β-Glucosidase

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β-Glucosidase (β-D-Glucosidase, EC3.2.1.21), auch bekannt als β-D-Glucosidase Glucohydrolase, alias Gentiobiase, Cellobiase (Cellobias, CB oder β-G) und Amygdalase. Es gehört zur Klasse der Cellulasen und ist ein wichtiger Bestandteil des cellulolytischen Enzymsystems. Es kann die nicht-reduzierende β-D-Glucose-Bindung, die an das Terminal gebunden ist, hydrolysieren und gleichzeitig β-D-Glucose und den entsprechenden Liganden freisetzen.

Abbildung 1. Enzymstruktur von β-Glucosidase.

Quelle

1837 entdeckten Liebig und Wohler erstmals β-Glucosidase im Bittermandel-Saft. Das Enzym ist in der Natur weit verbreitet, insbesondere in Pflanzensamen und Mikroorganismen. Es kommt auch bei Tieren und Pilzen vor. Die pflanzlichen Quellen von β-Glucosidase sind Ginseng, Sojabohnen usw.; es gibt viele Berichte über mikrobielle Quellen, wie Flavobacterium meningosepticum, Flavobacterium johnsonae usw., eukaryotische Quellen.

Klassifikationen

• Nach der Hydrolysemethode

Je nach der Art, wie verschiedene Glucosidasen das Oligosaccharid-Substrat hydrolysieren, kann es in Exo-Glucosidase und Endo-Glucosidase unterteilt werden. Exo-Glucosidase bezieht sich auf die Glucosidase, die von einem Ende (reduzierendes oder nicht-reduzierendes Ende) des Oligosaccharid-Substrats hydrolysiert, während Endo-Glucosidase sich auf die Glucosidase bezieht, die aus dem mittleren Teil des Oligosaccharid-Substrats hydrolysiert.

• Nach der Art der hydrolysierten glykosidischen Bindung

Da die glykosidische Bindung in zwei Typen unterteilt ist: α-Typ und β-Typ, wird die entsprechende Glucosidase als α-Glucosidase bzw. β-Glucosidase bezeichnet.

Nach der spezifischen Klassifikation von CAZy ist α-Glucosidase hauptsächlich in den sechs Familien GH4, GH13, GH31, GH63, GH97 und GH122 verteilt; während β-Glucosidase hauptsächlich in GH1, GH3, GH5, GH9, GH17, GH30, GH116 und anderen sieben Familien verteilt ist.

• Klassifikation nach der Konfiguration der Glucose-Moleküle vor und nach der Hydrolyse

Nach dem Vergleich, ob sich die Konfiguration des anomeren Kohlenstoffs in der hydrolysierten Glucosylgruppe vor und nach der Hydrolyse geändert hat, kann die Glucosidase in Retentions-Glucosidase und Flip-Glucosidase unterteilt werden. Erstere ändert die Konfiguration des anomeren Kohlenstoffs der Glucosylgruppe vor und nach dem Hydrolyseprozess nicht; während letztere die Konfiguration des anomeren Kohlenstoffs des Substrats umkehrt.

Katalytischer Mechanismus

Die meisten Glucosidasen sind Retentions-Glucosidasen, und ihr katalytischer Mechanismus folgt normalerweise dem "Zwei-Schritte"-Mechanismus.

Schritt 1: Das Carboxyl-Anion als nucleophile Gruppe greift nucleophil den anomeren Kohlenstoff der glykosidischen Bindung an, und gleichzeitig katalysiert es als ein weiteres verallgemeinertes Säure-Base-Paar die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen dem Wasserstoff der Carboxylgruppe und dem Sauerstoffatom der glykosidischen Bindung. Die Bildung eines oxocarbenium-ähnlichen Übergangszustands (oxocarbenium-ähnlicher Übergangszustand). Nach der Bildung und dem Brechen der Bindung wird die anomere Kohlenstoffkonfiguration des Glucosylmoleküls zum ersten Mal umgekehrt und bildet eine Esterbindung mit der nucleophilen Carboxylgruppe, um ein Glucosyl-Enzym-kovalentes Zwischenprodukt zu erzeugen, und gleichzeitig wird ein Molekül Glycosid freigesetzt.

Schritt 2: Das aktive Hydroxyl-Wasserstoff des Glucosyl-Akzeptormoleküls interagiert mit dem dissoziierten verallgemeinerten Säure-Base-Paar Carboxylion, und das aktive Hydroxyl-Sauerstoff des Akzeptormoleküls greift nucleophil den anomeren Kohlenstoff des Glucosylmoleküls im Glucosyl-Enzym-kovalenten Zwischenprodukt erneut an und bildet einen sauerstoffhaltigen Carbocation-ähnlichen Übergangszustand, und schließlich wird die Konfiguration des anomeren Kohlenstoffs zum zweiten Mal umgekehrt und bildet eine kovalente Bindung mit dem Hydroxyl-Sauerstoff des Akzeptors, um die Reaktion abzuschließen.

Funktionen

Glucosidase ist eines der wichtigen Mitglieder im Kohlenhydratstoffwechselweg in Organismen. β-Glucosidase kann am Stoffwechsel von Cellulose und einer Vielzahl von physiologischen und biochemischen Wegen teilnehmen, und α-Glucosidase ist direkt an den Stoffwechselwegen von Stärke und Glykogen beteiligt. Abnormale Funktionen dieser Enzyme können zu Stoffwechselerkrankungen führen. Gleichzeitig sind diese Enzyme auch Ziel für verschiedene Medikamente und Inhibitoren, um den chemischen Stoffwechsel von Zucker im menschlichen Körper zu regulieren.

Anwendungen

• Die Hydrolyse und Nutzung von Cellulose: Es betrifft hauptsächlich verschiedene β-Glucosidasen und mit der Cellulose-Hydrolyse verwandte Enzyme, mit dem Ziel, unlösliche Cellulose in lösliche und leicht verwendbare kleine molekulare Oligosaccharide umzuwandeln.
• Synthese von funktionellen Oligosacchariden: betrifft hauptsächlich die Transglycosidase-Aktivität von Glucosidase, mit dem Ziel, funktionelle Oligoglucane, Oligomalto-Oligosaccharide, Oligo-Cellulo-Oligosaccharide usw. durch Glucosidase mit Transglycosidase-Aktivität zu synthetisieren. Sie können als funktioneller Zucker für Präbiotika verwendet werden.