1. 引言
天然生物聚合物作为宝贵的可再生碳源，在生物转化为高附加值化学品方面具有巨大潜力。近年来，对天然聚合物结构（如纤维素、半纤维素和木质素之间的分子间相互作用、聚合物链的结晶度、聚合物的2倍和3倍对称性以及半纤维素中取代的周期性模式）的研究提供了新的见解。在此基础上，糖生物水解酶（GBHs）——一类攻击生物聚合物链末端以产生二糖单元的外切作用酶——被重新带到聚光灯下。GBHs表现出几个引人入胜的特性，例如外切作用催化机制，或在某些情况下的双功能外切/内切作用模式、底物的过程性水解以及它们在协同降解顽固聚合物结构中的参与。本综述旨在总结参与天然多糖生物降解的不同GBH活性，特别关注每种酶类的天然底物及其决定其活性和特异性的结构特征，并最终识别关于各种GBH活性的研究空白，指出新的潜在研究视角。
2. 纤维二糖水解酶和纤维素氧化裂解酶
纤维二糖水解酶（CBHs）是最早被发现且研究最为透彻的GBHs。它们是任何木质纤维素降解真菌和许多细菌 arsenal 中的关键酶，被认为是完全纤维素降解不可或缺的催化剂。CBHs属于CAZy数据库中的GH6、GH7、GH9和GH48家族。其中，GH7 CBHs从纤维素聚合物的还原末端作用，而GH6 CBHs从非还原末端作用，因此两者对于纤维素的完全分解都是必需的。两者都具有长隧道状的底物结合位点，分别跨越多个葡萄糖单体。GH6 CBHs采用一步反转机制，而GH7 CBHs采用两步保留机制。CBHs的独特之处在于其对结晶纤维素的过程性水解，伴随着沿聚合物表面的单向运动。最近，一种新型氧化金属酶——纤维素氧化裂解酶（CelOCE）被发现，其能够从纤维素中特异性释放纤维二糖酸，这可能是CBHs的氧化等效物，为下一代木质纤维素生物精炼厂提供了新的可能性。
3. β-淀粉酶或淀粉作用糖生物水解酶
淀粉作用的GBH活性，即β-淀粉酶或淀粉生物水解酶（SBHs），已在淀粉降解的酶工具箱中被识别。淀粉是一种典型的植物储存碳水化合物，以称为颗粒的半结晶粒子形式存在。SBHs（β-淀粉酶，EC 3.2.1.2）从α-1,4-连接的葡聚糖链的非还原末端产生麦芽糖二糖。它们主要来自植物、细菌，在较小程度上来自真菌，并被分类在GH14家族中。SBHs的结构展示了一个保守的催化域，采用(β/α)8-桶状折叠。活性位点结构为一个深裂隙，两个保守的Glu残基参与水解。SBHs的过程性已被描述为“单链”或“多攻击”机制，即一个聚合物链在被酶进行到下一个链之前被完全降解。SBHs与裂解多糖单加氧酶（LPMOs，如AA13家族）的协同作用已被证明可以显著增强麦芽糖的释放。
4. 几丁二糖水解酶
几丁二糖水解酶（ChBHs）是几丁质酶系统中一个经过充分研究的GBHs组。几丁质是仅次于纤维素的第二丰富的天然多糖，是真菌、酵母和微藻细胞壁、昆虫外骨骼、甲壳类动物壳以及某些脊椎动物结构中的结构成分。ChBHs（几丁质-1,4-β-几丁二糖苷酶）从几丁质聚合物的非还原端或还原端过程性地水解释放二乙酰几丁二糖（GlcNAc）2或其各种脱乙酰形式。ChBHs主要属于GH18家族，具有特征性的(β/α)8TIM桶状折叠，包含保守的催化基序DXXDXDXE。大多数ChBHs是包含几丁质结合域的多模块酶，这有助于与几丁质结晶区域的能量需求相互作用。ChBHs与CBHs在生物功能和作用模式上表现出显著的相似性，其过程性为在其他GBHs中识别类似结构特征提供了有价值的模型。
5. 木二糖水解酶
