摘要:
β-半乳糖苷酶是一类具有重要催化功能的酶，在生物学、生物化学和工业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。本文旨在探讨β-半乳糖苷酶的主要功能，深入了解其结构和功能特点，以期为读者提供对这一酶类的全面了解，并探索其在科学研究和工业生产中的潜力。
1. β-半乳糖苷酶简介
β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)全称为β-D半乳糖苷半乳糖水解酶(β-D-galactosidegalacto hydrolase,EC3.2.1.23)，广泛存在于各种动物、植物及微生物中。作为重要的糖苷水解酶。β-Gal在生命活动的调控中扮演着重要的角色。
β-半乳糖苷酶的功能是什么？β-半乳糖苷酶具有三种酶活性。首先，它可以裂解二糖乳糖形成葡萄糖和半乳糖，然后进入糖酵解。其次，该酶可以催化乳糖转半乳糖为别乳糖，第三，别乳糖可以裂解为单糖。它是与lacZ阻遏蛋白结合的别乳糖，并产生调节细胞中β-半乳糖苷酶量的正反馈回路。β-半乳糖苷酶在细胞中的作用的示意图如下图：
β-半乳糖苷酶的主要功能是将二糖乳糖分解为两种单糖成分:葡萄糖和半乳糖。这个过程被称为水解。通过分解乳糖，β-半乳糖苷酶允许生物利用糖来生产能量和其他细胞过程。
2. 了解 β-半乳糖苷酶的功能
β-半乳糖苷酶是一种外切糖苷酶，可水解半乳糖与其有机部分之间形成的β-糖苷键。它也可以裂解岩藻苷和阿拉伯糖苷，但效率要低得多。它是人体必需的酶。蛋白质缺乏可导致半乳糖贮积症或Morquio B综合征。在大肠杆菌中，lacZ基因是β-半乳糖苷酶的结构基因；它作为诱导系统的一部分存在 lac 操纵子，当葡萄糖水平低时，它在乳糖存在下被激活。当葡萄糖水平足够时，β-半乳糖苷酶合成停止。
β-半乳糖苷酶有许多基于相似序列的同系物。少数是进化β-半乳糖苷酶 （EBG）、β-葡萄糖苷酶、6-磷酸-β-半乳糖苷酶、β-甘露糖苷酶和乳糖酶-根皮苷水解酶。尽管它们在结构上可能相似，但它们都具有不同的功能。β-gal 被 L-核糖和竞争性抑制剂 2-苯乙基 1-硫代-β-D-吡喃半乳糖苷 （PETG）、D-半乳糖酸内酯、硫代异丙基-β-D-半乳糖苷 （IPTG） 和半乳糖抑制。
β-半乳糖苷酶对生物体很重要，因为它是能量生产的关键提供者，也是通过乳糖分解为半乳糖和葡萄糖来产生碳的来源。它对乳糖不耐症社区也很重要，因为它负责制作无乳糖牛奶和其他乳制品。许多成年人缺乏乳糖酶，乳糖酶与β半乳糖苷酶具有相同的功能，因此他们无法正确消化乳制品。β-半乳糖用于酸奶、酸奶油和一些奶酪等乳制品中，这些乳制品在人类食用前经过酶处理以分解任何乳糖。近年来，β-半乳糖苷酶已被研究为通过基因替代疗法治疗乳糖不耐症的潜在方法，可以将其放入人类DNA中，以便个体可以自行分解乳糖。
3. β-半乳糖苷酶的结构
β-半乳糖苷酶是四条相同多肽链的四聚体，每条链有 1023 个氨基酸。晶体结构最初以单斜晶体形式确定，不对称单元中有四个四聚体。在每个单体中，1023个氨基酸形成五个明确定义的结构域。第三个（中心）结构域（残基 334-627）是所谓的磷酸丙糖异构酶 （TIM） 或α8β8具有活性位点的桶在该桶的 C 端端形成一个深坑。如下所述，活性位点的关键元件也由来自同一多肽链中其他位置的氨基酸以及来自四聚体内其他链的氨基酸贡献。四聚体的整体结构如图所示以及相关的交互式图像。
4. 探索 β-半乳糖苷酶活性
