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| セルラーゼ | |||||||||
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 Thermomonospora fuscaによって産生されるセルラーゼ酵素で、触媒ドメインの浅い溝にセロトリオースが結合している。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 3.2.1.4 | ||||||||
| CAS番号 | 9012-54-8 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| 国際エンツ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | ブレンダのエントリー | ||||||||
| エクスパシー | NiceZymeの見解 | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリ | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアム | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| 遺伝子オントロジー | アミーゴ/クイックゴー | ||||||||
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セルラーゼ（EC 3.2.1.4、系統名4-β- D-グルカン4-グルカノヒドロラーゼ）は、主に真菌、細菌、原生動物によって産生されるいくつかの酵素の総称で、セルロースおよび関連する多糖類の分解であるセルロース分解を触媒する。
この名称は、セルロース系物質を分解するために連続的または相乗的に作用する、様々な酵素の天然に存在する混合物または複合体にも用いられる。
セルラーゼはセルロース分子をβ-グルコースなどの単糖類（「単純糖」）や、より短い多糖類やオリゴ糖に分解します。セルロースの分解は、植物の主要成分を消費や化学反応に利用できるようにするため、経済的に非常に重要です。関与する具体的な反応は、セルロース、ヘミセルロース、リケニン、および穀物β- D-グルカンの1,4-β-D-グリコシド結合の加水分解です。セルロース分子は互いに強く結合しているため、セルロースの分解はデンプンなどの他の多糖類の分解に比べて比較的困難です。[ 2 ]
ほとんどの哺乳類は、セルロースなどの食物繊維を自力で消化する能力が非常に限られています。牛や羊などの反芻動物や馬などの後腸発酵動物といった多くの草食動物では、セルラーゼは共生細菌によって産生されます。内因性セルラーゼは、シロアリ、カタツムリ、[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]、ミミズなど、いくつかの種類の動物によって産生されます。
セルラーゼは緑藻類（クラミドモナス・ラインハルディ、ゴニウム・ペクトラレ、ボルボックス・カルテリ）にも存在し、 GH9ファミリーに属するそれらの触媒ドメイン（CD）は、後生動物の内因性セルラーゼと最も高い配列相同性を示します。藻類のセルラーゼはモジュール構造で、推定される新規システインリッチ炭水化物結合モジュール（CBM）、プロリン/セリン（PS）リッチリンカー、さらに推定されるIg様ドメインと一部のメンバーでは未知のドメインから構成されています。ゴニウム・ペクトラレのセルラーゼは、リンカーで隔てられた2つのCDとC末端CBMから構成されていました。[ 6 ]
構造的にも機構的にも異なる、いくつかの異なる種類のセルラーゼが知られています。「セルラーゼ」という名前に関連付けられている同義語、派生語、および特定の酵素には、エンド-1,4-β - D-グルカナーゼ（β-1,4-グルカナーゼ、β-1,4-エンドグルカンヒドロラーゼ、エンドグルカナーゼD、1,4-(1,3;1,4)-β- D-グルカン4-グルカノヒドロラーゼ）、カルボキシメチルセルラーゼ（CMCase）、アビセラーゼ、セルデキストリナーゼ、セルラーゼA、セルロシンAP、アルカリセルラーゼ、セルラーゼA3、9.5セルラーゼ、セロキシラナーゼ、およびパンセラーゼSSが含まれます。リグニンを切断する酵素は、時折セルラーゼと呼ばれてきましたが、この古い用法は廃止されています。これらはリグニン修飾酵素です。
