Обзор гликозид-гидролаз

Гликозид — это соединение, образующееся в результате конденсации гемиацетальной гидроксильной группы сахара или его производного с другим веществом, не являющимся сахаром. Природные гликозиды в основном получают из вторичных метаболитов растений. Для своих собственных защитных нужд растения синтезируют большое количество гликозидов, предоставляя человеку богатые ресурсы для исследований, разработки и производства соединений-кандидатов в лекарственные препараты. Гликозидные соединения обладают целым рядом важных фармакологических свойств, таких как избавление от ревматизма, антибактериальное, противовоспалительное, противоопухолевое, иммунное регулирование, улучшение работы дыхательного и пищеварительного трактов, и более 70% лекарств, представленных в настоящее время на рынке, связаны с гликозидными соединениями. С развитием сахарной инженерии, а также технологий разделения, очистки и идентификации, исследования эффективных компонентов гликозидов в растениях будут более глубокими, а применение — более обширным. В соответствии с различными структурами гликозиды можно классифицировать по-разному. По различию атомов гликозиды можно разделить на оксигликозиды, тиогликозиды, углеродные гликозиды и азагликозиды, из которых оксигликозиды являются наиболее распространенными. Структурное разнообразие гликозидов обусловливает разнообразие их фармакологической активности. Фармакологическая активность гликозидов связана не только с агликоном, но и тесно связана с частью сахарной цепи. Моносахаридный состав сахарной цепи в гликозиде, конфигурация гликозидной связи и способ гликозильной связи влияют на активность и пути метаболизма гликозида. Некоторые гликозиды подвергаются гидролизу с образованием агликонов, которые обладают лучшей фармакологической активностью, например, кверцетин и гениналь. Модификация части сахарной цепи молекулы гликозида и изучение ее связи «структура-активность» имеет большое значение для открытия новых типов гликозидных препаратов. Для гидролиза сахарных цепей могут использоваться химические методы, такие как кислотный или базовый катализ, а также биологические методы, такие как микроорганизмы и ферментный катализ. При химическом гидролизе гликозидов иногда образуется больше побочных продуктов, и в то же время легко происходит загрязнение окружающей среды. Биологические методы могут решить эти проблемы. Поэтому гликозид-гидролаза рассматривается как потенциально эффективный инструмент для получения активных гликозидов и агликонов. В данной статье систематически обобщены результаты исследований по преобразованию гликозид-гидролаз для получения активных гликозидов и агликонов.

 

Гликозид-гидролаза является истинной гидролазой и не нуждается в коферментах и кофакторах. Существует множество гликозид-гидролаз, которые широко представлены в бактериях, грибах, семенах растений и органах животных. Они могут быть разделены на различные семейства на основе сходства последовательностей аминокислотных остатков и структур. В настоящее время известно 145 семейств гликозидных гидролаз. Свойства и функции гликозидных гидролаз всегда были в центре внимания исследователей в области гликобиологии. Исследования гликозидных гидролаз в нашей стране начались в конце 1950-х годов. Академик Чжан Шучжэн и другие проанализировали и сравнили состав амилазной системы различных Aspergillus в спиртовой промышленности. В Китае амилаза была выделена и определена с помощью бумажного электрофореза. В 1966 году из 150 штаммов Rhizopus были отобраны 3 штамма, продуцирующие высокоактивную гидролазу амилоглюкозидазы, и предварительно изучены свойства их ферментной активности. Начиная с 1980-х годов, академик Чжан Шучжэн проводил фундаментальные и прикладные исследования различных гликозидаз и активно выступал за передовые проекты в области гликобиологии и гликоинженерии. Будучи одним из основателей гликобиологии, академик Чжан Шучжэн долгое время занимался исследованиями биохимии микроорганизмов и гликобиологии, добился выдающихся успехов в изучении структуры и функции гликозидаз, гликобиологии и гликобиологической инженерии и внес вклад в развитие нашей страны Развитие индустрии ферментных препаратов и энзимологии внесло фундаментальный вклад.
Поскольку значение углеводных соединений в биологии становится все более заметным, исследования и применение гликозидных гидролаз также привлекают все большее внимание. В настоящее время гликозидные гидролазы в основном получают из микроорганизмов, животных и растений с помощью методов выделения, очистки и молекулярного клонирования. Ю Вэй и др. исследовали штамм Enterobacter cloacae YW2112 из почвенных микроорганизмов. Выделенная и очищенная из него гликозидаза может специфически гидролизовать гликозидную связь между церамидом и олигосахаридной цепью в ганглиозиде. Важный инструмент для функциональности. Чжан Шучжэн и другие сконструировали β-амилазу рекомбинантным способом из библиотеки ДНК Bacillus megaterium с целым геномом. После сравнения и анализа аминокислотной последовательности было установлено, что фермент состоит из домена сигнального пептида, каталитического домена гликозилгидролазы и домена связывания крахмала по очереди. С непрерывным развитием технологий молекулярной биологии случайные мутации и направленная эволюция широко используются для улучшения гликозид-гидролаз. Танг Шуаньян из Института микробиологии Китайской академии наук и др. улучшил термостабильность глюкоамилазы Bacillus с помощью технологии рекомбинации ДНК и предсказал механизм повышения термостабильности мутантного фермента. В настоящее время получение и промышленное применение гликозидных гидролаз достигло значительных результатов. Гликозид-гидролазу легко получить путем ферментации. С быстрым развитием генной инженерии и белковой инженерии рекомбинантная гликозид-гидролаза получила широкое распространение благодаря высокой экспрессии и простоте очистки. Ферментативный процесс превращения отличается мягкими условиями, хорошей специфичностью, высоким выходом и безопасностью для окружающей среды. Поэтому гликозид-гидролаза стала эффективным инструментом для преобразования и получения активных гликозидов и агликонов.
Гликозиды обладают разнообразной биологической активностью, такой как противовоспалительная, антиоксидантная и противоопухолевая, и имеют хорошие перспективы для разработки лекарств, товаров для здоровья и косметики. С развитием современных биотехнологий методы выделения, разделения, анализа и тестирования постоянно совершенствуются. Развитие энзимологии открыло широкий спектр применения технологии биотрансформации, и использование ферментов для преобразования гликозидов привлекает все большее внимание. Получение новых гликозидов и агликонов с помощью гликозид-гидролаз изменит биологическую активность гликозидов и обеспечит богатые ресурсы для лекарств и здоровых продуктов питания. В настоящее время исследования каталитического механизма ферментов относительно слабы, особенно анализ трехмерной структуры фермента на молекулярном уровне, а также изучение взаимосвязи между структурой фермента и его селективностью немногочисленны и не углублены. Современные биотехнологии, такие как молекулярная биология и структурная биология, постепенно решат эти научные проблемы, и биотрансформация для получения новых гликозидных соединений будет все шире использоваться в промышленном и сельскохозяйственном производстве.