葡萄糖苷酶

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並釋放出一分子葡萄糖而得名。

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胞結構的生物體內都有所存在。根據具有糖類活性的酶數據庫（Carbohydrate-Active enZYmes Database，CAZy）依據蛋白質晶體結構的同源性與功能的相似性所進行的歸類 ^[2]  ，可將現已發現的糖苷水解酶分為133個糖苷水解酶家族（GH1~GH133），其中，葡萄糖苷酶主要分佈在GH1、GH3、GH4、GH5、GH9、GH13、GH17、GH30、GH31、GH63、GH97、GH116與GH122等糖苷水解酶家族中。

根據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）進行水解的葡萄糖苷酶，而內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。

根據水解糖苷鍵的類型分類

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

根據水解前後葡萄糖分子的構型分類

根據比較水解前後，被水解掉的葡糖基中異頭碳的構型是否發生改變，可將葡萄糖苷酶分為保留型葡萄糖苷酶與翻轉型葡萄糖苷酶。前者在水解過程前後，葡糖基的異頭碳構型不發生改變；而後者則會使底物異頭碳的構型發生翻轉。

大多數葡萄糖苷酶都是保留型葡萄糖苷酶，其催化機理通常都遵循“兩步法”機制。

第一步：作為親核基團的羧基負離子親核進攻糖苷鍵上的異頭碳，同時作為廣義酸鹼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（Oxocarbenium-like transition state）。經過鍵的形成有斷裂，糖基分子的異頭碳構型發生第一次翻轉，並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生解離的廣義酸鹼對羧基離子相互作用，同時受體分子的活性羥基氧親核進攻糖基-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，最終使得異頭碳構型發生第二次翻轉，並與受體羥基氧形成共價鍵，完成反應。

在翻轉型葡萄糖苷酶中，由於催化殘基與底物之間的距離跟保留型酶的有所不同，導致受體分子從相反的方向進攻異頭碳，不發生異頭碳的構型的二次翻轉，從而生成不同構型的產物。

受體分子決定反應類型

由於葡萄糖苷酶的催化機理，大多數葡萄糖苷酶都具有轉糖苷活力。當受體分子為活性水分子時，酶表現出水解酶活力；當受體分子為帶有羥基的非水分子時，酶表現出轉糖苷活力。

葡萄糖苷酶是生物體內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澱粉及糖原的代謝途徑。這類酶的功能發生異常會導致出現代謝類的疾病，同時這類酶也是多種藥物與抑制劑的作用靶點，用以調節人體內的糖化學代謝。

葡萄糖苷酶因為其特性，主要應用於兩個方面

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酶類，目的即將難溶的纖維素變為可溶的、易於利用的小分子寡糖。

功能性低聚糖的合成：主要涉及葡萄糖苷酶的轉糖苷活力，目的即通過具有轉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。