ACS

アセチルコエンザイムA合成酵素（ACS、EC 6.2.1.1）はリガーゼのクラスに属します。この酵素の系統名はアセテート:CoAリガーゼ（AMP形成）です。一般的に使用される他の名前には、アセテート-CoAリガーゼ、アセチル活性化酵素、アセテートチオキナーゼ、アシル活性化酵素などがあります。ACS酵素の生理的役割は、アセテートをアセチル-CoA（Ac-CoA）に活性化することです。この酵素は、さまざまな同化およびエネルギー生産プロセスで使用される2つの炭素代謝物を提供し、その活性は原核生物および真核生物の細胞の代謝にとって重要です。

Ac-CoAの合成経路

原核細胞は、短鎖脂肪酸をAc-CoAに変換する3つの異なる経路を進化させました。これらの経路を組み合わせて使用することで、原核生物はアセテートを炭素とエネルギーの源として利用できます。1つの経路はアセテートキナーゼ（AckA）/ホスホトランスアセチラーゼ（Pta）から成り、アセテートをアセテート-リン酸（Ac-P）を介してAc-CoAに変換します。Ack/Ptaシステムは、環境中のアセテート濃度が高い（>30 mM）ときに原核生物が使用する経路です。多くの発酵性および選択的嫌気性細菌は、Ack/Ptaシステムの可逆性を利用してエネルギーを保存し、細胞内の遊離CoAの安定状態を維持します。この目的のために、細胞はPtaを使用してAc-CoAをAc-Pに変換し、AckによってATPとアセテートを生成します。アセテートをAc-CoAに活性化するための2番目の経路は、Ac-CoA合成酵素（ADP形成）から成り、3番目の経路はAc-CoA合成酵素（AMP形成）から成ります。Ac-CoA合成酵素（ADP形成）は、アセテート + ATP → ADP + Pi + Ac-CoAの可逆反応を触媒します。この酵素の最初の発見は、真核生物の寄生虫Entamoeba histolyticaおよび嫌気性原生動物Giardia lambliaにおいて行われ、ATP合成が発酵成長中に必要です。AMP形成のAc-CoA合成酵素のメカニズムは、ADP形成のAc-CoA合成酵素とは異なります。環境中のアセテート濃度が低い（<10 mM）とき、acsはAc-CoAの主要な合成経路です。真核生物において、acsの役割は原核生物よりも重要であり、アセテートをAc-CoAに活性化する唯一の方法だからです。

構造

Acsタンパク質は、約70 kDaのタンパク質サイズを持つ複数の保存領域を有します。酵母ACSの結晶構造が決定されており、現在の原子モデルには酵素の残基74-713が含まれていますが、残基626-637および687-699は削除されています。これらの残基には電子密度が観察されず、結晶中で無秩序である可能性があります。酵母ACSの構造は、大きなN末端ドメイン（残基74-576）と、小さなC末端ドメイン（残基577-713）から成り、細菌ACSおよび他のAMP形成酵素と構造が類似しています。大きなドメインには、それぞれ9本と8本のストランドを持つ2つの主に平行なβシートが含まれています。2つのシートは互いに平行で、8本のヘリックスがその間に挟まれています。大きなドメインには、5本のストランドからなる逆平行βシートや、いくつかのαヘリックスおよび小さなβシートも含まれています。小さなドメインの残基の電子密度は、大きなドメインの電子密度よりもはるかに弱く、現在の原子モデルで欠落している2つのペプチドセグメントはこのドメインに位置しています。細菌ACSのように、酵母ACSの小さなドメインには、表面にいくつかのヘリックスを持つ3本のストランドからなるβシートが含まれています。

図1. 酵母ACSのモノマーの構造。（Jogl G. 2004）

酵母ACSは結晶中でトリマーとして観察され、溶液中のゲル濾過および光散乱研究と一致しています。トリマーは3つのモノマーの大きなドメインによって形成され、小さなドメインはオリゴマーの周辺に位置しています。各モノマーの約1500 Ųの表面積がトリマー界面で埋没しています。対照的に、細菌ACSはモノマーです。酵母ACSトリマー界面の残基は、特に298KKYKTY303において、細菌ACSでは保存状態が悪く、これはトリマー界面に約400 Ųの表面積を寄与します。他のACS酵素のアミノ酸配列に関する研究は、トリマー形成に重要な残基が酵母ACSに特有であることを明らかにしており、このトリマー化モードは酵母ACS酵素でのみ発生する可能性が高いことを示唆しています。

図2. 酵母ACSのトリマー。（Jogl G. 2004）

触媒メカニズム

ACSはアセテート、CoAおよびATPを触媒してAc-CoAを形成します。この酵素は細菌から人間までのほとんどの生物に存在し、アセテート、プロピオン酸および他の小さな有機酸の活性化と利用において重要な役割を果たします。Ac-CoA生成物は、グルコース、脂肪酸およびコレステロールの生合成に使用され、またエネルギーを生成するためにクエン酸回路で酸化に使用されることもあります。ACS触媒反応は2つのステップに分かれています。最初のステップでは、酵素がアセテートとATP基質からアセチル-AMP中間体を生成し、その過程でピロリン酸PPiを放出します。2番目のステップでは、アセチル-AMP中間体がCoAと反応してアセチル-CoA生成物を形成し、AMPを放出します。したがって、ACSはホタルルシフェラーゼ、アシル-CoA合成酵素、グラミシジン合成酵素などの非リボソームペプチド合成酵素を含むAMP形成酵素のスーパーファミリーに属します。

図3. ヒトアルギナーゼIのメカニズム。（Jogl G. 2004）

AMPは大きなドメインと小さなドメインの間の界面に結合しますが、ほとんどは大きなドメインの残基と相互作用します。アデニン塩基は、残基Glu444とPro445の間の一方の側に位置し、Tyr469は反対側に位置します。アデニンのN6アミノ基は、Asp467の側鎖と水素結合を形成します。リボースのヒドロキシル基は、Asp559の側鎖カルボキシレートによって認識されます。α-リン酸の末端酸素原子の1つは、主鎖アミドおよびThr472の側鎖ヒドロキシル基と水素結合によって結合しています。小さなドメインでは、残基Lys675がAMP分子の近くに位置していますが、残基の側鎖には電子密度がなく、このモデルではAla残基としてモデル化されています。この残基はACSおよび他のAMP形成酵素の高度に保存されたセグメントに位置しており、細菌ACSにおけるこの残基（Lys609）のアセチル化は酵素を不活性化します。アデニル化ドメイングラミシジン合成酵素1の構造では、Lys側鎖がリボース環の酸素、リボースとα-リン酸の間の架橋酸素、および基質のカルボニル酸素結合に水素結合しています。

図4. AMPの結合モード。（Jogl G. 2004）

参考文献