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グルカンスクラーゼ（グルコシルトランスフェラーゼとも呼ばれる）は、乳酸菌がスクロースを分解するために使用するグリコシド加水分解酵素ファミリー GH70の酵素です。その後、結果として生じるグルコース分子を利用して、長く粘着性のあるバイオフィルム鎖を構築します。これらの細胞外ホモ多糖は、α-グルカンポリマーと呼ばれます。
グルカンスクラーゼ酵素は、グリコシド結合の種類、分岐度、長さ、質量、ポリマーの立体配座を変更することで、溶解度、レオロジー、その他の特性が異なるさまざまなグルカンを合成できます。グルカンスクラーゼは、触媒するグリコシド結合によって分類されます。グルカンスクラーゼには、ミュータンスクラーゼ、デキストランスクラーゼ、アルテルナンスクラーゼ、ロイテランスクラーゼがあります。 [1]この汎用性により、グルカンスクラーゼは工業用途に役立っています。[2]グルカンスクラーゼのう蝕形成における役割は、大きな関心事です。グルカンポリマーは人間の口の中で歯に付着し、虫歯を引き起こします。[3]
構造
グルカンスクラーゼは、平均分子量が約 160,000ダルトンの大きな細胞外タンパク質です。そのため、結晶構造解析研究は酵素の断片に対してのみ行われており、完全な構造は研究されていません。しかし、グルカンスクラーゼは、別の糖切断酵素であるα-アミラーゼと非常によく似ています。 [2] そのため、グルカンスクラーゼには多くの同じ構造的特徴があります。たとえば、両方の酵素は、触媒コアに 3 つのドメインと (β/α) 8バレルを持っています。[4]
グルカンスクラーゼには、A、B、C、IV、Vの5つの主要なドメインがあります。しかし、グルカンスクラーゼのドメインは、α-アミラーゼのドメインとは配置が異なります。α-アミラーゼとグルカンスクラーゼの折り畳み特性は依然として非常に似ていますが、それらのドメインは入れ替わっています。[5] [6] [3] ドメインA、B、IV、Vは、ポリペプチド鎖の2つの不連続な部分から構築されており、鎖はU字型になっています。[1] N末端からC末端に向かって、ポリペプチド鎖は次の順序になります：V、IV、B、A、C、A、B、IV、V（右上の図を参照）。[4] Cドメインは、連続したポリペプチド配列で構成されている唯一のドメインです。
ドメインAには（β/α）8バレルと触媒部位が含まれています。触媒部位では、特に求核性アスパラギン酸、酸/塩基性グルタミン酸、および遷移状態を安定化するための追加のアスパラギン酸の3つの残基が酵素活性に重要な役割を果たしています。[4] [3]
ドメインBはねじれた反平行βシートを形成します。ドメインBのループの一部は触媒部位付近の溝の形成に役立ちます。さらに、ドメインAとBの間のいくつかのアミノ酸は求核性アスパラギン酸付近にカルシウム結合部位を形成します。Ca 2+イオンは酵素活性に必要です。[4] [3]
反応とメカニズム
グルカンスクラーゼの反応は2つの部分から成ります。まず、グリコシド結合を切断してスクロースを分解します。反応の生成物は、構成単糖類であるグルコースとフルクトースです。このグルコースは、成長中のグルカン鎖に追加されます。グルカンスクラーゼは、結合切断から放出されるエネルギーを使用してグルカン合成を促進します。[2]スクロース分解とグルカン合成は、同じ活性部位で発生します。[3]
最初のステップは、サブサイト1のグリコシル酵素中間体を含むトランスグリコシル化機構によって実行されます。グルタミン酸は触媒酸/塩基、アスパラギン酸は求核剤、もう1つのアスパラギン酸は遷移状態安定剤であると考えられます。 [5] [7]これら3つの残基はすべて高度に保存されており、変異すると酵素活性が大幅に低下します。[3]
グルカンスクラーゼのメカニズムは、歴史的に科学文献で議論の的となってきました。[8] [9] [10]このメカニズムには2つの置換が含まれます。1つ目は、スクロース基質のサブサイト-1と+1の間のグリコシド切断に由来します。これによりフルクトースが放出され、グルコースユニットが求核剤に結合すると糖酵素中間体が形成されます。
2番目の置換は、グルコシル基が成長中のグルカン鎖などの受容体に転移することです。過去には、グルコシル基が受容体の非還元末端に付着するか還元末端に付着するかが議論されました。その後の調査により、単一の活性部位を持つ非還元メカニズムが示唆されました。[1] [2] [11] [3]
