摘要:
β-半乳糖苷酶是一种具有特定催化功能的酶，其在生物学和生物化学领域中具有重要的作用。β-半乳糖苷酶能够催化β-半乳糖苷键的水解反应，将底物分子中的β-半乳糖苷键切断成半乳糖和另一部分。这一酶的特异性识别和催化活性使其在生物体内的代谢过程和工业生产中发挥着重要作用。本文将探讨β-半乳糖苷酶功能及其在不同领域中的应用，希望通过深入了解这一酶的特性，能够更好地认识和利用β-半乳糖苷酶。
1. 什么是β-半乳糖苷酶
β-半乳糖苷酶（β-galactosidase EC.3.2.1.23），全称为 β-D-半乳糖苷半乳糖水解酶，可通过切割乳糖中由 β-1-4-糖苷键连接的 D-半乳糖残基，使乳糖降解成为可被机体吸收的 β-半乳糖和葡萄糖。β-半乳糖苷酶来源丰富，广泛存在于哺乳动物、植物和微生物中。在幼年哺乳动物的皮肤、特别是小肠等器官组织中存在丰富的 β-半乳糖苷酶，而成年个体的消化道内 β-半乳糖苷酶含量较低，无法很好地分解和利用乳糖；虽然很多食物、植物中均发现了 β-半乳糖苷酶，如番茄、水稻、拟南芥、苹果和咖啡豆[等，然而植物来源的 β-半乳糖苷酶在组织中含量并不高，因此提取得率较低；微生物中 β-半乳糖苷酶资源很丰富，大肠杆菌、酵母菌、霉菌等细菌、真菌均能产 β-半乳糖苷酶。β-半乳糖苷酶的结构如下图：
2. 了解 β-半乳糖苷酶的作用
β-半乳糖苷酶除了能够催化β-半乳糖苷化合物中的β-半乳糖苷键发生水解,还具有转半乳糖基的作用。早期的研究表明,β-半乳糖苷酶上的活性位点有两个功能团:Cys的巯基和His的咪唑基,它们对β-半乳糖苷酶水解乳糖起重要作用。据推测,硫基可作为广义酸使半乳糖苷的氧原子质子化,而咪唑基可作为亲核试剂进攻半乳糖分子第1个碳原子上的亲核中心,形成1个含碳氢键的共价中间物。在被切割下咪唑基之后,巯基阴离子从水分子中抽取1个质子,从而形成-OH进攻C。有研究认为乳糖酶的催化机制与溶菌酶类似。当半乳糖苷的受体是水时,发生的是水解;当受体是另外的糖或醇时,则发生转半乳糖苷作用;如受体是乳糖,则可以生成三糖的低聚半乳糖。
3. α-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷酶有什么区别？
α-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷酶都属于半乳糖苷酶家族。虽然它们有一些相似之处，但它们在结构、功能和应用程序方面也有关键的区别。
3.1 结构和功能的主要区别
键断裂:主要区别在于它们断裂的键类型。α-半乳糖苷酶可裂解 α-半乳糖苷键，其中半乳糖单元通过 α 糖苷键与另一个分子连接。另一方面，β-半乳糖苷酶可裂解β-半乳糖苷键，其中键合为β。
活性位点:键切割的差异是由于它们的活性位点结构的变化，即底物与酶结合的区域。负责催化的氨基酸残基在两种酶之间略有不同，使它们能够识别和破坏特定的键。
3.2 底物特异性和催化活性
（1）α -半乳糖苷酶
该酶具有更广泛的底物特异性。它可以分解复杂的分子，如糖蛋白、鞘脂糖和某些含有α-半乳糖苷键的低聚糖(复合糖)。底物的例子包括棉子糖(一种在豆类中发现的糖)和半乳甘露聚糖(植物细胞壁的成分)。
（2）β-半乳糖苷酶
这种酶更具有特异性。它的主要功能是将牛奶中的乳糖水解成两种单糖成分:葡萄糖和半乳糖。然而，一些β-半乳糖苷酶也可以分解其他β-半乳糖苷。
3.3 在各行业的应用和用途
（1）α-半乳糖苷酶
药物:用于法布里病的酶替代疗法，这是一种由α-半乳糖苷酶缺乏引起的遗传性疾病。
