グリコシド加水分解酵素

生化学において、グリコシド加水分解酵素（グリコシダーゼまたはグリコシル加水分解酵素とも呼ばれる）は、複合糖質のグリコシド結合の加水分解を触媒する酵素の一種である。^[1]^[2]これらは極めて一般的な酵素であり、自然界では、セルロース（セルラーゼ）、ヘミセルロース、デンプン（アミラーゼ）などのバイオマスの分解、抗菌防御戦略（リゾチームなど）、病原性メカニズム（ウイルスノイラミニダーゼなど）、正常な細胞機能（ N 結合型糖タンパク質生合成に関与するトリミングマンノシダーゼなど）などで役割を果たしている。グリコシダーゼは、グリコシルトランスフェラーゼとともに、グリコシド結合の合成と切断の主要な触媒機構を形成している。^[3]

発生と重要性

グリコシド加水分解酵素は、基本的に生命のあらゆる領域に存在します。原核生物では、細胞内酵素と細胞外酵素の両方として存在し、主に栄養素の獲得に関与しています。細菌におけるグリコシド加水分解酵素の重要な存在の 1 つは、大腸菌のlacオペロンの発現の調節に関与する酵素、β-ガラクトシダーゼ(LacZ) です。高等生物では、グリコシド加水分解酵素は小胞体とゴルジ体内に存在し、N 結合型糖タンパク質の処理に関与しています。また、リソソームでは炭水化物構造の分解に関与する酵素として存在します。特定のリソソームグリコシド加水分解酵素の欠損は、さまざまなリソソーム蓄積障害を引き起こし、発達障害や死につながる可能性があります。グリコシド加水分解酵素は腸管と唾液に存在し、ラクトース、デンプン、スクロース、トレハロースなどの複合炭水化物を分解します。腸管では、内皮細胞上にグリコシルホスファチジルアルコールアンカー酵素として存在します。ラクターゼという酵素は乳糖のラクトース分解に必要であり、乳児では高濃度で存在しますが、ほとんどの集団では離乳後または乳児期に減少し、成人期にラクトース不耐症を引き起こす可能性があります。 ^[4]^{[5] O-GlcNAcaseという酵素は、細胞の細胞質と核にあるセリンとスレオニン残基からN-アセチルグルコサミン基を除去するのに関与しています。グリコシド加水分解酵素は、体内での}グリコーゲンの生合成と分解に関与しています。

分類

グリコシド加水分解酵素は、O-またはS-グリコシドの加水分解を触媒する酵素としてEC 3.2.1に分類されます。グリコシド加水分解酵素は、加水分解反応の立体化学的結果によっても分類できます。つまり、保持酵素または反転酵素として分類できます。^[6]グリコシド加水分解酵素は、オリゴ/多糖鎖の（通常は非還元）末端で作用するか、中央で作用するかによって、エキソまたはエンド活性として分類することもできます。グリコシド加水分解酵素は、配列または構造に基づく方法で分類することもできます。^[7]

シーケンスベースの分類

配列に基づく分類は、生化学的に機能が実証されていない、新たに配列決定された酵素の機能を示唆する最も強力な予測方法の 1 つです。配列の類似性に基づくグリコシル加水分解酵素の分類システムにより、100 を超えるさまざまなファミリーが定義されました。^[8]^[9]^[10]この分類は、CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes) Web サイトで利用できます。^[7]^[11]このデータベースは、定期的に更新される一連の配列に基づく分類を提供しており、メカニズム (保持/反転)、活性部位残基、および可能な基質の信頼性の高い予測が可能です。オンラインデータベースは、炭水化物活性酵素のオンライン百科事典である CAZypedia によってサポートされています。^[12] 3 次元構造の類似性に基づいて、配列に基づくファミリーは、関連する構造の「氏族」に分類されています。グリコシダーゼ配列分析と 3D 構造比較の最近の進歩により、グリコシド加水分解酵素の拡張された階層的分類が提案されました。^[13]^[14]

メカニズム

反転グリコシド加水分解酵素

転化酵素は、典型的にはカルボキシレート残基である2つの酵素残基を利用し、それぞれ酸と塩基として作用します（ β-グルコシダーゼの場合、下図参照）。反応生成物はC1の軸方向に位置しますが、自発的な構造変化が現れることがあります。

グリコシド加水分解酵素の保持

保持型グリコシダーゼは2段階の機構で機能し、各段階で反転が起こり、最終的に立体化学が保持される。ここでも2つの残基が関与し、通常は酵素が持つカルボキシレートである。1つは求核剤として、もう1つは酸/塩基として働く。第1段階では、求核剤がアノマー中心を攻撃し、酸性カルボキシレートの酸性補助を受けてグリコシル酵素中間体が形成される。第2段階では、脱プロトン化された酸性カルボキシレートが塩基として働き、求核水がグリコシル酵素中間体を加水分解するのを助け、加水分解生成物を与える。この機構は、鶏卵白リゾチームについて以下に図示されている。^[15]

