言

        白頭翁具有清熱解毒、燥濕殺蟲等功效[1],近年來,其增強系統(tǒng)免疫及抗腫瘤作用成為研究熱點[2]。對白頭翁的成分研究最多的是白頭翁皂苷,其為白頭翁的主要化學成分[3],天然存在的白頭翁皂苷大多含有多個糖基[4],進入人體后需要被腸道內(nèi)微生物轉(zhuǎn)化為低糖基皂苷后可被人體吸收利用,若在體外實現(xiàn)這一過程,可提高皂苷的生物活性和利用度[5]。研究表明,生物酶法相對于化學法水解糖基更加溫和,加之選擇性較高,副產(chǎn)物少,成為主要的轉(zhuǎn)化方法[6]。

        目前,對于白頭翁皂苷的研究主要集中在抗菌、抗阿米巴原蟲、抗其他病原體等藥理學方面[7-9],對白頭翁皂苷糖基水解酶水解多糖基皂苷的研究較少。在前期研究中,篩選到Absidiasp. P39r菌,發(fā)酵產(chǎn)粗酶液可將六糖基的白頭翁皂苷H3轉(zhuǎn)化為二糖基的白頭翁皂苷A[10]。對該菌產(chǎn)粗酶液進行分離純化,得到分子質(zhì)量為40 ku的電泳純酶蛋白[5],后期進一步的研究發(fā)現(xiàn),40 ku的酶只是將白頭翁皂苷H3轉(zhuǎn)化為五糖基的白頭翁皂苷(PSⅠ),而最終產(chǎn)物白頭翁皂苷A是以PSⅠ為底物,在另一種酶的催化下轉(zhuǎn)化而來。為便于區(qū)分,實驗室暫命名40 ku的酶為白頭翁皂苷糖基水解Ⅰ型酶(PSGaseⅠ),以PSⅠ為底物催化反應(yīng)生成白頭翁皂苷A的酶為白頭翁皂苷糖基水解Ⅱ型酶(PSGaseⅡ)。

        本實驗針對PSGaseⅡ進行分離純化,對其酶學性質(zhì)和該酶對底物的催化反應(yīng)進行研究,進一步闡明多糖基白頭翁皂苷酶水解生成最終產(chǎn)物的反應(yīng)過程,為今后進一步研究白頭翁皂苷H3催化轉(zhuǎn)化為白頭翁皂苷A的雙酶協(xié)同反應(yīng)機制提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材 料

        1.1.1 菌 種

        Absidiasp. P39r,大連工業(yè)大學生物工程學院菌種保藏室。

        1.1.2 試劑與儀器

        3-O-β-D-吡喃葡萄糖-(1→3)-α-L-吡喃鼠李糖-(1→2)-α-L-吡喃阿拉伯糖常春藤皂苷元28-O-β-D-吡喃葡萄糖-(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖酯苷,暫命名為白頭翁皂苷PSⅠ;3-O-α-L-吡喃鼠李糖-(1→2)-α-L-吡喃阿拉伯糖常春藤皂苷元28-O-β-D-吡喃葡萄糖酯苷,暫命名為白頭翁皂苷PSⅡ;3-O-α-L-吡喃鼠李糖-(1→2)-α-L-吡喃阿拉伯糖常春藤皂苷元,白頭翁皂苷A,均為本實驗室制備[11]。

        低分子質(zhì)量標準蛋白,北京索萊寶科技有限公司;所有試劑均為分析純。JM-250蛋白電泳儀,大連捷邁科貿(mào)有限公司;薄層層析,Silica Gel-60F254,德國Merck公司。

        1.2 方 法

        1.2.1 培養(yǎng)基的配制

        白頭翁粉80 g,加水400 mL,水浴6 h;過濾,4 ℃、8 000 r/min離心8 min。將離心得到的上清液補水至300 mL備用。

        將4 mL白頭翁浸出液與16 mL 6°麥汁混勻,制成PSGaseⅡ液體發(fā)酵培養(yǎng)基。

        1.2.2 產(chǎn)酶菌株的發(fā)酵及粗酶液的提取

        將Absidiasp. P39r菌接種到發(fā)酵培養(yǎng)基中,置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 d,培養(yǎng)條件為30 ℃、150 r/min。

