葡萄糖苷酶（生物體糖代謝途徑中的水解酶）

酶簡介

葡萄糖苷酶是糖苷水解酶（EC 3.2.1）^[1]中的一大類酶，因其可以通過水解葡萄糖苷鍵并釋放出一分子葡萄糖而得名。

來源與分布

葡萄糖苷酶來源廣泛，幾乎所有以碳水化合物為能源的具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物體內(nèi)都有所存在。根據(jù)具有糖類活性的酶數(shù)據(jù)庫（Carbohydrate-Active enZYmes Database，CAZy）依據(jù)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的同源性與功能的相似性所進(jìn)行的歸類，可將現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的糖苷水解酶分為133個糖苷水解酶家族（GH1~GH133），其中，葡萄糖苷酶主要分布在GH1、GH3、GH4、GH5、GH9、GH13、GH17、GH30、GH31、GH63、GH97、GH116與GH122等糖苷水解酶家族中。

分類

根據(jù)水解方式分類

根據(jù)不同葡萄糖苷酶對寡糖底物的水解方式，可將其分為外切（exo-）葡萄糖苷酶與內(nèi)切（endo-）葡萄糖苷酶。外切葡萄糖苷酶是指從寡糖底物的一端（還原端或非還原端）進(jìn)行水解的葡萄糖苷酶，而內(nèi)切葡萄糖苷酶則是指從寡糖底物的中間部分開始水解的葡萄糖苷酶。

根據(jù)水解糖苷鍵的類型分類

由于葡萄糖苷鍵的成鍵方式分為α-型與β-型兩種，因此，其所對應(yīng)的葡萄糖苷酶分別被稱為α-葡萄糖苷酶與β-葡萄糖苷酶。

根據(jù)CAZy的具體分類，α-葡萄糖苷酶主要分布于GH4、GH13、GH31、GH63、GH97以及GH122六個家族中；而β-葡萄糖苷酶主要分布于GH1、GH3、GH5、GH9、GH17、GH30、GH116等七個家族中。

根據(jù)水解前后葡萄糖

分類

根據(jù)比較水解前后，被水解掉的葡糖基中異頭碳的構(gòu)型是否發(fā)生改變，可將葡萄糖苷酶分為保留型葡萄糖苷酶與翻轉(zhuǎn)型葡萄糖苷酶。前者在水解過程前后，葡糖基的異頭碳構(gòu)型不發(fā)生改變；而后者則會使底物異頭碳的構(gòu)型發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

主要催化機理

保留型酶的“兩步法”機制

糖苷水解酶的兩步法催化機理

第一步：作為親核基團(tuán)的羧基負(fù)離子親核進(jìn)攻糖苷鍵上的異頭碳，同時作為廣義酸堿對的另一個催化羧基上的氫與糖苷鍵上的氧原子形成氫鍵，第一次形成含氧碳正離子樣過渡態(tài)（Oxocarbenium-like transition state）。經(jīng)過鍵的形成有斷裂，糖基分子的異頭碳構(gòu)型發(fā)生第一次翻轉(zhuǎn)，并與親核羧基形成酯鍵，生成糖基-酶共價中間體，同時釋放出一分子糖配基。

第二步：糖基受體分子的活性羥基氫與發(fā)生解離的廣義酸堿對羧基離子相互作用，同時受體分子的活性羥基氧親核進(jìn)攻糖基-酶共價中間體中糖基分子的異頭碳，再次形成含氧碳正離子樣過渡態(tài)，最終使得異頭碳構(gòu)型發(fā)生第二次翻轉(zhuǎn)，并與受體羥基氧形成共價鍵，完成反應(yīng)。

翻轉(zhuǎn)型酶的差異

在翻轉(zhuǎn)型葡萄糖苷酶中，由于催化殘基與底物之間的距離跟保留型酶的有所不同，導(dǎo)致受體分子從相反的方向進(jìn)攻異頭碳，不發(fā)生異頭碳的構(gòu)型的二次翻轉(zhuǎn)，從而生成不同構(gòu)型的產(chǎn)物。

受體分子決定反應(yīng)類型

由于葡萄糖苷酶的催化機理，大多數(shù)葡萄糖苷酶都具有轉(zhuǎn)糖苷活力。當(dāng)受體分子為活性水分子時，酶表現(xiàn)出水解酶活力；當(dāng)受體分子為帶有羥基的非水分子時，酶表現(xiàn)出轉(zhuǎn)糖苷活力。

作用

葡萄糖苷酶是生物體內(nèi)糖代謝途徑中的重要成員之一。β-葡萄糖苷酶可以參與纖維素的代謝以及多種生理生化途徑，α-葡萄糖苷酶更是直接參與淀粉及糖原的代謝途徑。這類酶的功能發(fā)生異常會導(dǎo)致出現(xiàn)代謝類的疾病，同時這類酶也是多種藥物與抑制劑的作用靶點，用以調(diào)節(jié)人體內(nèi)的糖化學(xué)代謝。

應(yīng)用

葡萄糖苷酶因為其特性，主要應(yīng)用于兩個方面

纖維素的水解與利用：主要涉及各種β-葡萄糖苷酶與纖維素水解相關(guān)酶類，目的即將難溶的纖維素變?yōu)榭扇艿?、易于利用的小分子寡糖?/p>

功能性低聚糖的合成：主要涉及葡萄糖苷酶的轉(zhuǎn)糖苷活力，目的即通過具有轉(zhuǎn)苷活力的葡萄糖苷酶合成功能性低聚葡聚糖、低聚麥芽寡糖、低聚纖維寡糖等可以作為益生元的功能性糖類。