ウレアーゼ

ウレアーゼ (EC 3.5.1.5) は加水分解酵素に属し、アミド加水分解酵素およびリン酸トリエステラーゼのスーパーファミリーの一員です。ウレアーゼの系統名はウレアアミド加水分解酵素で、ニッケルを含む酵素です。ウレアーゼは金属酵素であり、植物、真菌、細菌に見られますが、動物には見られません。ウレアーゼは活性部位に二つのNi²⁺イオンを持ち、尿素の加水分解を触媒してアンモニアとカルバメートを生成します。ウレアーゼは生化学において二つの重要な歴史的意義を持っています。第一に、ウレアーゼの結晶化は酵素のタンパク質性質を示しました。第二に、ニッケルの生物学的意義が認識されました。

構造

X線結晶構造解析の研究により、植物と細菌のウレアーゼは共通の三量体構造を持つことが示されていますが、モノマーまたは機能単位を形成するポリペプチド鎖の数は異なります。植物および真菌のウレアーゼの機能単位は単一のポリペプチド鎖 (α) であり、細菌のウレアーゼの機能単位は二つ (αおよびβ、ヘリコバクターにのみ見られる) または三つ (α、βおよびγ) のポリペプチド鎖で構成されています。植物のウレアーゼの最も豊富な構造は三量体の二量体 (α₃)₂ であり、いくつかの植物および真菌のウレアーゼは二量体/三量体/四量体です。細菌のウレアーゼは三量体 (αβγ)3 であり、ヘリコバクター・ピロリのウレアーゼは二量体の三量体の四量体 ([αβ]₃)₄ です。前核ウレアーゼの小さなサブユニットのアミノ酸配列は、真核生物のウレアーゼの単一鎖の対応する領域と共線状です。

図 1. ウレアーゼの構造。 (Kappaun K. 2018)

触媒メカニズム

ウレアーゼの活性部位は二つのニッケル原子、一つのカルバミル化リジン、四つのヒスチジンおよび一つのアスパラギン酸残基で構成されています。カルバミル化リジンの橋は二つのニッケル原子を接続し、Ni(1) は二つのヒスチジンによって配位され、Ni(2) は他の二つのヒスチジンと一つのアスパラギン酸残基によって配位されています。水酸化物イオンの橋は二つのNi原子を接続し、他の三つの末端水分子と共に活性部位に水の水素結合した四面体クラスターを形成します。触媒反応中、尿素はまず活性部位の三つの水分子を置き換え、その後、炭素酸素を介してNi(1)と結合し、尿素の炭素をより電気親和性にし、求核攻撃に対してより感受性を高めます。尿素は次にそのアミノ窒素原子を介してNi(2)と結合し、ウレアーゼとの二座配位結合を形成します。この結合は、水分子によるカルボニル炭素の求核攻撃を促進し、NH₃とカルバメートが放出される四面体中間体を形成します。

図 2. ウレアーゼの触媒メカニズム。 (Kappaun K. 2018)

ウレアーゼの活性化

ウレアリティック活性を達成するためには、ウレアーゼの活性部位にニッケルイオンを挿入する必要があり、またリジン残基のカルバモイル化も必要です。細菌では、四つの補助タンパク質 (UreD、UreF、UreGおよびUreE) がウレアーゼの活性金属中心の組み立てに関与しています。ウレアーゼの活性化は、最初のタンパク質であるUreDがアポウレアーゼオリゴマーに結合し、活性化複合体の形成の足場となることから始まります。次に、UreFが (UreABC–UreD)₃ に結合し、GTPase活性化タンパク質として機能します。最後に、UreGの結合が複合体の形成を完了します。UreGは本質的に無秩序な酵素で、ウレアーゼの成熟プロセスにエネルギーを供給するGTPaseとして機能します。GTPが加水分解されると、ニッケル結合シャペロンUreEが (UreABC–UreD)₃ に金属イオンを供給します。この活性化モデルは、ウレアーゼ補助タンパク質の構造情報の増加に伴い、さらに改善されました。新しい活性化モデルでは、UreEがNi²⁺と結合し、アポ-UreGに結合してUreGによるGTPの取り込みを促進し、Ni²⁺がUreEからUreGに移動します。(UreDF)₂ 複合体は次に、Ni²⁺-UreGのためにUreEと競合し、スーパー複合体アポウレアーゼ/Ni²⁺-(UreDFG)₂ を形成します。最後に、KHCO₃/NH₄HCO₃ がUreGによるGTPの加水分解を触媒し、ウレアーゼの活性化を完了します。

ウレアーゼの阻害剤

ウレアーゼの阻害剤を研究する主な目的は二つあります。一つは触媒部位がどのように機能するかを理解すること、もう一つは特定の状況でウレアーゼによる尿素の加水分解を相殺する効果的な阻害剤を見つけることです。ウレアーゼには、硫黄化合物、ヒドロキサミン、リン酸化合物、フッ化物、キノンおよびポリフェノールなど、さまざまな阻害剤があります。チオールは競争的にウレアーゼを阻害します。アセトヒドロキサミン酸は、尿路結石を減少させ、尿路感染を治療するために使用できるウレアーゼの遅い結合競争的阻害剤です。リン酸およびリン酸チオエステルの誘導体はウレアーゼの強力な阻害剤です。リン酸はpH依存性のウレアーゼ競争的阻害剤で、pH範囲は5.0-8.0ですが、pH値が7.5-8.0を超えると無視できるほどです。フッ化物もpH感受性の阻害剤です。キノンに関する研究は、一般的な遅い結合濃度依存メカニズムを示しました。キノンは、活性部位の保存されたシステイン残基の共有結合修飾によってウレアーゼを阻害し、またそのチオール基のアリル化および酸化によっても阻害します。

応用

ウレアーゼは微生物が尿素を唯一の窒素源として利用できるようにします。ウレアーゼの合成は構成的であるか、または低環境pHに対抗するための細菌のストレス関連応答として合成されます。ヒト腸内微生物叢のウレアーゼは、体内で生成されるすべての尿素の最大30%を加水分解します。微生物ウレアーゼは歯の健康にも重要です。口腔微生物ウレアーゼによる唾液中の尿素の分解によって生成されるアルカリは、虫歯やプラークの形成を抑制することができます。反芻動物では、動物由来の尿素が前胃で細菌ウレアーゼによって分解され、アンモニアが反芻微生物叢の窒素源として放出され、これが動物にバイオマスとして供給されます。

参考文献