6-ホスホグルコノラクトナーゼ

関連する読書

6-ホスホグルコノラクトナーゼは、ペントースリン酸経路（PPP）の酸化相において、6-ホスホグルコノラクトンを加水分解して6-ホスホグルコン酸へ変換する反応を触媒する細胞質酵素であり、あらゆる生物に存在する。6PGLの三次構造はα/βヒドロラーゼフォールドをとり、活性部位残基はαヘリックスのループ上に集積している。酵素の結晶構造に基づき、本機構は活性部位に存在するヒスチジン残基のプロトン移動に依存すると考えられている。6PGLはδ-6-ホスホグルコノラクトンの加水分解を選択的に触媒し、γ異性体に対しては活性を示さない。

酵素構造

ヒト（Homo sapiens）の6PGLは、細胞質の生理条件下でモノマーとして存在し、258アミノ酸残基から構成され、分子量は約30 kDaである。本酵素の三次構造はα/βヒドロラーゼフォールドにより形成され、平行および逆平行βシート層が、8本のαヘリックスおよび5本の3₁₀ヘリックスにより取り囲まれている。タンパク質三次構造の安定性は、アスパラギン酸残基間の塩橋、ならびに酸性残基とアルギニン残基間の相互作用、さらに芳香族側鎖のスタッキング相互作用によって増強される。

図1. 6-ホスホグルコノラクトナーゼの構造。

作用機序

6PGLによる6-ホスホグルコノラクトンから6-ホスホグルコン酸への加水分解は、キシロースイソメラーゼおよびリボース-5-リン酸イソメラーゼと同様に、O5エポキシ原子へのプロトン移動により進行すると提唱されている。本反応は、水酸化物イオンがC5エステルに求核攻撃することで開始される。続いて四面体中間体が形成され、活性部位のヒスチジン残基からのプロトン供与によりエステル結合の開裂（脱離）が進行する。プロトン移動に関与する特定残基については、先行する構造研究により活性部位で2通りの基質コンフォメーションが想定され、O5エポキシがアルギニンまたはヒスチジン近傍、ならびに酸性残基の近位端に配置され得ることから、2009年まで研究者を悩ませてきた。分子動力学シミュレーションにより、プロトン供与残基はヒスチジンであり、アルギニン残基は負に帯電したリン酸基の電気的安定化にのみ関与することが示された。さらに、酵素—基質複合体の電気的安定化は、生成物のカルボキシラートと周辺グリシン残基の主鎖アミンとの間でも生じる。

機能

6-ホスホグルコノラクトナーゼは、ペントースリン酸経路の酸化相における2つの中間体である6-ホスホグルコノラクトンを6-ホスホグルコン酸へ変換する反応を触媒し、当該経路ではグルコースが5-ホスホリボースへ変換される。ペントースリン酸経路の酸化相では二酸化炭素が放出され、NADP⁺からNADPHが当量で2分子生成される。最終産物であるリボース-5-リン酸は、ペントースリン酸経路の非酸化相においてさらに代謝され、ヌクレオチド、ATP、補酵素Aなどの生体分子合成に利用される。ペントースリン酸経路において6PGLに先行する酵素であるグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼは、6-ホスホグルコノラクトンのδ異性体のみを生成する。しかし、本化合物が蓄積すると、分子内再配列によりより安定なγ型へ異性化し得る。このγ型は6PGLにより加水分解されず、ペントースリン酸経路の非酸化相へ進行できない。6PGLがδ-6-ホスホグルコノラクトンを迅速に加水分解することで、その蓄積およびそれに続くγ異性体の形成を抑制でき、細胞が利用可能なグルコース資源の浪費を防ぐ。さらに、6-ホスホグルコノラクトンは細胞内求核種による攻撃を受けやすく、このことは大腸菌（E. coli）で発現させたHisタグタンパク質におけるα-N-6-ホスホグルコン酸化反応で確認されている。6PGLによる6-ホスホグルコノラクトンの効率的な加水分解は、ラクトンの蓄積ならびにラクトン中間体と細胞成分との間で生じ得る有害反応を抑制し得る。

臨床的意義

Plasmodium bergheiおよびPlasmodium falciparumが、グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ活性と6-ホスホグルコノラクトナーゼ活性の双方を有する二機能性酵素を発現し、これによりペントースリン酸経路の上流2段階を触媒可能であることが示されている。この二機能性酵素はマラリア原虫に対する治療標的として同定されており、低分子阻害剤のハイスループットスクリーニングにより、有効な抗マラリア薬へ展開し得る新規化合物が見出されている。