6-ホスホグルコンラクトナーゼ

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6-ホスホグルコンラクトナーゼは、ペントースリン酸経路の酸化段階において6-ホスホグルコンラクトンを6-ホスホグルコン酸に加水分解する反応を触媒し、すべての生物に存在する細胞質酵素です。6PGLの三次構造はα/βヒドロラーゼによって折りたたまれ、活性部位の残基はαヘリックスのループに集まっています。酵素の結晶構造によれば、このメカニズムは活性部位のヒスチジン残基のプロトン移動に依存していると考えられています。6PGLはδ-6-ホスホグルコンラクトンの加水分解を選択的に触媒し、γ異性体には活性がありません。

酵素の構造

ヒトの6PGLは、細胞質の生理的条件下でモノマーとして存在し、258のアミノ酸残基から構成され、分子量は約30 kDaです。酵素の三次構造はα/βヒドロラーゼを使用して折りたたまれ、平行および逆平行のβシート層は8つのαヘリックスと5つの310ヘリックスに囲まれています。タンパク質の三次構造の安定性は、アスパラギン酸の間の塩橋によって強化され、酸およびアルギニン残基、ならびに芳香族側鎖のスタッキング相互作用からも強化されます。

図1. 6-ホスホグルコンラクトナーゼの構造。

メカニズム

6PGLから6-ホスホグルコン酸への6-ホスホグルコンラクトンの加水分解は、キシロース異性化酵素やリボース-5-リン酸異性化酵素と同様に、O5エポキシ原子にプロトンを移動させることによって行われると提案されています。この反応は、ヒドロキシドイオンがC5エステルを攻撃することによって開始されます。これに続いて、四面体中間体の形成とエステル結合の除去が行われ、これは活性部位のヒスチジン残基からプロトンを供与することによって達成されます。プロトン移動に関与する特定の残基は2009年まで研究者を悩ませてきました。なぜなら、以前の構造研究では、活性部位に2つの可能な基質構造が存在し、O5エポキシがアルギニンまたはヒスチジンの近位端に位置していることが示されていたからです。分子動力学シミュレーションを使用して、プロトン供与残基がヒスチジンであることがわかりましたが、アルギニン残基は負に帯電したリン酸基の電気的安定性にのみ関連しています。酵素-基質複合体の電気的安定化は、生成物のカルボキシレートと周囲のグリシン残基のバックボーンアミンの間でも発生します。

機能

6-ホスホグルコンラクトナーゼは、6-ホスホグルコンラクトンを6-ホスホグルコン酸に変換する反応を触媒します。これは、グルコースが5-ホスホリボースに変換されるペントースリン酸経路の酸化段階における2つの中間体です。ペントースリン酸経路の酸化段階では二酸化炭素が放出され、NADP+から2つの等価のNADPHが生成されます。最終生成物であるリボース5-リン酸は、ペントースリン酸経路の非酸化段階で生物によってさらに処理され、ヌクレオチド、ATP、コエンザイムAなどの生体分子を合成します。ペントースリン酸経路において6PGLの前に位置する酵素グルコース-6-リン酸脱水素酵素は、6-ホスホグルコンラクトンのデルタ異性体のみを形成します。しかし、蓄積されると、この化合物は分子内再配置を経て、より安定したγ型に異性化する可能性があり、これは6PGLによって加水分解されず、ペントースリン酸経路の非酸化段階に進むことができません。6PGLはδ-6-ホスホグルコンラクトンを迅速に加水分解することによって、その蓄積とその後のγ異性体の形成を防ぎ、細胞に利用可能なグルコース資源の浪費を防ぐことができます。6-ホスホグルコンラクトンは、細胞内のヌクレオフィルによる攻撃にも脆弱であり、これはE. coliで発現したHisタグ付きタンパク質のα-N-6-ホスホグルコン酸反応で確認されており、6PGLは効果的に6-ホスホグルコンラクトンを加水分解し、ラクトンの蓄積とラクトン中間体と細胞間の有毒反応を防ぐことができます。

臨床的意義

Plasmodium bergheiおよびPlasmodium falciparumが、グルコース6リン酸脱水素酵素と6リン酸グルコンラクトナーゼの両方の活性を持つ二機能酵素を発現することが示されており、これによりペントースリン酸経路の前の2つのステップを触媒することができます。この二機能酵素はマラリア寄生虫の治療可能なターゲットとして特定されており、小分子阻害剤の高スループットスクリーニングにより、効果的な抗マラリア薬に変換できる可能性のある新しい化合物が発見されました。