海藻糖对纤维素蛋白酶的保护机理研究
海藻糖是一类新兴的蛋白保护剂，可有效保护蛋白酶在不同条件下的活性，具体保护机制已有相关研究分析，本篇文章向大家介绍清华大学杨小民等的研究成果。
该研究通过测量海藻糖、葡萄糖、蔗糖、葡聚糖以及纤维素酶与这些糖的混合物的红外光谱和差示扫描量热谱图，比较糖和纤维素酶分子之间的相互作用，以深入研究海藻糖对纤维素酶的保护机理。
通过比较糖和纤维素酶及其混合物的红外（IR）谱图，判断海藻糖、葡萄糖和蔗糖原有氢键的作用形式发生了改变，纤维素酶和糖分子之间形成了氢键。而纤维素酶对葡聚糖的红外光谱特征频率几乎没有影响，说明酶和葡聚糖分子之间没有明显的相互作用。此外，红外谱图还表明，海藻糖、葡萄糖和蔗糖的羟基与纤维素酶分子的酰胺基之间存在比较强的分子间作用力。
根据差示扫描量热谱图结果，测得海藻糖玻璃化转变温度为107℃，相转变温度为123℃，葡聚糖玻璃化转变温度为92℃，相转变温度为132℃。葡萄糖和蔗糖没有玻璃化转变现象。说明海藻糖和葡聚糖都存在玻璃化转变温度且温度较高，其在比较高的温度下仍可处于玻璃态。
差示扫描量热谱图显示，纤维素酶的物理热变性温度为120℃，在添加海藻糖之后，物理热变性温度提高到137℃，添加葡萄糖后该物理热变性温度提高到140℃，说明海藻糖和葡萄糖同纤维素酶的分子之间存在较强的分子间作用力，且该作用力增加了酶分子空间结构的热稳定性。
综合以上结果，葡萄糖和蔗糖在高温下，其羟基可以替代水分子同纤维素酶分子表面的酰胺基形成氢键，但实验观察发现，高温下葡萄糖和蔗糖与酶的混合物发生明显的褐变现象，说明有化学反应发生，差示扫描也说明葡萄糖和蔗糖在高温下不能形成玻璃态，因此高温下葡萄糖与蔗糖无法保护纤维素酶的酶活性。
葡聚糖的羟基不能与纤维素酶分子形成氢键，但在高温下能形成玻璃态对酶分子进行保护。
海藻糖的羟基与纤维素酶的酰胺基以氢键形式结合，提高了酶的热变性温度。海藻糖分子包裹在酶分子周围或填充在酶蛋白分子空间结构内，特别是酶活性部位附近，并在酶分子内外部形成玻璃态，将酶蛋白的空间结构固定住，从而保护酶活性。相比之下，海藻糖在上述四种糖类中能够为纤维素蛋白酶提供最强的保护作用。
该研究通过测量海藻糖、葡萄糖、蔗糖、葡聚糖以及纤维素酶与这些糖的混合物的红外光谱和差示扫描量热谱图，比较糖和纤维素酶分子之间的相互作用，以深入研究海藻糖对纤维素酶的保护机理。
通过比较糖和纤维素酶及其混合物的红外（IR）谱图，判断海藻糖、葡萄糖和蔗糖原有氢键的作用形式发生了改变，纤维素酶和糖分子之间形成了氢键。而纤维素酶对葡聚糖的红外光谱特征频率几乎没有影响，说明酶和葡聚糖分子之间没有明显的相互作用。此外，红外谱图还表明，海藻糖、葡萄糖和蔗糖的羟基与纤维素酶分子的酰胺基之间存在比较强的分子间作用力。
根据差示扫描量热谱图结果，测得海藻糖玻璃化转变温度为107℃，相转变温度为123℃，葡聚糖玻璃化转变温度为92℃，相转变温度为132℃。葡萄糖和蔗糖没有玻璃化转变现象。说明海藻糖和葡聚糖都存在玻璃化转变温度且温度较高，其在比较高的温度下仍可处于玻璃态。
图1 海藻糖、葡聚糖、葡萄糖和蔗糖的差示扫描量热谱图
差示扫描量热谱图显示，纤维素酶的物理热变性温度为120℃，在添加海藻糖之后，物理热变性温度提高到137℃，添加葡萄糖后该物理热变性温度提高到140℃，说明海藻糖和葡萄糖同纤维素酶的分子之间存在较强的分子间作用力，且该作用力增加了酶分子空间结构的热稳定性。
图2 纤维素酶与糖混合物的差示扫描量热谱图
综合以上结果，葡萄糖和蔗糖在高温下，其羟基可以替代水分子同纤维素酶分子表面的酰胺基形成氢键，但实验观察发现，高温下葡萄糖和蔗糖与酶的混合物发生明显的褐变现象，说明有化学反应发生，差示扫描也说明葡萄糖和蔗糖在高温下不能形成玻璃态，因此高温下葡萄糖与蔗糖无法保护纤维素酶的酶活性。
葡聚糖的羟基不能与纤维素酶分子形成氢键，但在高温下能形成玻璃态对酶分子进行保护。
海藻糖的羟基与纤维素酶的酰胺基以氢键形式结合，提高了酶的热变性温度。海藻糖分子包裹在酶分子周围或填充在酶蛋白分子空间结构内，特别是酶活性部位附近，并在酶分子内外部形成玻璃态，将酶蛋白的空间结构固定住，从而保护酶活性。相比之下，海藻糖在上述四种糖类中能够为纤维素蛋白酶提供最强的保护作用。
