セルラーゼ

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セルラーゼ（β-1,4-グルカン-4-グルカノヒドロラーゼ）は、セルロースを分解してグルコースを生成する酵素群の総称である。単一酵素ではなく、複数成分が相乗的に作用する多成分酵素系（複合酵素）であり、主としてエキソ-β-グルカナーゼ、エンド-β-グルカナーゼおよびβ-グルコシダーゼ、ならびに高活性キシラナーゼから構成される。セルロースおよびセルロース由来生成物に作用する。微生物由来セルラーゼは、不溶性セルロースをグルコースへ変換すること、ならびに果実・野菜ジュースにおいて細胞壁を破壊して搾汁歩留まりを向上させる点で重要である。

分類

• 組成および機能による分類

セルラーゼは触媒反応機能に基づき、エンドグルカナーゼ（真菌由来：EG、細菌由来：Cen）、エキソグルカナーゼ（真菌由来：CBH、細菌由来：Cex）、およびβ-グルコシダーゼ（β-1,4-グルコシダーゼ、EC 3.2.1.21；BG）に分類される。

• 分解機構による分類

セルラーゼ反応は一般的な酵素反応とは異なる。主な相違点は、セルラーゼが多成分酵素系であること、ならびに基質構造が極めて複雑であることである。基質が水不溶性であるため、酵素と基質が形成するES複合体の過程に代わり、セルラーゼの吸着が重要となる。セルラーゼはまず基質セルロースに特異的に吸着し、その後、複数成分の相乗作用によりセルロースをグルコースへ分解する。

構造

多くの真菌由来セルラーゼは2ドメイン構造を有し、触媒ドメインとセルロース結合ドメインが柔軟なリンカーで連結されている。この構造は不溶性基質に対する作用に適しており、酵素が表面上をイモムシ様に二次元的に移動・拡散することを可能にする。一方で、セルロース結合ドメインを欠くセルラーゼ（主としてエンドグルカナーゼ）も存在する。基質結合および触媒作用はいずれも、タンパク質フォールディングの結果として形成される酵素の三次元構造に依存する。活性部位に存在するアミノ酸配列および残基配置（基質結合部位）は、リガンドの結合親和性、活性部位における基質の安定化および触媒など、種々の要因に影響し得る。基質構造は酵素の精密な活性部位構造と相補的である。残基位置の変化は、これら相互作用の一つまたは複数に歪みを生じさせる可能性がある。

図1．セルラーゼのタンパク質構造。

セルラーゼ作用に影響する因子

セルラーゼの至適pHは一般に4.5～6.5である。グルコノラクトンはセルラーゼを有効に阻害する。銅イオンや水銀イオンなどの重金属イオンもセルラーゼを阻害するが、システインはそれらの阻害作用を除去し、さらにセルラーゼを活性化し得る。植物組織には天然のセルラーゼ阻害因子が含まれており、カビによる腐敗から植物を保護し得る。これらの阻害因子はフェノール性化合物である。植物組織に高いオキシダーゼ活性が存在する場合、フェノール性化合物がキノン化合物へ酸化され、セルラーゼを阻害し得る。

農業分野での応用

穀類、豆類、小麦および加工副産物などの一般的な家畜・家禽飼料にはセルロースが多く含まれる。反芻動物は第一胃内微生物により一部利用できるが、豚、鶏などの単胃動物はセルロースを利用できない。

参考文献

1. Guerriero G.; et al. Novel insights from comparative in silico analysis of green microalgae cellulases. Int. J. Mol. Sci. 2018, 19 (6), 1782.
2. Liu Y.; et al. Crystal structure of a glycoside hydrolase family 6 enzyme, CcCel6C, a cellulase constitutively produced by Coprinopsis cinerea. The FEBS Journal.2010, 277 (6): 1532–42.