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Science & Technology
α-淀粉酶定义
自然界中的生物普遍能够产生α-淀粉酶(α-amylase)。
α-淀粉酶是一种内切葡萄糖苷酶，按酶委会(EnzymeCommission)的标准为EC3.2.1.1，是指一类能够切开淀粉分子内部α-1,4糖苷键，从而使淀粉生成糊精与还原糖的水解酶， 产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α-构型，故称α-淀粉酶。
α-淀粉酶分类与来源
在味精、怡糖、酒精、葡萄糖、果葡糖浆、啤酒、柠檬酸与乳酸等生产中α-淀粉酶发挥着巨大作用。
真菌α-淀粉酶被首次应用于工业中，但是一些产自细菌尤其是杆菌（如地衣芽抱杆菌与解淀粉芽抱杆菌）的耐高温α-淀粉酶更适合工业生产中的高温、酸与碱等各种极端条件，如表1-3所示。
耐高温α-淀粉酶在果葡糖浆生产过程中的主要作用是在高温下（105～109℃）水解淀粉的α-1,4糖苷键，达到降解淀粉分子量，将淀粉由大分子变为为小分子糊精的目的。
表1-3耐高温α—淀粉酶的种类
耐高温α-淀粉酶分子结构将耐高温α-淀粉酶经X-射线衍射技术或基因序列推算得知其分子量大多在40kD至60kD之间，以单体或二聚体形式存在。
将已知结构的细菌α-淀粉酶的氨基酸序列进行比对发现，其均含有四个保守区。
二价钙离子是大多数细菌α-淀粉酶的活性催化剂，但来自古细菌Pyrococcus furiosus的嗜热α-淀粉酶(PFA)则无需另外添加二价钙离子。
它们的二级结构是常见的α-螺旋、β-折叠与β-转角等。
耐高温α-淀粉酶的三级结构由这些二级结构排列堆积而成，而三级结构具有催化活性。
尽管各种不同来源的α-淀粉酶的一级结构不同，但它们的三级结构却极其相似，这表明三级结构是耐高温α-淀粉酶具有催化活性的关键因素。
三级结构由三个结构域组成，这也是不同来源的α-淀粉酶的三级结构存在的一个共同特点。以BLA（Bacillus licheniformisαamylase）为例（图1-5），由8个α-螺旋与8个β-折叠交替组成的α/β桶状结构是结构域A，结构域A约含有280个氨基酸残基构成α-淀粉酶的中部，这是一个具有较强刚性的区域，结构域A维持酶的基本构象。
在结构域A的第三个α-螺旋与第三个β-折叠之间是结构域B，由一个或几个β层构成其二级结构，这种二级结构的特点是具有较大柔性，推测结构域B可能与底物特异性结合有关，结构域B所包含的残基数量因α-淀粉酶的来源不同而存在差异，如PFA含58个，BLA约包含100个，但它们的三级结构都由是β层与松弛的无规则卷曲构成。
在结构域A与B之间是α-淀粉酶的催化活性口袋，在α/β桶状结构的底部，这与其它拥有这种结构域的α-淀粉酶的活性中心位置相似。
在已知结构α-淀粉酶的结构域A与B之间存 在一个或几个钙离子及其他金属离子结合位点，推测金属离子结合位点可能与酶的结构稳定有关。
反平行β层组成结构域C，而结构域C构成α-淀粉酶的碳端，结构域C包含少量氨基酸，因距离活性位点较远，而缺乏柔性，目前尚不清楚它的功能。
图1-5α—淀粉酶三个结构域
通过研究耐高温α-淀粉酶的一级结构与三级结构特点，发现其一级结构显示出的4个保守区分别位于结构域A的第3个、第4个与第5个β-折叠与第7个β-折叠与第7个α-螺旋之间，酶的催化活性中心由这些保守区构成，同时酶的活性受这些保守区的控制。
第3个β-折叠的碳端是保守区Ⅰ，包含Asp100、Asn104与His105 这3个保守的氨基酸。
第4个β-折叠碳端是保守区Ⅱ，包含Asp231与Arg229这两个保守的氨基酸；第5个β-折叠的碳端是保守区Ⅲ，包含一个完全保守的氨基酸 G1u261。
第7个β-折叠与第7个α-螺旋的连接处是保守区Ⅳ，包含完全保守的氨基 酸Asp328。
α-淀粉酶的催化机理
下图1-6所示机理是目前公认的α-淀粉酶的催化机理。
α/β桶状结构的底部是α-淀粉酶的催化中心，Asp231与Glu261这两个氨基酸是起催化作用的重要残基。
整个催化过程
按先后顺序可
分为三个步骤：
第一个步骤，质子供体Glu261将淀粉链中的糖苷氧进行质子化。
第二个步骤，葡萄糖残基的C1糖苷键因被亲核的基团Asp231攻击而发生断裂并与Asp231形成酯键。
同时一个水分子中的H+被去质子化的质子供体Glu261夺取，产生一个OH-。
第三个步骤，酯键因葡萄糖残基的C1被OH-攻击 而发生断裂，而Glu261与Asp231恢复最初的状态。
在已知结构的α-淀粉酶中，位于α/β桶状结构的底部，均含有两个残基即Glu与Asp，它们具有相似的相对位置。
由于所有α-淀粉酶都具有很相似的整体二维结构，因此，它们应该具有相同或相近的催化反应机理。
图1-6α—淀粉酶的催化机理
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