β-半乳糖苷酶是一种存在于许多生物体内的酶，它在分解乳糖(一种存在于牛奶和其他乳制品中的糖分子)方面起着至关重要的作用。β-半乳糖苷酶的催化机制如下图所示。GH1、GH2、GH35和GH42家族的β-半乳糖苷酶利用催化保留机制，导致糖基酶中间体的形成。在水解反应中，受体(ROH)是水分子，而在转糖基化反应中，受体是糖(如葡萄糖、半乳糖和乳糖)或醇。显示了具有β-1-6、β-1-4和β-1-3半乳糖醛基键的转糖基化产物的例子。半乳糖部分用蓝色表示，受体用红色表示。
4.1 酶活性机制
β-半乳糖苷酶通过水解，或将二糖乳糖分解成两种单糖成分，半乳糖和葡萄糖来发挥作用。下面是这个机制的分解:
（1）底物结合
乳糖分子与β-半乳糖苷酶的特异性活性位点结合。这个活性位点具有特殊的形状和化学成分，完美地补充了乳糖分子，允许强烈的相互作用。
（2）催化作用
结合后，β-半乳糖苷酶将水分子引入乳糖结构，打破半乳糖和葡萄糖单元之间的糖苷键。
（3）产物释放
分解的产物，半乳糖和葡萄糖，从活性部位释放，让酶结合到另一个乳糖分子，并重复这个过程。
4.2 影响因素
（1）底物浓度
与大多数酶一样，β-半乳糖苷酶活性的速率随着底物(乳糖)浓度的增加而增加，直到达到饱和点。此时，酶的活性位点全部被占据，进一步增加底物不会影响酶的活性。
（2）温度
β-半乳糖苷酶有一个最佳的温度范围，它的功能最有效。酶的活性通常随着温度上升到一定程度而增加，但过高的温度会使酶变性，使其失去结构和功能。
（3）pH
酶也有最佳活性的优选pH范围。β-半乳糖苷酶通常在微酸性到中性ph时功能最佳。与此范围的显著偏差可改变酶的结构和活性。
（4）抑制剂
某些分子可与β-半乳糖苷酶结合，阻断其活性位点，阻碍其与乳糖的结合能力。这些抑制剂分子可以具有竞争性(与底物竞争结合)或非竞争性(结合到不同的位点并改变酶的形状)。
4.3 测量技术和分析
科学家采用各种技术来测量β-半乳糖苷酶的活性。这里有两种常见的方法:
（1）比色测定
该方法使用称为ONPG(邻硝基苯-β- d -吡喃半乳糖苷)的底物。β-半乳糖苷酶将ONPG分解为半乳糖和一种称为邻硝基酚的黄色产品。黄色的强度与样品中β-半乳糖苷酶的活性成正比。使用分光光度计在特定波长(通常为420 nm)下测量溶液的吸光度以定量酶活性。
（2）荧光测定
另一种方法涉及使用带有荧光团的衬底。当β-半乳糖苷酶裂解底物时，荧光团被释放并发出荧光。使用荧光计测量荧光强度并且可与β-半乳糖苷酶活性相关。
5. β-半乳糖苷酶的应用
5.1 β-半乳糖苷酶在食品方面的应用
β-半乳糖苷酶在食品加工方面的应用主要包括以下几个方面:
（1）解决乳糖不耐受患者的乳品消费问题
世界上平均约70%~90%的成年人(尤其是亚洲和非洲人)喝牛奶后会因缺乏β-半乳糖苷酶不能降解牛奶中大量的乳糖而产生乳糖不耐受，我国乳糖不耐受症的发生率为90%左右。用β-半乳糖苷酶水解牛乳中的乳糖，可将乳糖含量降低70%~80%，解决乳糖不耐受患者的乳品消费问题。
（2）生产低聚半乳糖
低聚半乳糖是以牛乳或乳清中的乳糖为底物，经β-半乳糖苷酶催化生成的。低聚半乳糖的甜度为蔗糖的20%~40%，热稳定性较好，在酸性条件下也是如此，可作为双歧杆菌增殖因子，促进钙质吸收和有机酸生成、降低肠道pH、抑制外源菌生长和改善脂质代谢。
（3）应用于发酵乳制品
用β-半乳糖酶水解乳制作酸乳比使用普通脱脂乳制备酸乳可以缩短乳凝固时间约15%~20%，且节省蔗糖用量，能改善酸乳的风味和口感。另外，由于乳酸菌生长快，菌数多，还能延长酸乳的货价期。