木二糖水解酶（XBHs）是最近被识别参与木聚糖降解的另一组GBH酶。木聚糖是自然界中最丰富的半纤维素，通常由β-1,4-连接的木糖吡喃糖（Xylp）残基的主链组成。XBHs（外切-β-1,4-木二糖苷酶）水解木聚糖主链的β-1,4-糖苷键，从其非还原末端释放木二糖。XBHs活性最初于1994年被识别，但直到2019年对GH30_7亚家族的双功能葡萄糖醛酸木聚糖酶/XBHs的研究才使其重新受到关注。专性XBHs后来在真菌和细菌中被发现。XBHs也存在于GH11家族和GH26家族（针对β-1,3-木聚糖）中。XBHs的活性通常归因于延伸的环构象，这些环伸入推定的-3亚位点，从而阻止超出-2亚位点的底物结合。GH30 XBHs的催化域通常由-1和-2亚位点组成，这些亚位点容纳底物非还原末端的Xylp部分。XBHs在木质纤维素降解中的原生作用和意义，例如它们与β-木糖苷酶和辅助酶（如酯酶、α-葡萄糖醛酸糖苷酶）的协同作用，以及它们在降解顽固木聚糖（如2倍折叠木聚糖）中的潜在作用，正在被探索。
6. 甘露二糖水解酶
甘露二糖水解酶（MBHs）是参与甘露聚糖生物降解的GBH活性。甘露聚糖是一种广泛分布的半纤维素，存在于大多数植物群中，也存在于某些真菌中。MBHs（外切-β-1,4-甘露二糖水解酶，EC 3.2.1.100）切割甘露聚糖中的β-1,4-连接，从甘露聚糖和甘露寡糖的非还原末端释放甘露二糖单元。迄今为止，只有五个MBHs被生化表征，全部属于GH26家族，除一个外均起源于细菌。GH26 MBHs采用典型的(β/α)8折叠，具有开放的活性位点裂隙。MBHs的催化裂隙在底物非还原末端受到延伸的表面环（外切环）的限制，这将特异性从内切作用转变为外切作用。MBHs已被识别为细菌甘露聚糖分解代谢途径中的关键酶，与内切甘露聚糖酶和甘露糖苷酶协同作用。
7. 果聚糖二糖水解酶
果聚糖二糖水解酶（LBHs）代表了对果聚糖（一种高度支化的同多糖，由D-果呋喃糖基（Fruf）残基组成，形成β-(2,6)连接的主链和β-(2,1)连接的侧链）具有GBH活性的酶。LBHs（2,6-β-D-果聚糖 6-果聚糖二糖水解酶，EC 3.2.1.64）催化水解β-(2,6)连接的果聚糖聚合物，从链的非还原末端去除果聚糖二糖单元（两个β-(2,6)连接的果糖分子）。LBHs主要属于GH32家族。它们的结构包括一个N末端采用五叶β-螺旋桨折叠的催化域，以及一个C末端β-三明治域。LBHs的生物学作用和催化机制的理解可以显著增强其在生物技术应用中的有效利用，例如作为信号分子或通过LBHs降解果聚糖为果聚糖二糖生产提供有效且环保的替代方案。
8. 半乳二糖水解酶
半乳二糖水解酶（GalBHs）活性涉及半乳聚糖（一种常见的果胶多糖，主要作为细胞外蛋白聚糖的碳水化合物成分，称为阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs））的生物降解。半乳聚糖生物水解酶（或半乳聚糖外切-1,6-β-半乳二糖水解酶，EC 3.2.1.213）活性于2019年首次被引入。迄今为止，已表征了四个严格的GalBHs，全部属于GH30家族。作为GH30家族的成员，GalBHs具有特征性的(β/α)8-桶状折叠。与GH30 XBHs类似，GalBH酶具有一个外切环，阻止在-3亚位点及更远处的底物结合，从而强制执行外切特异性。半乳聚糖主链键的多样性及其侧链修饰的多样性导致了该聚合物的结构复杂性，这使得GalBHs的表征具有挑战性。
9. 结论
总体而言，具有GBH活性的生物催化剂表现出比先前认知更高的功能和结构多样性。GBHs在天然多糖的糖化中似乎是一种普遍的微生物策略，在木质纤维素降解中起着关键作用。GBHs在天然多糖上的活性可以为生物质生物降解和工业利用提供新的视角，作为定制酶鸡尾酒的一部分。对GBHs的生物学作用、它们在不同天然多糖上的活性以及它们的协同相互关系进行进一步研究，可以解锁新的研究领域。这可能导致，例如，对天然酶的更好理解、新型生物催化剂的设计，或者甚至高附加值二糖的特定生产。最终，阐明具有相似特性和功能的酶的催化机制有望使多个生物技术领域受益。