        將發(fā)酵好的菌體培養(yǎng)基于4 ℃、7 000 r/min離心10 min去除菌體,在4 ℃磁力攪拌條件下,緩慢加入研磨好的硫酸銨粉末,至75%飽和度。將飽和溶液于4 ℃保存12 h,12 000 r/min離心20 min。收集得到蛋白沉淀,并用20 mmol/L pH 5.0的HAc-NaAc緩沖液將沉淀溶解。對該溶液進行透析,每隔4 h換一次透析液,透析24 h。將透析液離心8 min,離心條件為4 ℃、7 000 r/min。得到的上清液即為粗酶液,放入4 ℃ 冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.2.3 粗酶的分離純化

        采用DEAE-Cellulose DE52陰離子交換柱(Φ2 cm×12 cm)對粗酶液進行分離純化。用100 mL pH 5.0的HAc-NaAc緩沖液洗脫12 mL 粗酶液,再分別用60、90、120、150、180 mmol/L的氯化鉀溶液進行梯度洗脫,自動分部收集器收集洗脫液,每3 min收集一管,每管3 mL。洗脫液在280 nm紫外光下測定OD。

        1.2.4 酶蛋白分子質(zhì)量的測定

        采用SDS-PAGE法測定提純酶的純度及分子質(zhì)量。所選用標準蛋白為磷酸酶b(97.4 ku)、牛血清蛋白(66.2 ku)、肌動蛋白(43 ku)、碳酸酐酶(31 ku)、胰蛋白酶抑制(22 ku)、溶菌酶(14.4 ku)。

        1.2.5 酶活力的測定

        利用TLC法對酶活力進行檢測。將2 mg白頭翁皂苷PSⅠ用1 mL 20 mmol/L的pH 5.0的HAc-NaAc緩沖液溶解,配制成2 mg/mL的底物。取100 μL PSGaseⅡ與底物等體積充分混合,40 ℃條件下反應(yīng)24 h后,加入200 μL水飽和正丁醇終止反應(yīng),離心取上層液體作為TLC檢測的樣品,展開劑為體積比6.5∶4.5∶0.5的氯仿-甲醇-水溶液,10%硫酸顯色。通過BandScan軟件對酶反應(yīng)產(chǎn)物進行定量分析。酶活力定義:在40 ℃條件下,每小時水解1 μmol底物所需的酶量為一個酶活力單位。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 粗酶液酶活力檢測

        將Absidiasp. P39r產(chǎn)酶菌發(fā)酵得到的含有PSGaseⅡ的粗酶液進行酶活力檢測。取100 μL PSGaseⅡ與等體積2 mg/mL的白頭翁皂苷PSⅠ混合,在40 ℃下反應(yīng)24 h后,用TLC檢測,結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看到,粗酶液可將底物PSⅠ轉(zhuǎn)化生成最終產(chǎn)物白頭翁皂苷A和少量白頭翁皂苷PSⅡ,具有較強的酶活力。說明提取的粗酶液中含有較高活力的PSGaseⅡ,可用于離子交換柱層析法進行純化。

        圖1 TLC檢測含有PSGaseⅡ的粗酶液酶活力

        2.2 粗酶的分離純化

        按“1.2.3”的方法對粗酶進行分離純化,取每個洗脫梯度的出峰試管酶液進行酶反應(yīng)后,利用150 mmol/L氯化鉀溶液對洗脫酶液進行酶反應(yīng),TLC檢測結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,109號收集管中的酶液具有較好的酶活力,可以更加徹底地對底物進行水解,得到更多的反應(yīng)產(chǎn)物。

        S,底物;107~111,收集管編號

        2.3 PSGaseⅡ純度檢測及其分子質(zhì)量的測定

        利用SDS-PAGE法對分離純化得到的109號收集管的酶液進行純度檢測及分子質(zhì)量測定,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,第109號收集管為電泳單帶,可認定其為電泳純的PSGaseⅡ。

        圖3 純化的PSGaseⅡ SDS-PAGE圖

        由圖3的標準蛋白及其相對遷移率繪制出蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量標準曲線,得到回歸方程lgY=2.085 0-1.030 6X,將PSGaseⅡ在電泳圖中的相對遷移率代入回歸方程,計算出其分子質(zhì)量約為56 ku。

        2.4 酶學性質(zhì)

        2.4.1 溫度對酶反應(yīng)的影響

        取100 μL PSGaseⅡ與2 mg/mL白頭翁皂苷PSⅠ等體積混合,在pH為5的條件下,分別置于20、30、40、50、60、70、80 ℃的恒溫箱中,反應(yīng)24 h后,繪制最適反應(yīng)溫度曲線。