立体化学を保持した加水分解の別のメカニズムとして、酵素に付着するのではなく、基質に結合した求核残基を介して進行するものがあります。このようなメカニズムは、アセトアミド基を持ち、隣接基に関与して中間体のオキサゾリンまたはオキサゾリニウムイオンを形成できる特定の N-アセチルヘキソサミニダーゼによく見られます。このメカニズムは、個々の反転を通じて 2 段階で進行し、最終的に配置が保持されます。

エンド-α-マンナナーゼでは、2-ヒドロキシル基が関与して中間体エポキシドを形成するという、別の隣接基関与機構が報告されている。エポキシドの加水分解により、配置はそのまま保持される。^[16]

命名法と例

グリコシド加水分解酵素は、通常、作用する基質にちなんで命名されます。したがって、グルコシダーゼはグルコシドの加水分解を触媒し、キシラナーゼはキシロースベースのホモポリマーであるキシランの切断を触媒します。その他の例としては、ラクターゼ、アミラーゼ、キチナーゼ、スクラーゼ、マルターゼ、ノイラミニダーゼ、インベルターゼ、ヒアルロニダーゼ、リゾチームなどがあります。

用途

グリコシド加水分解酵素は、将来のバイオエコノミーにおけるバイオ精製用途の触媒としての役割が拡大すると予測されています。^{[17]これらの酵素は、植物材料の分解（例：セルロースを}エタノール生産に使用できるグルコースに分解するセルラーゼ）、食品産業（転化糖の製造のためのインベルターゼ、マルトデキストリンの製造のためのアミラーゼ）、製紙およびパルプ産業（紙パルプからヘミセルロースを除去するキシラナーゼ）など、さまざまな用途があります。セルラーゼは綿織物の洗濯用洗剤に添加され、着用中に糸の表面から浮き上がるマイクロファイバーを除去することで色の維持に役立ちます。

有機化学では、グリコシド加水分解酵素は、平衡位置が逆転する逆加水分解（速度論的アプローチ）または保持グリコシド加水分解酵素が活性化グリコシドから受容体アルコールへのグリコシル部分の転移を触媒して新しいグリコシドを与えることができるトランスグリコシル化（速度論的アプローチ）のいずれかによってグリコシド結合を形成するための合成触媒として使用できます。

グリコシンターゼと呼ばれる変異グリコシド加水分解酵素が開発され、グリコシルフッ化物などの活性化グリコシル供与体から高収率でグリコシドを合成できるようになりました。グリコシンターゼは、通常、保持グリコシド加水分解酵素から、酵素求核剤をアラニンやグリシンなどの他の求核性の低い基に部位特異的変異誘発することで形成されます。チオグリコリガーゼと呼ばれる変異グリコシド加水分解酵素の別のグループは、保持グリコシド加水分解酵素の酸塩基残基の部位特異的変異誘発によって形成されます。チオグリコリガーゼは、活性化グリコシドとさまざまなチオール含有受容体の縮合を触媒します。

さまざまなグリコシド加水分解酵素が、微生物バイオフィルムの細胞外高分子物質（EPS）内のマトリックス多糖類を分解する効果があることが示されています。^[18]医学的には、バイオフィルムは感染性微生物に、浮遊性プランクトンに比べて抗菌剤や宿主免疫系に対する耐性が大幅に向上するなど、さまざまな利点をもたらします。したがって、バイオフィルムを分解すると、抗生物質の効力が高まり、宿主の免疫機能と治癒力が強化される可能性があります。たとえば、アルファアミラーゼとセルラーゼの組み合わせは、 in vitroとin vivo の両方のソースからの多菌性細菌バイオフィルムを分解し、それらに対する抗生物質の有効性を高めることが示されています。^[19]

阻害剤

グリコシド加水分解酵素の作用を阻害する働きを持つ化合物は数多く知られている。デオキシノジリマイシン、スワインソニン、オーストラリン、カスタノスペルミンなど、窒素含有の「糖型」複素環が自然界で発見されている。これらの天然テンプレートから、イソファゴミンやデオキシガラクトノジリマイシン、PUGNAcなどのさまざまな不飽和化合物など、他の多くの阻害剤が開発されている。臨床で使用されている阻害剤には、抗糖尿病薬のアカルボースやミグリトール、抗ウイルス薬のオセルタミビルやザナミビルなどがある。いくつかのタンパク質はグリコシド加水分解酵素阻害剤として働くことがわかっている。

参照

ムコ多糖症
グルコシダーゼ
リゾチーム
グリコシルトランスフェラーゼ
グリコシド加水分解酵素ファミリーの一覧
グリコシド加水分解酵素のグループ
TIMバレル型グリコシド加水分解酵素の階層的分類

参考文献

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外部リンク

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炭水化物活性酵素データベース
ExPASy 分類 2011-04-30 にWayback Machineでアーカイブされました
米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)のグリコシド + 加水分解酵素

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