触媒する反応の種類に基づいて、セルラーゼは大きく5つのタイプに分類される。
上記のタイプの中には、進行型（またはプロセス型）と非進行型があります。進行型セルラーゼは単一の多糖鎖と継続的に相互作用しますが、非進行型セルラーゼは一度相互作用すると解離し、別の多糖鎖と相互作用します。
セルラーゼの作用は相乗効果を持つと考えられており、3種類のセルラーゼをそれぞれ単独で使用した場合よりもはるかに多くの糖を生成することができる。反芻動物を除けば、ほとんどの動物（人間を含む）は体内でセルラーゼを生成せず、発酵によってセルロースを部分的にしか分解できないため、繊維質の植物性物質からエネルギーを利用する能力が制限される。
ほとんどの真菌セルラーゼは、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た2ドメイン構造を持つ。この構造は不溶性基質に作用するのに適しており、酵素が毛虫のように表面上を二次元的に拡散することを可能にする。しかし、セルロース結合ドメインを持たないセルラーゼ（主にエンドグルカナーゼ）も存在する。
基質の結合と触媒作用の両方は、タンパク質の折り畳みレベルの結果として生じる酵素の三次元構造に依存します。基質が結合する位置である活性部位内のアミノ酸配列とその残基の配置は、リガンドの結合親和性、活性部位内の基質の安定化、および触媒作用などの要因に影響を与える可能性があります。基質の構造は、酵素の正確な活性部位構造と相補的です。残基の位置の変化は、これらの相互作用の 1 つまたは複数に歪みをもたらす可能性があります。[ 8 ]温度、pH、金属イオンなどの追加要因は、酵素構造間の非共有結合相互作用に影響を与えます。[ 9 ] Thermotoga maritima種は、活性部位である中心触媒領域を取り囲む 2 つの β シート (タンパク質構造) からなるセルラーゼを生成します。[ 10 ]この酵素はエンドグルカナーゼに分類され、セルロース鎖内のβ-1,4-グリコシド結合を内部で切断し、ポリマーのさらなる分解を促進します。T . maritimaと同じ科の異なる種は、異なる構造のセルラーゼを生成します。[ 10 ] Coprinopsis cinerea種によって生成されるセルラーゼは、β/αバレルと呼ばれる閉じたトンネルの形をした7本のタンパク質ストランドから構成されています。[ 11 ]これらの酵素は、基質であるカルボキシメチルセルロースを加水分解します。基質が活性部位に結合すると、分子の分解を可能にするコンフォメーションの変化が誘発されます。
多くの細菌では、生体内のセルラーゼは、セルロソームと呼ばれる超分子複合体に組織化された複雑な酵素構造である。セルロソームは、エンドセルラーゼ、エキソセルラーゼ、セロビアーゼ、酸化セルラーゼ、セルロースホスホリラーゼという5種類の異なる酵素サブユニットを含むが、これらに限定されない。β(1→4)結合の実際の加水分解に関与するのは、エキソセルラーゼとセロビアーゼのみである。セルロソームを構成するサブユニットの数によって、酵素活性の速度も決まる。[ 12 ]
多ドメインセルラーゼは多くの分類群に広く分布しているが、セルロソーム中に存在する嫌気性細菌由来のセルラーゼは、異なるタイプのモジュールから構成される最も複雑な構造を持つ。例えば、Clostridium cellulolyticumは、触媒ドメイン（CD）、炭水化物結合モジュール（CBM）、ドッケリン、リンカー、およびIg様ドメインの数と配置が異なる13個のGH9モジュールセルラーゼを産生する。[ 13 ]
例えば、Trichoderma reeseiのセルラーゼ複合体は、結晶セルロースの鎖を分離する成分 C1 (57,000ダルトン)、エンドグルカナーゼ (約 52,000 ダルトン)、エキソグルカナーゼ (約 61,000 ダルトン)、および β-グルコシダーゼ (76,000 ダルトン) から構成されています。[ 14 ]
セルロソームを産生する細菌のゲノムには、ドッケリンやコヒーシンとして知られる多数の「特徴的な」配列が同定されている。セルラーゼは、アミノ酸配列と三次構造に基づいて、クランとファミリーに分類される。[ 15 ]
