Cellobiase

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Einleitung

Cellobiase, auch als β-Glucosidase bekannt, kann Cellobiose hydrolysieren und dabei zwei Glucosemoleküle freisetzen. Darüber hinaus fördert sie maßgeblich die Hydrolyse durch Endoglucanasen und Exoglucanasen, beschleunigt damit die Gesamtreaktion des cellulolytischen Enzymsystems und unterstützt eine vollständigere Cellulosehydrolyse. Cellobiase gehört zur Enzymklasse der Cellulasen und ist ein wesentlicher Bestandteil der cellulolytischen Enzymfamilie. Sie ist in der Lage, die β-D-Glucosidbindung am terminalen nichtreduzierenden Ende zu spalten und dabei β-D-Glucose sowie den entsprechenden Liganden freizusetzen.

Abbildung 1. Struktur der Cellobiase.

Struktur

Cellobiase besteht aus zwei Polypeptidketten. Jede Kette umfasst 438 Aminosäuren und bildet eine Untereinheit des Enzyms. Jede dieser Untereinheiten enthält ein aktives Zentrum. Das aktive Zentrum weist drei potenzielle Strukturelemente auf: Taschen (pockets), Spalten (clefts) und Tunnel. Die Taschenstruktur erleichtert die Erkennung von Monosacchariden wie Glucose. Die Spalte ermöglicht die Bindung von Zuckern zur Bildung von Polysacchariden. Die Tunnel erlauben es dem Enzym, an das Polysaccharid zu binden und anschließend das Reaktionsprodukt freizusetzen, während es weiterhin an den Zucker gebunden bleibt.

Screening auf β-Glucosidase-Inhibitoren

Cellobiasen sind an der Pathogenese verschiedener Erkrankungen beteiligt, darunter Diabetes, AIDS, metastasierender Krebs und lysosomale Speicherkrankheiten. Daher kann das Screening auf wirksame β-Glucosidase-Inhibitoren nicht nur durch die Blockade spezifischer Stoffwechselprozesse zentrale Enzymfunktionen in biologischen Systemen aufklären, sondern auch vielversprechende therapeutische Ansätze für die Behandlung entsprechender Erkrankungen liefern. Cellobiase-Inhibitoren werden anhand des Ausmaßes der Hemmung der β-Glucosidase-katalysierten Substrathydrolyse durch inhibitorische Faktoren identifiziert.

Funktion

Die Funktion der Cellobiase besteht in der Hydrolyse verschiedener Glycoside und Oligosaccharide. Die wichtigsten Oligosaccharid-β-Glucosidasen reagieren mit Cellulose. Cellobiase ist für viele Organismen erforderlich, um eine doppelte Substitutionsreaktion abzuschließen; dabei liegt das Enzym als Zwischenform vor, wenn das erste Substrat in das aktive Zentrum eintritt, setzt anschließend das Produkt frei, bevor das zweite Substrat bindet, und kehrt am Ende der Reaktion in seine Ausgangsform zurück. Im Fall der β-Glucosidase umfasst das aktive Zentrum zwei Carbonsäurereste und wirkt auf Glucoside, Cellobiose, Cellotriose und Cellotetrasaccharid. Ziel der Reaktion ist es, während der Hydrolyse von Biomasse Reste aus dem Disaccharid Cellobiose zu entfernen, um Glucose zu erzeugen. Abhängig von der Reaktion des Enzyms mit dem Endprodukt entstehen ein oder zwei Glucosemoleküle.

Cellobiase-Assay

• Spektrophotometrische Methode

Die meisten anorganischen Verbindungen, organischen Verbindungen und Proteine weisen eine charakteristische Lichtabsorption im violetten oder sichtbaren Bereich auf oder können in bestimmte Derivate mit spezifischer Absorption überführt werden.

• Fluoreszenzmethode

Die Fluoreszenzmethode beschreibt die Umwandlung bestimmter Moleküle vom Grundzustand in den angeregten Zustand nach Energieaufnahme durch externe Strahlung sowie die Emission von Licht, wenn das angeregte Molekül in den Grundzustand zurückkehrt.

• Elektrochemische Methoden

Da die durch Cellobiase katalysierte Substrathydrolyse in der Regel Glucosemoleküle erzeugt, bietet die elektrochemische Methode Vorteile hinsichtlich höherer Richtigkeit, Präzision, Reproduzierbarkeit, Stabilität, Langlebigkeit und Selektivität.

• Reagenzkit-Methode

Die bei der cellobiasekatalysierten Substrathydrolyse gebildete Glucose kann mithilfe eines kommerziellen Glucose-Kits quantifiziert werden. Auf Basis des Glucosegehalts wird die Aktivität der Cellobiase in der zu prüfenden Probe charakterisiert.

Schlussfolgerungen

Cellobiasen finden wichtige Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, bei Biokraftstoffen und in der medizinischen Diagnostik. Wir haben die gängigen Methoden zur Bestimmung der Cellobiase-Aktivität sowie Struktur und Funktion beschrieben. Da Cellobiasen sowohl in primären als auch in sekundären Stoffwechselaktivitäten von Organismen eine wichtige Rolle spielen, ist es entscheidend, die Auswirkungen von Cellobiasen auf Lebensvorgänge und verschiedene physiologische Funktionen weiter zu analysieren.