アシル-CoAオキシダーゼ

脂肪酸のβ酸化は2-trans-エノイル-CoAを形成します。ペルオキシソーム内のアシル-CoAオキシダーゼ（ACXs）とミトコンドリア内のアシル-CoA脱水素酵素（ACADs）が、図1に示されている制限速度のステップを触媒します。脂肪酸はまず、アシル-CoA合成酵素（ACS）によってチオエステル化により活性化されます。ACXsはFAD補因子と相互作用し、アシル-チオエステルを2-trans-エノイル-CoAに変換するために分子酸素を還元します。ペルオキシソームのマトリックス内で、プロセスから生成されるH₂O₂はカタラーゼ（CAT）によって除去されます。その後、2-trans-エノイル-CoAは多機能タンパク質（MFP）の助けを借りて3-ケトアシル-CoAに変換される2つの連続した酵素反応が行われます。チオラーゼの役割は、アセチル-CoAユニットのチオリティック除去の基質を触媒することです。

図1. 植物における脂肪酸の酸化に必要なペルオキシソームのβ酸化経路の核心。
（スーザン・アレント、他。2008年）

触媒メカニズム

ACXsとACADsは、ペルオキシソームのβ酸化サイクルにおける制限速度のステップを触媒し、触媒グルタミン酸残基を使用して基質のCoA-チオエステルに二重結合α-βを導入します。研究者たちはアシル-CoAのα-β脱水素化を研究してきました。ACXsとACADsは、それぞれ基質を酸化するためにFADに電子を渡し、分子酸素を使用します。脂肪酸とACX4を用いたRnACXの結晶構造に関する最近の研究は、HsVLC-ACADの構造を明らかにしました。この結果は、全体のスーパーファミリーが最初の反応で同じメカニズムを強く使用していることを支持しています。アシル-CoAのα-プロトンのpKaを低下させることにより、触媒塩基は触媒塩基のバックボーン窒素に水素結合し、基質を脱プロトン化のために活性化する可能性があります。一方、酸素原子は触媒塩基とFADの間に挟まれています。FADは補因子をFADHに還元し、触媒塩基へのプロトン移動とともにtrans-2-エノイル-CoA生成物を生成します。一部の細菌ACADは触媒塩基の局在がヘリックスGに入れ替わっていますが、変異および結晶学的研究は、この変化が触媒作用やフラビンに対する触媒塩基の位置に大きな影響を与えないことを示しています。ACXsには同様の特異性は観察されず、すべてがヘリックスJとKの間のループに触媒グルタミン酸を持っているようです。C. elegansの一部のACOX酵素は、脂肪アシル-CoA基質とアスカロシドCoA基質の両方を処理しますが、他のものは特定のアスカロシド-CoA基質のみを処理するために特化しています。

構造

ACXsは約650のアミノ酸残基を含み、異なる種の間でいくつかの違いがあります。ACXsの結晶構造は、米、ラット、人間、アラビドプシス、大豆など多くの種で研究されました。ほとんどの生物に存在する構造的に関連する酵素が多く、脂肪酸CoAチオエステルのC2とC3位置の間に二重結合を触媒できることを示しています。ACXsは、アミノ酸、脂肪酸、トリプトファン、リジンのその後のチオリティック分解に必要な求核攻撃のためにC3位置を活性化する最初のステップ中の偶発的な生成物です。また、ポリケチドの合成にも関与しています。ACXsの全体的な構造は、異なるタイプがいくつかの違いを持っていることを示していますが、各構造は少なくとも3つのドメインで構成されています：螺旋状のN末端ドメイン、中央のβシートドメイン、および螺旋状のC末端ドメインであり、これがACAD様スーパーファミリーを定義します。最小構造では、スーパーファミリー名は哺乳類のミトコンドリア酵素を指します。

基質特異性

二量体ACAD様酵素のアシル-CoA結合ポケットは、活性部位にアシル鎖を持つRnACXおよびHsVLC-ACADの結晶構造で可視化されています。ACXsの基質特異性は、基質相互作用に関する重要な情報を提供する平均的な動的タンパク質システムの静的スナップショットといくつかの関係があります。溶媒にアクセス可能なアシル結合ポケットでは、アシル鎖の長さに制限はないようです。これは、これらの酵素が小さな鎖の基質よりも長い鎖の基質に特化して進化してきたことを意味し、この考えは事実とよく相関しています。しかし、ACX1-3が植物種で均一な基質プロファイルを持たない理由や、SC-CoAが貧弱な基質である理由を説明しないため、いくつかの混乱が依然として存在します。HsVLC-ACADとAtACX1のアシル結合ポケットのサイズと形状の違いは、図2に示されています。JA-CoA生合成中、植物ACX1は非常に重要な役割を果たします。JA-CoA前駆体OPC-8:0-CoAは、アシル-CoAと比較して平坦で大きな基質であり、アシル基質よりも広い結合ポケットを必要とすることが予想されます。AtACX1のポケットは、実際にHsVLC-ACADの結合ポケットよりも広いです（8*12 Å対8*8 Åのチャネル幅）。

図2. アシル-CoA結合ポケット（スーザン・アレント、他。2008年）

参考文献