        取100 μL PSGaseⅡ分別置于20、30、40、50、60、70、80 ℃條件下保存1 h,冷卻至室溫,與2 mg/mL 白頭翁皂苷PSⅠ等體積混合,置于40 ℃ 恒溫箱中,反應(yīng)24 h后,繪制溫度的穩(wěn)定性曲線。

        PSGaseⅡ的最適反應(yīng)溫度及溫度穩(wěn)定性曲線如圖4所示。由圖4可以看出,PSGaseⅡ在20~40 ℃,隨著溫度的升高酶活性增強,在40 ℃時達到最高,之后隨著溫度的升高酶活力下降。因此PSGaseⅡ的最適溫度是40 ℃,在20~40 ℃保持穩(wěn)定。

        2.4.2 pH對酶反應(yīng)的影響

        將2 mg/mL的白頭翁皂苷PSⅠ與100 μL PSGaseⅡ等體積混合,將反應(yīng)體系的pH分別調(diào)至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0。在40 ℃ 的恒溫箱中反應(yīng)24 h,繪制最適反應(yīng)pH曲線。

        圖4 PSGaseⅡ的最適反應(yīng)溫度及溫度穩(wěn)定性曲線

        Fig.4 The curves of optimum temperature and temperature stability of PSGaseⅡ

        將PSGaseⅡ分別在pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的條件下,置于4 ℃保存1 h,與2 mg/mL的白頭翁皂苷PSⅠ等體積混合,置于40 ℃恒溫箱中,反應(yīng)24 h后,繪制pH穩(wěn)定性曲線。

        PSGaseⅡ的最適反應(yīng)pH及pH穩(wěn)定性曲線如圖5所示。

        圖5 PSGaseⅡ的最適反應(yīng)pH及pH穩(wěn)定性曲線

        由圖5可以看出,PSGaseⅡ在pH 3.0~7.0,酶活力較高,在pH為4.0時達到最高,所以PSGaseⅡ的最適pH為4.0,在pH 3.0~7.0酶活性穩(wěn)定。

        2.4.3 金屬離子對酶反應(yīng)的影響

        分別向PSGaseⅡ與2 mg/mL的白頭翁皂苷PSⅠ等體積混合反應(yīng)體系中加入5、10、50、100、200 mmol/L的K+、Mg2+、Na+、Fe3+、Cu2+、Zn2+,根據(jù)方法“1.2.5”測定其酶活力,結(jié)果如表1所示。由表1可看出,K+、Mg2+、Na+對酶活力影響較??;Fe3+、Cu2+、Zn2+在濃度較低時影響較小,隨著濃度的升高抑制作用逐漸增強。

        表1 金屬離子對相對酶活力的影響

        2.4.4 PSGaseⅡ的酶反應(yīng)動力學方程

        配制不同濃度的底物與等體積的PSGaseⅡ在40 ℃、pH 5.0條件下反應(yīng)1 h,采用Lineweaven-Burk 作圖,得到PSGaseⅡ的米氏方程:1/v=2.78+54.4/S,Km=19.60 mmol/L,vmax=21.60 mmol/(L·h)。

        2.5 PSGaseⅡ?qū)Π最^翁皂苷PSⅠ的催化反應(yīng)

        取1 mL PSGaseⅡ與2 mg/mL白頭翁皂苷PSⅠ等體積混合,在40 ℃下分別反應(yīng)4、8、12、16、18、22、24 h,進行TLC檢測,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 白頭翁皂苷PSⅠ的酶反應(yīng)TLC結(jié)果

        由圖6可看出,PSGaseⅡ?qū)Φ孜锇最^翁皂苷PSⅠ的催化反應(yīng)過程中,經(jīng)過4 h時,PSⅠ并沒有明顯的轉(zhuǎn)化;反應(yīng)到8 h時,有微量PSⅠ轉(zhuǎn)化為白頭翁皂苷PSⅡ;反應(yīng)12 h時,50%左右的PSⅠ 轉(zhuǎn)化生成白頭翁皂苷PSⅡ;反應(yīng)16 h時,80%的PSⅠ轉(zhuǎn)化為白頭翁皂苷PSⅡ和少量白頭翁皂苷A;反應(yīng)18 h時,PSⅠ全部被轉(zhuǎn)化生成PSⅡ 和白頭翁皂苷A,其中PSⅡ的生成量明顯減?。环磻?yīng)進行到22 h時,PSⅠ全部被轉(zhuǎn)化生成終產(chǎn)物白頭翁皂苷A;到24 h,PSⅠ的轉(zhuǎn)化終產(chǎn)物白頭翁皂苷A有少量的增加。

