β-グルコシダーゼ

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β-グルコシダーゼ（β-D-グルコシダーゼ、EC3.2.1.21）、別名β-D-グルコシダーゼグルコヒドロラーゼ、別名ゲンチオビアーゼ、セルロビアーゼ（セルロビアス、CBまたはβ-G）およびアミグダラーゼ。これはセルラーゼクラスに属し、セルロリティック酵素系の重要な成分です。末端に結合した非還元性β-D-グルコース結合を加水分解し、同時にβ-D-グルコースと対応するリガンドを放出することができます。

図1. β-グルコシダーゼの酵素構造。

出典

1837年、リービッヒとヴォーレルは苦杏仁のジュース中にβ-グルコシダーゼを初めて発見しました。この酵素は自然界に広く分布しており、特に植物の種子や微生物に多く見られます。また、動物や真菌にも存在します。β-グルコシダーゼの植物源は人参、大豆などであり、Flavobacterium meningosepticum、Flavobacterium johnsonaeなどの微生物源に関する報告も多数あります。

分類

• 加水分解法による分類

異なるグルコシダーゼがオリゴ糖基質を加水分解する方法に応じて、外因性グルコシダーゼと内因性グルコシダーゼに分けることができます。外因性グルコシダーゼはオリゴ糖基質の一端（還元端または非還元端）から加水分解するグルコシダーゼを指し、内因性グルコシダーゼはオリゴ糖基質の中間部分から加水分解するグルコシダーゼを指します。

• 加水分解されるグリコシド結合の種類による分類

グリコシド結合はα型とβ型の2種類に分けられるため、対応するグルコシダーゼはそれぞれα-グルコシダーゼとβ-グルコシダーゼと呼ばれます。

CAZyの特定の分類によれば、α-グルコシダーゼは主にGH4、GH13、GH31、GH63、GH97およびGH122の6つのファミリーに分布し、β-グルコシダーゼは主にGH1、GH3、GH5、GH9、GH17、GH30、GH116およびその他の7つのファミリーに分布しています。

• 加水分解前後のグルコース分子の立体配置による分類

加水分解されたグルコシル基のアノメリック炭素の立体配置が加水分解前後で変化したかどうかの比較に基づいて、グルコシダーゼは保持型グルコシダーゼと反転型グルコシダーゼに分けることができます。前者は加水分解プロセスの前後でグルコシル基のアノメリック炭素の立体配置を変えず、後者は基質のアノメリック炭素の立体配置を反転させます。

触媒メカニズム

ほとんどのグルコシダーゼは保持型グルコシダーゼであり、その触媒メカニズムは通常「二段階」メカニズムに従います。

ステップ1：カルボキシルアニオンが求核基としてグリコシド結合のアノメリック炭素を求核的に攻撃し、同時に別の一般化された酸-塩基対として、カルボキシル基の水素とグリコシド結合の酸素原子との間に水素結合を形成することを触媒します。オキソカーベニウム様遷移状態（Oxocarbenium-like transition state）が形成されます。結合が形成されて切断された後、グリコシル分子のアノメリック炭素の立体配置が初めて反転し、求核的なカルボキシル基とエステル結合を形成してグリコシル-酵素共有中間体を生成し、同時に1分子のグリコシドを放出します。

ステップ2：グリコシル受容体分子の活性ヒドロキシル水素が解離した一般化された酸-塩基対カルボキシルイオンと相互作用し、受容体分子の活性ヒドロキシル酸素がグリコシル-酵素共有中間体内のグリコシル分子のアノメリック炭素を求核的に攻撃します。再び酸素を含むカーバカチオン様遷移状態が形成され、最終的にアノメリック炭素の立体配置が2回目に反転し、受容体のヒドロキシル酸素と共有結合を形成して反応を完了します。

機能

グルコシダーゼは生物の炭水化物代謝経路における重要なメンバーの一つです。β-グルコシダーゼはセルロースの代謝やさまざまな生理的および生化学的経路に参加し、α-グルコシダーゼはデンプンやグリコーゲンの代謝経路に直接関与しています。これらの酵素の異常な機能は代謝疾患を引き起こす可能性があります。同時に、これらの酵素は人間の体内の糖の化学代謝を調節するためのさまざまな薬剤や阻害剤のターゲットにもなっています。

応用

• セルロースの加水分解と利用：主にさまざまなβ-グルコシダーゼおよびセルロース加水分解関連酵素を含み、不溶性セルロースを可溶性で使いやすい小分子オリゴ糖に変えることを目的としています。
• 機能性オリゴ糖の合成：主にグルコシダーゼのトランスグリコシダーゼ活性を含み、目的はトランスグリコシダーゼ活性を持つグルコシダーゼによって機能性オリゴグルカン、オリゴマルトオリゴ糖、オリゴセルロオリゴ糖などを合成することです。これはプレバイオティクスとして機能する糖として使用できます。