3-ホスホグリセリン酸キナーゼ

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はじめに

ホスホグリセリン酸キナーゼ（PGK）は解糖系における主要酵素であり、あらゆる生物の生存に必須である。PGKは単量体で高い柔軟性を有する解糖系酵素で、基質結合時に顕著なコンフォメーション変化を起こし、最終的に触媒作用を発揮する2つの球状構造ドメインから構成される。一部の細菌細胞では1種類のみが存在する一方、多くの生物では2～3種類のアイソザイムを有する。PGKはすべての生物に存在し、その配列は進化の過程を通じて高度に保存されている。

3-ホスホグリセリン酸キナーゼ

3-ホスホグリセリン酸キナーゼは、1,3-ジホスホグリセリン酸を3-ホスホグリセリン酸へ変換し、ATPを1分子産生する反応を触媒する。これは嫌気的代謝におけるATPの最初の産生段階である。グルコース1分子から1,3-ジホスホグリセリン酸が2分子生成されるため、この過程でグルコース1分子あたりATPを2分子産生し得る。ATPは基質レベルのリン酸化により生成され、基質中の高エネルギーリン酸基からADPへエネルギーが直接移転してATPが形成される。

構造

PGKは多様な生物から単離されている。分子量約45 kDaの典型的なヒンジベンディング型単量体酵素である。本酵素は、深いクレフトで隔てられ、2本のαヘリックス（αヘリックス7および14）で連結された、ほぼ同等の大きさの2つの構造ドメインを形成する折り畳まれたポリペプチド鎖からなり、特徴的な二葉状構造を呈する。N末端およびC末端の両構造ドメインはいずれも、6本の平行βシートをコアとし、その周囲をαヘリックスが取り囲む典型的なロスマンフォールドを有する。βコーナーおよび不規則な構造断片が、βシートとαヘリックスを連結する。両構造ドメインはいずれも基質結合に関与する。

図1. PGKの構造。（Pirela M, et al. 2020）

ヌクレオチドによる調節

PGK活性は、各種生物においてヌクレオチド（AMP、ATP、ADP）により調節されることが報告されている。AMP、ADP、GDP、GMP、IDPおよびIMPの存在下では、ウサギ筋由来PGKが阻害される。阻害様式は混合型であると考えられる。このプリンヌクレオチド介在性の調節は植物でも観察されている。エンドウでは、ATP産生方向における細胞質および葉緑体PGK活性がAMPとATPにより調節される一方、逆方向（ATPを消費する方向）ではAMPとADPを介して調節が生じる。酵母についても、ADPおよびAMPによるPGK阻害が報告されている。明らかに本酵素には2つのヌクレオチド結合部位が存在し、基質であるATP/ADPの結合部位に加え、ヌクレオチド基質とは別個のADP調節部位があると考えられる。AMPも酵素に結合し、おそらく基質ATPと同一部位に結合する。さらに、ADPは競合阻害剤であるのに対し、AMPは3PGA結合に対する非競合阻害剤である。この阻害機構は、酵素の可逆反応の方向性を調節する興味深い仕組みを反映している可能性がある。

ムーンライティングタンパク質としてのPGK

ムーンライティングタンパク質とは、異なるクラスに属する多様なタンパク質の集合であり、生理学的に関連する複数の生化学的または生物物理学的機能を担い得る。現在までに300種以上のムーンライティングタンパク質が同定されている。これらのタンパク質は「生命の樹」全体にわたる生物で発現しており、その一次機能は異なる生化学過程に帰属する。一部のタンパク質は一次機能と二次機能（ムーンライティング）を同時に発揮し、別のものは環境に応じて機能を切り替える。代謝酵素のうち、7つの解糖系酵素がムーンライティングタンパク質として同定されており、その1つがPGKである。さまざまな生物において、解糖系および糖新生における標準的機能に加え、寄生体—宿主関係における役割を含む、多様な細胞プロセスに関与する機能がPGKに帰属している。

図2. PGKのムーンライティング機能。（Pirela M, et al. 2020）

結論

PGKは、古細菌、細菌、真核生物に広く分布する高度に保存された酵素である。主な機能は糖質代謝、特に解糖系および糖新生に関連するが、細胞侵入、血管新生および腫瘍増殖、鞭毛運動性、ウイルス複製、オートファジー誘導、細胞増殖など、さまざまな生物学的プロセスにも関与し得る。