エンド-1,4-β-ガラクトナーゼ

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はじめに

植物バイオマスの処理は非常に重要で、ますます評価されている産業分野です。現在、植物細胞壁の酵素的分解がかなりの関心を集めています。植物細胞壁の主要成分はペクチンで、これはホモガラクツロン酸の滑らかな領域とラフノガラクツロン酸の毛状の領域から構成されています。ラフノガラクツロン酸-Iは毛状の領域で最も豊富な成分で、α-1,2-結合のL-ラフノースとα-1,4-結合のD-ガラクツロン酸の交互の単位から構成される多糖類です。ラフノースのC4位は、アラビナン、ガラクタン、アラビノガラクタンなどの多糖の枝の付着部位として使用でき、ラフノガラクツロン酸は非常に分岐しており「毛状の領域」を形成します。

現在、ラフノガラクツロン酸Aおよびラフノガラクツロン酸アセチルエステラーゼの構造情報が得られており、これらはラフノガラクツロン酸Iの骨格に作用し、ガラクタンおよびアラビノガラクタンのβ-1,4結合に作用する3つのβ-1,4-ガラクタン酸酵素（GAL）もあります。GALは、GH-Aクランのメンバーであるグリコシダーゼのファミリー53に属します。科学者たちは、Aspergillus aculeatusからの真菌GALの構造を決定しており、これはβ-1,4-ガラクタン酸酵素およびファミリー53酵素の最初の利用可能な構造を構成しています。

BLGALの全体構造

Bacillus licheniformisガラクタン酸酵素（BLGAL）は、空間群P2₁で結晶化し、2つの非結晶対称関連分子はほぼ同一です。ネイティブタンパク質と複合体の構造は非常に似ており、全体の折りたたみは規則的な(βα)₈-バレル構造です。β-ストランド1および3に続くループと、β-ストランド8に続く約65残基の長いループには追加の二次構造要素が含まれています。バレルの上部にはカルシウムイオンがあり、触媒残基から離れています（>16 Å）。これは、β-ストランド7（Asp272、Asp274、His276、Asn278）および8（Ser367、Asp370）に続く2つの長いループの残基と配位しています。

図1. BLGALの全体構造の立体図

活性部位と基質結合溝

BLGALでは、触媒酸/塩基はβ-ストランド4の末端にあるGlu165であり、β-ストランド7の末端にあるGlu263が触媒ヌクレオフィルとして使用されます。複合体で特定されたガラクトビオースおよびガラクトリオースの結合部位には、それぞれ2つのサブサイト（22および23）と3つのサブサイト（22、23、および24）が含まれています。Trp115、Trp347、およびTrp36残基は基質結合に関与しており、図2（a）および（b）に示すように、それぞれサブサイト22、23、および24の3つのピラノースユニットのプラットフォームとして機能します。タンパク質とガラクトオリゴ糖の間の詳細な相互作用は、図2（c）および（d）に示されています。

図2. ガラクトビオースおよびガラクトリオース複合体の最終モデルにおける基質結合サブサイト24、23および22のクローズアップビュー

考察

Bacillus種のGALと比較して、真菌GALはガラクタンをより完全に分解できます。小さなオリゴ糖がBLGALに非生産的に結合することは、この酵素がAAGALほど効率的にβ-1,4-ガラクタンを分解できない理由を説明するかもしれません。3つのトリプトファン残基は、サブサイト-4、-3、および-2の芳香族プラットフォームを形成します。これらの3つのトリプトファン残基は基本的に糖環に平行であり、そのα側に対してスタックしています。この広範な平行相互作用は、β-1,4-結合のオリゴ糖と異なる特異性を持つGH-A多糖加水分解酵素の間で一般的です。BLGALとオリゴ糖複合体の構造は、GH-53ガラクタン酸酵素の理解を深め、ガラクタン断片または任意の赤道-軸方向O-結合オリゴ糖の最初の結晶学的画像を提供します。基質結合溝の形状と表面の芳香族側鎖の分布は、クランGH-A酵素における多糖基質の形状を反映しています。BLGALでは、Trp115、Trp347、およびTrp363の側鎖が、ガラクトリオースをヘリカル構造で結合するように配置されています。多糖が多糖加水分解酵素に対して形状的に補完的であることが、認識機能と特異性において重要な役割を果たすことがわかります。