食品工业:添加到一些防气产品中，帮助分解导致腹胀和胀气的复合糖。
农业:可用于修饰植物细胞壁，以提高消化率或生产生物燃料。
（2）β-半乳糖苷酶
食品工业:用于乳制品，如无乳糖牛奶和酸奶，为乳糖不耐症患者分解乳糖。
生物技术:是分子生物学研究中广泛使用的工具，特别是用于研究细菌基因表达的lac操纵子系统。
纺织工业:用于洗涤牛仔布，通过分解靛蓝染料达到石洗效果。
4. 衰老 β-半乳糖苷酶染色
衰老相关 β-半乳糖苷酶 (SA-β-gal) 染色是一种用于识别衰老细胞的技术。衰老细胞是已停止分裂但仍具有代谢活性的细胞。它们被认为在衰老和与年龄相关的疾病中发挥着作用。
SA-β-gal 是一种通常在较宽的 pH 值范围内具有活性的酶。当受到潜在致癌应激的挑战时，正常细胞可能会永久失去增殖能力，这一过程称为细胞衰老。在pH 6.0下可检测到衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-betagal）活性，可以鉴定培养物和哺乳动物组织中的衰老细胞。
SA-β-gal 染色过程包括固定细胞，将细胞与仅在 pH 6.0 下被 SA-β-gal 裂解的底物一起孵育，然后观察裂解的底物。SA-β-gal 染色呈阳性的细胞被认为是衰老的。
SA-β-gal 染色是一种相对简单且廉价的技术，可用于识别多种组织中的衰老细胞。然而，值得注意的是，SA-β-gal 染色并不是衰老的完美标志。一些衰老细胞可能不具有增加的 SA-β-gal 活性，而一些非衰老细胞可能具有增加的 SA-β-gal 活性。
尽管有这些限制，SA-β-gal 染色仍然是研究衰老的一个有价值的工具。它已被用于识别多种组织中的衰老细胞，包括皮肤、肝脏和肌肉。SA-β-gal 染色也已用于研究衰老在衰老和年龄相关疾病中的作用。它通过使用人工底物X-gal对细胞进行组织化学染色来检测。SA-β-gal 生物标志物的存在与 DNA 合成无关，通常可区分衰老细胞和静止细胞。检测 SA-β-gal 的方法是一种方便的、基于单细胞的测定方法，即使在异质细胞群和衰老组织中也可以识别衰老细胞，例如老年人的皮肤活检。由于易于检测，SA-β-gal是目前广泛使用的衰老生物标志物。
5. β-半乳糖苷酶的缺点是什么？
（1）检测方法
一些测量β -半乳糖苷酶活性的方法，如使用ONPG作为底物的方法，可能不适用于所有类型的细菌。
（2）报告基因应用
当β-半乳糖苷酶作为报告基因使用时，一些检测可能耗时或需要大量处理，使其不太适合高通量应用。
（3）稳定性
β-半乳糖苷酶虽然已经实现商品化，但是其应用仍受到热稳定及产物抑制等问题的限制。因此, 开发不同来源、具有特殊催化功能的β-半乳糖苷酶一直是工业化生产的一项需求。
6. β-半乳糖苷酶的应用
（1）乳糖的消化
在小肠中，β-半乳糖苷酶帮助消化食物中的乳糖。乳糖本身不能被直接吸收到血液中。β-半乳糖苷酶将其分解成半乳糖和葡萄糖，然后被血液吸收并用作能量。
（2）乳糖不耐症
乳糖不耐症患者缺乏足够量的β -半乳糖苷酶。这可能导致消化问题，如腹胀、胀气和食用牛奶或其他乳制品后腹泻。
（3）细胞功能
β-半乳糖苷酶还参与多种细胞功能，包括细菌细胞壁的合成和动物鞘糖脂(一种脂肪分子)的分解。
（4）基因工程
目前，β-半乳糖苷酶基因被广泛地应用于包括作为报告基因、构建载体、转基因研究和基因治疗等多个分子生物学研究领域。具体介绍如下:
在载体构建中的应用。β-半乳糖苷酶可催化X-ga1(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)水解,产物呈蓝色，易于检测和观察，基于这一特点，β-半乳糖苷酶基因常作为载体组分，广泛地应用于各类研究中。现在分子生物学研究使用的许多克隆载体一般都具有一段大肠杆菌β-半乳糖苷酶的启动子及其α肽链的DNA序列,可通过蓝白选择方便地筛选出阳性重组载体。
作为报告基因的应用。β-半乳糖苷酶基因是动物和微生物基因工程中最常用、最成熟的一种报告基因。报告基因是一种编码可被检测的蛋白质或酶的基因，其表型应易于检测且易于与内源性背景蛋白相区别，利用其表达产物来标定目的基因的表达调控。β-半乳糖苷酶基因作为报告基因的应用主要有以下几个方面:(1)用于研究启动子的效能和启动子不同位点突变对表达效能的影响；(2)用于研究表达系统中增强序列等调控序列的功能；(3)用来衡量载体的表达特性和外源物质对表达调控的影响；(4)以融合基因的形式用于研究外源基因的表达及其规律。
7. 优化 β-半乳糖苷酶测定
β-半乳糖苷酶的检测在生物医学方面的研究逐渐成为热点，尤其是内源性β-半乳糖苷酶的检测、识别和近红外荧光成像检测等方面的研究，为疾病的诊断和治疗提供有力依据。所以探索与开发新型的能够实时检测体内碱性磷酸酶的材料尤为重要。目前，检测β-半乳糖苷酶的手段主要有单光发射计算机断层扫描(SPECT)、正电子发射断层扫描(PET)、比色法、化学发光、荧光探针、生物发光等。
近年来，荧光探针技术因其高度敏感性、快速分析能力、非破坏性质以及在活细胞中提供靶向信息等优势，已在分子检测、肿瘤诊断、生物活体成像等领域广泛应用。由于β-半乳糖苷酶具有酶的专一性特征，能够特异性识别β-半乳糖苷键，因此，近年来科学界对于开发用于检测β-半乳糖苷酶的荧光探针的研究越发受到重视。
2019年，Kong等人基于ICT-FRET协同机制的原理设计开发了荧光探针CG用于检测体内的β-半乳糖苷酶活性，该探针具有快速反应(<20 s)，以及对β-半乳糖苷酶有极低检测限(0.081 U/mL)的特点，以及动力学参数表明探针CG对β-半乳糖苷酶显示出高亲和力和高催化效率。CG具有优异的水溶性，因此拥有良好的生物相容性，可以实现活细胞中β-Gal的可视化。
2019年，Li课题组通过重整GFP(绿色荧光蛋白)设计生色团系统构建具有刚性氧桥的双光子荧光平台构象，设计开发了用于检测β-Gal的双光子荧光探针G-GAL,G-GAL探针改变了传统荧光探针具有的易于光漂白性的缺陷，具有快速响应，荧光增强和出色的特异性、可以更长的时间的观察和更大的组织穿透深度的特点。实现了对组织中的β-Gal含量的检测。
2019年，Shi等人设计开发了比率式近红外(NIR)荧光探针用于精确定量跟踪体内内源性β-Gal。该探针改善了OFF-ON型检测模式导致的很难在肿瘤中精确获得β-Gal表达的缺陷，具有高量子产率、在生理条件下优异的光稳定性和化学性质的特性。
8. 结论
综上所述，β-半乳糖苷酶作为一种具有特定催化功能的重要酶类，在生物学、生物化学和食品领域中扮演着关键的角色。其特异性识别和催化活性为研究人员和工程师提供了丰富的应用可能性，有助于开发新型药物、生物传感器和生物催化剂等。通过深入了解β-半乳糖苷酶的性质和功能，我们可以更好地利用这一酶类，促进科学研究和工业生产的发展。希望本文能够为读者提供对β-半乳糖苷酶的全面了解，并激发更多关于这一酶类的研究和应用。
参考：
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