マルチモジュールセルラーゼは、酵素とセルロース基質が近接しているため相乗効果を発揮し、遊離酵素（CDのみ）よりも効率的です。CBMはセルロースの結合に関与し、グリコシル化リンカーはCDに柔軟性を与え、活性の向上とプロテアーゼからの保護、およびセルロース表面への結合の増加をもたらします。[ 6 ]
セルラーゼは、コーヒーの商業的な食品加工に用いられています。コーヒー豆の乾燥過程でセルロースを加水分解する働きをします。さらに、セルラーゼは繊維産業や洗濯洗剤にも広く使用されています。また、パルプ・製紙産業でも様々な用途で利用されており、医薬品分野にも応用されています。バイオマスをバイオ燃料に発酵させる際にもセルラーゼが用いられますが、このプロセスは現時点では比較的実験段階にあります。
セルラーゼは、製紙・パルプ産業において幅広い用途があります。製造およびリサイクル工程において、セルラーゼは、樹皮除去、パルプ化、漂白、排水、脱インクの改善に利用できます。[ 17 ]
セルラーゼの使用は紙の品質を向上させることもできる。セルラーゼは繊維の形態に影響を与え、繊維間の結合を改善し、結果として繊維の凝集性を高める可能性がある。[ 18 ]紙に対するその他の効果としては、引張強度の増加、かさ高さ、多孔性、および紙の柔らかさの増加などが挙げられる。
セルラーゼは、人間の胃に見られるセルロース結石の一種である植物性結石の治療薬として医療で使用されており、細胞外高分子物質（EPS）の構造マトリックス多糖類内のβ（1-4）グリコシド結合を加水分解することにより、多微生物細菌バイオフィルムを分解する効果を示しています。[ 19 ] [ 20 ]
繊維産業におけるセルラーゼの様々な用途としては、ジーンズのバイオストーン加工、繊維の研磨、衣類の柔軟化、余分な染料の除去、色の鮮やかさの回復などが挙げられる。
セルラーゼは、農業分野では植物病原体として、また病害防除のために使用できます。また、種子の発芽促進や根系の改良にも応用されており、土壌の質の向上や化学肥料への依存度の低下につながる可能性があります。[ 18 ]
天然基質であるセルロースは水に不溶性のポリマーであるため、この基質を用いた従来の還元糖アッセイはセルラーゼ活性の測定には適用できません。分析科学者たちは、いくつかの代替方法を開発してきました。
粘度計は、カルボキシメチルセルロースなどの水溶性セルロース誘導体を含む溶液をセルラーゼサンプルとインキュベートしたときの粘度の低下を測定するために使用できます。[ 22 ]粘度の低下はセルラーゼ活性に直接比例します。このようなアッセイはエンドセルラーゼに対して非常に感度が高く特異的ですが（エキソ作用型セルラーゼ酵素は粘度をほとんどまたは全く変化させません）、従来の酵素単位（1分あたりに加水分解される基質または生成される生成物のマイクロモル）で活性を定義するのが難しいという事実によって制限されます。
DPの低いセロオリゴ糖（DP2-6）は水に十分に溶けるため、セルラーゼ酵素の有効な基質として機能します。[ 23 ]しかし、これらの基質自体が「還元糖」であるため、高い「ブランク」値を生成するため、従来の還元糖アッセイでの使用には適していません。ただし、 HPLCまたはIC法によってセルラーゼによる加水分解をモニタリングすることで、特定のセルラーゼ酵素の基質要件に関する貴重な情報を得ることができます。
セロオリゴ糖は、水素化ホウ素ナトリウムの作用により化学的に還元され、対応する糖アルコールを生成する。これらの化合物は還元糖アッセイでは反応しないが、その加水分解生成物は反応する。このため、水素化ホウ素還元セロオリゴ糖は、ネルソン・シモギー法などの従来の還元糖アッセイを用いたセルラーゼアッセイの有用な基質となる。[ 24 ] [ 25 ]
これらの基質は2つのクラスに分類できます。
エンドセルラーゼを特異的に測定できる新しい試薬が開発されました。[ 27 ] [ 28 ]これらの方法では、補助酵素の存在下で官能基化されたオリゴ糖基質を使用します。図示の例では、セルラーゼ酵素がセルロースの三糖断片を認識し、この単位を切断することができます。試薬混合物中に存在する補助酵素（β-グルコシダーゼ）は、発色団または蛍光団を含む断片を加水分解します。アッセイは、酵素反応を停止し、遊離したフェノール化合物を脱プロトン化してフェノラート種を生成する塩基性溶液の添加によって終了します。特定のサンプルのセルラーゼ活性は、遊離したフェノラートの量に直接比例し、分光光度計を使用して測定できます。三糖基質の非還元末端のアセタール官能基化は、親基質に対する補助β-グルコシダーゼの作用を阻害します。