葡萄糖苷酶（生物体糖代谢途径中的水解酶）

酶简介

葡萄糖苷酶是糖苷水解酶（EC 3.2.1）^[1]中的一大类酶，因其可以通过水解葡萄糖苷键并释放出一分子葡萄糖而得名。

来源与分布

葡萄糖苷酶来源广泛，几乎所有以碳水化合物为能源的具有细胞结构的生物体内都有所存在。根据具有糖类活性的酶数据库（Carbohydrate-Active enZYmes Database，CAZy）依据蛋白质晶体结构的同源性与功能的相似性所进行的归类，可将现已发现的糖苷水解酶分为133个糖苷水解酶家族（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与GH122等糖苷水解酶家族中。

分类

根据水解方式分类

根据不同葡萄糖苷酶对寡糖底物的水解方式，可将其分为外切（exo-）葡萄糖苷酶与内切（endo-）葡萄糖苷酶。外切葡萄糖苷酶是指从寡糖底物的一端（还原端或非还原端）进行水解的葡萄糖苷酶，而内切葡萄糖苷酶则是指从寡糖底物的中间部分开始水解的葡萄糖苷酶。

根据水解糖苷键的类型分类

由于葡萄糖苷键的成键方式分为α-型与β-型两种，因此，其所对应的葡萄糖苷酶分别被称为α-葡萄糖苷酶与β-葡萄糖苷酶。

根据CAZy的具体分类，α-葡萄糖苷酶主要分布于GH4、GH13、GH31、GH63、GH97以及GH122六个家族中；而β-葡萄糖苷酶主要分布于GH1、GH3、GH5、GH9、GH17、GH30、GH116等七个家族中。

根据水解前后葡萄糖

分类

根据比较水解前后，被水解掉的葡糖基中异头碳的构型是否发生改变，可将葡萄糖苷酶分为保留型葡萄糖苷酶与翻转型葡萄糖苷酶。前者在水解过程前后，葡糖基的异头碳构型不发生改变；而后者则会使底物异头碳的构型发生翻转。

主要催化机理

保留型酶的“两步法”机制

糖苷水解酶的两步法催化机理

第一步：作为亲核基团的羧基负离子亲核进攻糖苷键上的异头碳，同时作为广义酸碱对的另一个催化羧基上的氢与糖苷键上的氧原子形成氢键，第一次形成含氧碳正离子样过渡态（Oxocarbenium-like transition state）。经过键的形成有断裂，糖基分子的异头碳构型发生第一次翻转，并与亲核羧基形成酯键，生成糖基-酶共价中间体，同时释放出一分子糖配基。

第二步：糖基受体分子的活性羟基氢与发生解离的广义酸碱对羧基离子相互作用，同时受体分子的活性羟基氧亲核进攻糖基-酶共价中间体中糖基分子的异头碳，再次形成含氧碳正离子样过渡态，最终使得异头碳构型发生第二次翻转，并与受体羟基氧形成共价键，完成反应。

翻转型酶的差异

在翻转型葡萄糖苷酶中，由于催化残基与底物之间的距离跟保留型酶的有所不同，导致受体分子从相反的方向进攻异头碳，不发生异头碳的构型的二次翻转，从而生成不同构型的产物。

受体分子决定反应类型

由于葡萄糖苷酶的催化机理，大多数葡萄糖苷酶都具有转糖苷活力。当受体分子为活性水分子时，酶表现出水解酶活力；当受体分子为带有羟基的非水分子时，酶表现出转糖苷活力。

作用

葡萄糖苷酶是生物体内糖代谢途径中的重要成员之一。β-葡萄糖苷酶可以参与纤维素的代谢以及多种生理生化途径，α-葡萄糖苷酶更是直接参与淀粉及糖原的代谢途径。这类酶的功能发生异常会导致出现代谢类的疾病，同时这类酶也是多种药物与抑制剂的作用靶点，用以调节人体内的糖化学代谢。

应用

葡萄糖苷酶因为其特性，主要应用于两个方面

纤维素的水解与利用：主要涉及各种β-葡萄糖苷酶与纤维素水解相关酶类，目的即将难溶的纤维素变为可溶的、易于利用的小分子寡糖。

功能性低聚糖的合成：主要涉及葡萄糖苷酶的转糖苷活力，目的即通过具有转苷活力的葡萄糖苷酶合成功能性低聚葡聚糖、低聚麦芽寡糖、低聚纤维寡糖等可以作为益生元的功能性糖类。