        由此可見,PSGaseⅡ催化底物白頭翁皂苷PSⅠ,先水解白頭翁皂苷PSⅠ的28-O-末端葡萄糖基和3-O-末端葡萄糖基生成中間過渡產(chǎn)物白頭翁皂苷PSⅡ,再進一步水解白頭翁皂苷PSⅡ的28-O-葡萄糖酯鍵,生成終產(chǎn)物白頭翁皂苷A。

        3 結(jié) 論

        經(jīng)Absidiasp. P39r菌株發(fā)酵,得到了含有PSGaseⅡ高活力的粗酶液,利用DEAE-Cellulose DE52陰離子交換柱分離純化得到了電泳純的PSGaseⅡ,確定了該酶的分子質(zhì)量為56 ku。該酶的最適反應(yīng)pH為4.0,在pH 3.0~7.0較穩(wěn)定。最適反應(yīng)溫度為40 ℃,在20~40 ℃條件下酶活力相對穩(wěn)定。金屬離子K+、Mg2+、Na+對酶反應(yīng)無顯著影響;而Fe3+、Cu2+、Zn2+對其有較強的抑制作用。動力學方程為1/v=2.78+54.4/S,Km=19.60 mmol/L,vmax=21.60 mmol/(L·h)。PSGaseⅡ 對底物的催化反應(yīng)過程分兩步進行:以白頭翁皂苷PSⅠ為底物,先催化降解兩分子葡萄糖,形成中間過渡產(chǎn)物白頭翁皂苷PSⅡ,然后繼續(xù)催化降解28-O-末端酯鍵上的一分子葡萄糖,最終生成白頭翁皂苷A。

        從TLC圖譜可以看到,PSGaseⅡ轉(zhuǎn)化底物白頭翁皂苷PSⅠ的效率很高,22 h能將底物徹底轉(zhuǎn)化成低糖基的白頭翁皂苷A。酶反應(yīng)過程研究表明,該酶既能水解葡萄糖苷鍵,也能水解葡萄糖酯鍵,對于這種特異性的水解酶,其反應(yīng)機制還有待于在分子水平進行更深入的研究。

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        Purification and properties of pulchinenoside glycosyl hydrolase Ⅱ

        DAI Rui, LIU Chunying, XU Longquan, LIN Wanze, YU Hongshan

        ( 1.School of Biological Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China;2.School of Life Science, Hankyong National University, Anseong 456-749, Korea )

        The pulchinenoside glycosyl hydrolase Ⅱ (PSGaseⅡ) fromAbsidiasp. P39r was purified and characterized. Its molecular weight was 56 ku. The optimum pH was at pH 4 and the enzyme was stable at pH 3.0-7.0. The optimum temperature was 40 ℃ and the enzyme was stable at 20-40 ℃. Ions Na+, K+and Mg2+had no effects on the enzyme activity of PSGaseⅡ, but Fe3+, Cu2+and Zn2+had strong inhibitory effects on the enzyme reaction. Under the optimum conditions,Kmwas 19.60 mmol/L and the maximum reaction rate was 21.60 mmol/(L·min). Pulchinenoside PSⅠ was enzymatic hydrolyzed to pulchinenoside PSⅡ and then to pulchinenoside A by PSGaseⅡ.

        pulchinenoside; hydrolase; enzyme properties

        2015-12-18.

        “重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(2012ZX09503001-003);國家高端外國專家項目(GDT20152100019).

        代 蕊(1990-),女,碩士研究生;通信作者:魚紅閃(1968-),男,教授.

        TS201.2;Q556.2

        A

        1674-1404(2017)04-0245-05

        代蕊,劉春瑩,徐龍權(quán),林完澤,魚紅閃.白頭翁皂苷糖基水解Ⅱ型酶的分離純化及酶性質(zhì)[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(4):245-249.

        DAI Rui, LIU Chunying, XU Longquan, LIN Wanze, YU Hongshan. Purification and properties of pulchinenoside glycosyl hydrolase Ⅱ[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(4): 245-249.

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