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生化学において、グリコシドヒドロラーゼ（グリコシダーゼまたはグリコシルヒドロラーゼとも呼ばれる）は、複合糖中のグリコシド結合の加水分解を触媒する酵素のクラスである。[ 1 ] [ 2 ]これらは非常に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（例：リゾチーム）、病原性メカニズム（例：ウイルス性ノイラミニダーゼ）、正常な細胞機能（例：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）などの役割を果たしている。グリコシルトランスフェラーゼとともに、グリコシダーゼはグリコシド結合の合成と切断のための主要な触媒機構を形成する。[ 3 ]
グリコシドヒドロラーゼは、生命のほぼすべての領域に存在します。原核生物では、細胞内酵素と細胞外酵素の両方に存在し、主に栄養獲得に関与しています。細菌におけるグリコシドヒドロラーゼの重要な例の一つは、大腸菌のlacオペロンの発現調節に関与するβ-ガラクトシダーゼ（LacZ）です。高等生物では、グリコシドヒドロラーゼ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プロセシングに関与しています。また、リソソーム内には、糖鎖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ヒドロラーゼの欠損は、発達障害や死に至る様々なリソソーム蓄積症を引き起こす可能性があります。グリコシドヒドロラーゼは腸管や唾液中に存在し、乳糖、デンプン、ショ糖、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、グリコシルホスファチジルアンカー酵素として内皮細胞上に存在します。ラクターゼ酵素は乳糖の分解に必要であり、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、成人期に乳糖不耐症につながる可能性があります。[ 4 ] [ 5 ] O-GlcNAcase酵素は、細胞の細胞質および核内のセリンおよびトレオニン残基からN-アセチルグルコサミン基を除去することに関与しています。グリコシドヒドロラーゼは、体内のグリコーゲンの生合成および分解に関与しています。
グリコシドヒドロラーゼは、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。グリコシドヒドロラーゼは、加水分解反応の立体化学的結果に基づいて分類することもできます。つまり、保持酵素または反転酵素に分類できます。[ 6 ]グリコシドヒドロラーゼは、オリゴ糖/多糖鎖の（通常は非還元）末端または中央で作用するかどうかに応じて、エキソ作用型またはエンド作用型に分類することもできます。グリコシドヒドロラーゼは、配列または構造に基づく方法によって分類することもできます。[ 7 ]
配列に基づく分類は、機能が生化学的に証明されていない新規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。配列類似性に基づくグリコシルヒドロラーゼの分類システムにより、100 を超える異なる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 サイトにあります。[ 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、メカニズム (保持/反転)、活性部位残基、および可能性のある基質を確実に予測できます。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「クラン」に分類されています。グリコシダーゼの配列解析と3D構造比較における最近の進歩により、グリコシドヒドロラーゼの拡張階層分類が提案されるようになった。[ 13 ] [ 14 ]
反転酵素は、 β-グルコシダーゼを例に以下に示すように、それぞれ酸と塩基として作用する2つの酵素残基（通常はカルボキシル基）を利用する。反応生成物はC1に軸方向の位置を持つが、自発的な立体配座の変化が生じる場合もある。
保持型グリコシダーゼは2段階のメカニズムで作用し、各段階で反転が起こり、全体として立体化学が保持されます。ここでも2つの残基が関与しており、通常は酵素に結合したカルボキシレートです。一方は求核剤として、もう一方は酸/塩基として作用します。最初の段階では、求核剤がアノマー中心を攻撃し、酸性カルボキシレートによる酸性補助を受けてグリコシル酵素中間体が形成されます。2番目の段階では、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作用し、求核性の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ます。このメカニズムは、ニワトリ卵白リゾチームについて以下に示されています。[ 15 ]
立体化学を保持したまま加水分解を行う別のメカニズムとして、酵素に結合しているのではなく基質に結合した求核性残基を介して反応が進む場合がある。このようなメカニズムは、隣接基関与によって中間体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アセトアミド基を持つ特定のN-アセチルヘキソサミニダーゼによく見られる。このメカニズムは、個々の反転を経て2段階で進行し、最終的に立体配置が保持される。
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変異型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、立体配置が保持される。[ 16 ]
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。例えば、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を主成分とする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。
グリコシドヒドロラーゼは、将来のバイオエコノミーにおけるバイオリファイナリー用途の触媒としてますます重要な役割を果たすと予測されています。[ 17 ]これらの酵素は、植物材料の分解（例えば、セルロースをグルコースに分解するセルラーゼはエタノール生産に使用できます）、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・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ったマイクロファイバーを除去することで色持ちを良くするのに役立ちます。
有機化学において、グリコシドヒドロラーゼは、平衡位置を逆転させる逆加水分解（速度論的アプローチ）または保持型グリコシドヒドロラーゼが活性化グリコシドからアクセプター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生成す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。
グリコシルヒドロラーゼの変異体であるグリコシンターゼは、グリコシルフルオリド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。グリコシンターゼは通常、保持型グリコシドヒドロラーゼの酵素求核基をアラニンやグリシンなどの求核性の低い基に部位特異的変異させることで形成される。チオグリコリガスと呼ばれる別のグループの変異体グリコシドヒドロラーゼは、保持型グリコシドヒドロラーゼの酸塩基残基を部位特異的変異させることで形成される。チオグリコリガスは、活性化グリコシドと様々なチオール含有受容体との縮合を触媒する。
様々なグリコシドヒドロラーゼは、微生物バイオフィルムの細胞外ポリマー物質（EPS）内のマトリックス多糖類を分解するのに有効であることが示されている。[ 18 ]医学的には、バイオフィルムは、感染性微生物に、浮遊性のプランクトン性微生物に比べて、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す。したがって、バイオフィルムを分解すると、抗生物質の有効性が向上し、宿主の免疫機能と治癒能力が強化される可能性がある。例えば、α-アミラーゼとセルラーゼの組み合わせは、 in vitroとin vivoの両方の供給源からの多菌種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る。 [ 19 ]
グリコシドヒドロラーゼの作用を阻害する化合物は数多く知られている。窒素を含む「糖型」複素環化合物は、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、自然界で発見されている。これらの天然のテンプレートから、イソソファゴミンやデオキシガラクトノジリマイシン、PUGNAcなどの様々な不飽和化合物など、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。タンパク質の中にも、グリコシドヒドロラーゼ阻害剤として作用するものがいくつか見つかっている。