（4）分析乳制品中的乳糖含量
将精制的β-半乳糖苷酶和其它酶(如过氧化物酶、葡萄糖氧化酶)联合使用，可以分析冰淇淋、干酪等乳制品中的乳糖含量。该法简便快捷，费用低廉，可以在样品不除去蛋白的情况下使用，适合在食品工业上应用。
5.2 β-半乳糖苷酶在免疫和检测方面的应用
在免疫学领域，Romanos等研究人员利用β-半乳糖苷酶与人体胞外淀粉状蛋白前体融合形成融合蛋白，用作Alzheimer病的免疫源，并成功制备了相应的单克隆抗体。另外，Vijay等研究人员将β-半乳糖苷酶作为辅蛋白，用于稳定和增加UR5-UR1融合蛋白的溶解性，作为猫白血病病毒gp70的疫苗。在免疫检测方面，β-半乳糖苷酶被成功地用于戊二醛一步标记抗人Ig G，并建立了ELISA测定程序，可用于人Ig G、人群破伤风抗体和单克隆抗体的检测，取得了令人满意的结果。此外，该酶还被用于孕酮、皮质醇半抗原的标记，并初步建立了液相竞争测定程序。
5.3 β-半乳糖苷酶基因在基因工程中的应用
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。
它在分子生物学中通常用作监测基因表达的报告标记物。它还表现出一种称为α互补的现象，该现象构成了重组克隆蓝/白筛选的基础。这种酶可以分裂成两种肽，LacZα 和 LacZΩ，它们本身都没有活性，但当两者同时存在时，会自发地重新组装成功能酶。这种特性在许多克隆载体中得到利用，其中质粒中lacZα基因的存在可以在反式中补充另一个在大肠杆菌实验室菌株中编码LacZΩ的突变基因。然而，当DNA片段插入载体中时，LacZα的产生被破坏，因此细胞没有显示出β半乳糖苷酶活性。X-gal可以检测活性β-半乳糖苷酶的存在与否，X-gal在被β半乳糖苷酶裂解时产生特征性的蓝色染料，从而提供了一种区分质粒中克隆产物存在与否的简单方法。在白血病染色体易位的研究中，Dobson及其同事在小鼠中使用了LacZ的融合蛋白，利用β半乳糖苷酶的寡聚化倾向来暗示寡聚体在MLL融合蛋白功能中的潜在作用。
6. β-半乳糖苷酶在细胞过程中的重要性
β-半乳糖苷酶是细胞内具有多种功能的关键酶:
（1）复合糖的分解
它作为一种溶酶体酶，通过去除末端半乳糖残基来分解糖脂类和糖蛋白类等复杂分子。这个分解过程对于细胞再循环和维持正常的细胞功能是必不可少的。
（2）乳糖代谢
β-半乳糖苷酶发挥消化乳糖的作用，乳糖是牛奶中的糖。它把乳糖分解成更简单的成分，半乳糖和葡萄糖，然后可以被身体吸收为能量。
（3）细胞衰老标记
2020-2021 年进行的一项研究确定，β-半乳糖苷酶活性与细胞衰老相关。细胞的衰老可以解释为不分裂的细胞，但不死亡的细胞。β-半乳糖苷酶活性可能过度表达，这可能导致各种疾病折磨各种身体系统。这些系统包括心血管系统、骨骼系统等等。可以通过测量溶酶体β-半乳糖苷酶活性来检测衰老细胞。
（4）在信号传导中的潜在作用
一些研究表明β-半乳糖苷酶可能参与细胞信号传导通路，尽管确切的机制仍在探索中。
7. 结论：揭开 β-半乳糖苷酶的秘密
综上所述，β-半乳糖苷酶作为一种重要的酶类，在生物学和生物化学领域中扮演着关键的角色。其主要功能包括特异性识别和催化β-半乳糖苷键的水解反应，为多种生物学和工业应用提供了广阔的可能性。通过深入了解β-半乳糖苷酶的结构和功能特点，我们可以更好地利用这一酶类的特性，推动科学研究和生产技术的发展。
参考：
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