進化
グルカンスクラーゼタンパク質は、アミラーゼ酵素の前駆体から進化したと考えられます。[3] 2つの酵素は、類似した折り畳みパターンとタンパク質ドメインを持っています。実際、グルカンスクラーゼを標的とした薬剤を生産する過去の試みは、薬剤がデンプンを分解するために必要なアミラーゼも破壊したため、成功しませんでした。[12] [13]これは、2つの酵素の活性部位がほぼ同じであるためです。グルカンスクラーゼは、異なる進化の道をたどる中で、高度に保存された活性部位を維持したと考えられます。
健康
グルカンスクラーゼは、口腔細菌であるミュータンス菌がショ糖を乳酸に代謝することを可能にします。この乳酸は歯の周りのpHを下げ、歯のエナメル質のリン酸カルシウムを溶解し、虫歯を引き起こします。[14]さらに、グルカンの合成は、ミュータンス菌が歯の表面に付着するのを助けます。[15] [16]ポリマーが蓄積すると、より多くの酸産生細菌が歯に留まるのに役立ちます。その結果、グルカンスクラーゼは虫歯を予防するための非常に魅力的な薬物ターゲットです。ミュータンス菌がショ糖を分解してグルカンを合成できなくなると、リン酸カルシウムは分解されず、細菌は歯に簡単に付着できなくなります。
業界
グルカンスクラーゼ酵素を持つ細菌は、産業界でさまざまな用途に広く使用されています。ポリマーのデキストランは、非常に有用なポリマーの代表的な例です。これは、獣医学、分離技術、バイオテクノロジー、食品産業でのゲル化、粘性化、乳化、およびプレバイオティクス、コレステロール低下剤、血漿増量剤などの用途で商業規模で生産されています。[4] [8] [17]
参照
参考文献
- ^ abc 伊藤 K、伊藤 S、島村 T、ウェイアンド S、川原崎 Y、三坂 T、安倍 K、小林 T、キャメロン AD、岩田 S (2011 年 4 月)。 「う蝕病原体ストレプトコッカス・ミュータンス由来のグルカンスクラーゼの結晶構造」。分子生物学ジャーナル。408 (2): 177–86。土井：10.1016/j.jmb.2011.02.028。PMID 21354427。
- ^ abcd van Hijum SA、Kralj S、Ozimek LK、Dijkhuizen L、van Geel-Schutten IG (2006 年 3 月)。 「乳酸菌由来のグルカンスクラーゼ酵素とフルクタンスクラーゼ酵素の構造機能関係」。微生物学と分子生物学のレビュー。70 (1): 157-76。土井：10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006。PMC 1393251。PMID 16524921。
- ^ abcdefgh Vujicic-Zagar A、Pijning T、Kralj S、López CA、Eeuwema W、Dijkhuizen L、他 (2010 年 12 月)。「117 kDa グルカンスクラーゼ断片の結晶構造は、GH70 酵素の進化と生成物特異性についての洞察を提供する」。米国科学 アカデミー紀要。107 ( 50): 21406–11。Bibcode :2010PNAS..10721406V。doi : 10.1073 / pnas.1007531107。PMC 3003066。PMID 21118988。
- ダンカン・ギア (2010-12-07)。「虫歯酵素を特定し、標的とする」。Wired。
- ^ abcde Leemhuis H、Pijning T、Dobruchowska JM、van Leeuwen SS、Kralj S、Dijkstra BW、Dijkhuizen L (2013 年 1 月)。「グルカンスクラーゼ: 3 次元構造、反応、メカニズム、α-グルカン分析、バイオテクノロジーと食品への応用におけるその影響」。Journal of Biotechnology。163 ( 2): 250–72。doi : 10.1016 /j.jbiotec.2012.06.037。PMID 22796091 。
- ^ ab 「グルカンスクラーゼ」。PDB101 : 今月の分子。
