エンド-β-ガラクトシダーゼ

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ガラクトシダーゼは、乳糖（乳糖は、グルコース1分子とガラクトース1分子が脱水縮合して形成される二糖類）など、ガラクトシド結合を含む物質を加水分解する酵素群を指す。主としてα-ガラクトシダーゼとβ-ガラクトシダーゼに大別される。α-ガラクトシダーゼはα-ガラクトシド結合の加水分解を触媒し、飼料および大豆由来食品中の抗栄養因子であるα-ガラクトシドを変換・分解して栄養価を改善することができる。さらに、本酵素は医薬分野、増粘剤処理、製紙産業などにおいても一定の応用がある。β-ガラクトシダーゼは食品産業での用途が拡大しているだけでなく、遺伝子工学、酵素工学、タンパク質工学等のバイオテクノロジー分野において重要な役割を担い、医療を含む他分野でも広く利用され始めている。

特長

α-ガラクトシダーゼは、α-ガラクトシド結合の加水分解を触媒するエキソグリコシダーゼである。メリビオースを分解できることから、メリビアーゼとも呼ばれる。α-ガラクトシド結合の加水分解を触媒できるという特性により、飼料および大豆食品中の抗栄養成分の低減・除去に有用である。加えて、医療分野ではB→O血液型変換によるユニバーサル血液の調製に応用可能であり、またファブリー病に対する酵素補充療法（ERT）においても重要な役割を果たす。α-ガラクトシダーゼは、α-ガラクトシド結合を含む複合多糖、糖タンパク質、糖スフィンゴ脂質にも作用し得る。基質濃度が高い条件下では、一部のα-ガラクトシダーゼは転移ガラクトシル化（トランスガラクトシル化）活性を示すことがあり、この特性を利用してオリゴ糖合成やシクロデキストリン誘導体の調製に用いられる。近年は、中性域で活性を示す、またはpH安定性に優れたα-ガラクトシダーゼの開発、高生産性微生物・植物の探索が研究の焦点となっている。耐熱性α-ガラクトシダーゼは、その特性から科学者の関心を集めており、熱安定性を活かした産業利用価値の最大化、ならびに科学技術・医療分野における適用範囲の拡大が期待されている。

β-ガラクトシダーゼ

β-ガラクトシダーゼはグリコシド加水分解酵素（glycoside hydrolase）に属し、多様な微生物由来のものが存在する。加水分解活性に加え、一部の由来では糖転移（トランスグリコシル化）活性も有する。由来の異なる酵素は、至適pH、至適温度、酵素反応速度論定数Kmなどの特性が異なる。また、Kluyveromyces、Aspergillus、Bacillus、Streptococcus、Cryptococcusなど、酵素の由来が異なることに加え、温度・pH等の反応条件の違いにより、ガラクトオリゴ糖合成における重合度、収率、生成物分布が変動する。

図1. β-ガラクトシダーゼの構造。

性質

β-ガラクトシダーゼはβ-ガラクトシダーゼ遺伝子（LacZ遺伝子）によりコードされ、4つのサブユニットからなる四量体であり、一般に乳糖をグルコース1分子とガラクトース1分子に分解する反応を触媒する。異なる種から抽出されたβ-ガラクトシダーゼのタンパク質配列は高い相同性および類似性を示す。β-ガラクトシダーゼの分子量は100～850 kUの範囲であり、そのうち大腸菌（E. coli）由来β-ガラクトシダーゼは最大で520～850 kUとされる。各種由来のβ-ガラクトシダーゼ遺伝子はすでにクローニングされている。

作用機序

β-ガラクトシダーゼは、β-ガラクトシド結合を有する化合物の加水分解を触媒するだけでなく、ガラクトシル基の転移機能も有する。初期の研究では、β-ガラクトシダーゼの活性部位には2つの機能基、すなわちCysのスルフヒドリル基およびHisのイミダゾール基が存在し、乳糖加水分解に重要な役割を果たすことが示された。硫黄基が一般酸としてガラクトシドの酸素原子をプロトン化し、イミダゾール基が求核剤としてガラクトース分子の1位炭素の求電子中心を攻撃して、共有結合性中間体を形成すると推定されている。イミダゾール基が離脱した後、スルフヒドリルアニオンが水分子からプロトンを引き抜いて-OHを生成し、これが炭素を攻撃する。ラクターゼの触媒機構はリゾチームに類似するとする報告もある。ガラクトシドの受容体が水の場合は加水分解が起こり、受容体が別の糖またはアルコールの場合はトランスガラクトシド反応が起こる。受容体が乳糖である場合は、三糖（トリサッカライド）であるラクトースのオリゴマーが生成する。

応用

β-ガラクトシダーゼの応用研究における主な注目領域は、固定化、オリゴ糖生産、ならびに遺伝子工学技術を用いたラクターゼ生産である。

食品加工におけるβ-ガラクトシダーゼの主な用途は以下のとおりである。

• 乳糖不耐症患者における乳製品摂取の課題を解決する。
• 乳製品の甘味を向上させる目的で使用する。
• 冷凍時における乳製品の結晶化を防止する。
• ガラクトオリゴ糖の製造。

参考文献

1. Davies, G.; et al. Structures and mechanisms of glycosyl hydrolases. Structure. 1995, 3 (9): 853–59.