- ^ MacGregor EA 、 Jespersen HM、Svensson B (1996 年 1 月)。「グルカン合成グルコシルトランスフェラーゼにおける循環置換アルファアミラーゼ型アルファ/ベータバレル構造」。FEBS Letters。378 ( 3 ): 263–6。Bibcode :1996FEBSL.378..263M。doi :10.1016/0014-5793(95)01428-4。PMID 8557114 。
- ^ Tsumori H, Minami T, Kuramitsu HK (1997年6月). 「Streptococcus mutansグルコシルトランスフェラーゼにおける必須アミノ酸の同定」Journal of Bacteriology . 179 (11): 3391–6. doi :10.1128/jb.179.11.3391-3396.1997. PMC 179127 . PMID 9171379.
- ^ ab Monchois V, Willemot RM, Monsan P (1999年4月). 「グルカンスクラーゼ：作用機序と構造機能関係」. FEMS Microbiology Reviews . 23 (2): 131–51. doi : 10.1111/j.1574-6976.1999.tb00394.x . PMID 10234842.
- ^ van Hijum SA、Kralj S、Ozimek LK、Dijkhuizen L、van Geel-Schutten IG (2006 年 3 月)。 「乳酸菌由来のグルカンスクラーゼ酵素とフルクタンスクラーゼ酵素の構造機能関係」。微生物学と分子生物学のレビュー。70 (1): 157-76。土井：10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006。PMC 1393251。PMID 16524921。
- ^ ロバート JF、ユン SH、ムケルジェ R (2008 年 12 月)。 「デキストランスクラーゼとデキストラン生合成の機構」。炭水化物の研究。343 (18): 3039–48。土井：10.1016/j.carres.2008.09.012。PMID 18922515。
- ^ Jensen MH、Mirza O、Albenne C、Remaud-Simeon M、Monsan P、Gajhede M、Skov LK (2004 年 3 月)。「Neisseria polysaccharea 由来のアミロスクラーゼの共有結合中間体の結晶構造」。生化学。43 (11): 3104–10。doi : 10.1021/bi0357762。PMID 15023061 。
- ^ 「歯科研究者、口内細菌に執着しすぎないように」 2010年12月8日。2010年12月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年2月28日閲覧。
- ^ 「虫歯の治療法を見つける」 2011-05-12.
- ^ Featherstone JD (2008年9月). 「齲蝕：動的な疾患プロセス」.オーストラリア歯科ジャーナル. 53 (3): 286–91. doi :10.1111/j.1834-7819.2008.00064.x. PMID 18782377.
- ^ Baron, S.; Loesche, WJ (1996). 「虫歯と歯周病の微生物学」.医学微生物学. テキサス大学ガルベストン校医学部. ISBN 978-0-9631172-1-2. PMID 21413316。
- ^ Colby SM、McLaughlin RE、Ferretti JJ、Russell RR（1999年2月）。「gtf遺伝子の不活性化がStreptococcus downeiの 付着に及ぼす影響」。口腔微生物学および免疫学。14 （1）：27–32。doi ：10.1034/ j.1399-302x.1999.140103.x。PMID 10204477 。
- ^ Soetaert W、Schwengers D、Buchholz K、 Vandamme EJ (1995 年 1 月)。「単一微生物による広範囲の炭水化物修飾: leuconostoc mesenteroides」。Progress in Biotechnology。第 10 巻。Elsevier。pp. 351–358。doi :10.1016/S0921-0423(06) 80116-4。ISBN 978-0-444-82223-9。