ACS

アセチルCoAシンテターゼ（ACS、EC 6.2.1.1）はリガーゼ（結合酵素）に分類される。本酵素の系統名は酢酸：CoAリガーゼ（AMP生成型）である。一般的な別名として、酢酸-CoAリガーゼ、アセチル活性化酵素、酢酸チオキナーゼ、アシル活性化酵素等が挙げられる。ACSの生理学的役割は、酢酸をアセチルCoA（Ac-CoA）へ活性化することである。本酵素は、さまざまな同化過程およびエネルギー産生過程で利用される2炭素代謝物を供給し、その活性は原核細胞および真核細胞の代謝にとって極めて重要である。

Ac-CoAの合成経路

原核細胞は、短鎖脂肪酸をAc-CoAへ変換する3つの異なる経路を進化させてきた。これらの経路を組み合わせて利用することにより、原核生物は酢酸を炭素源およびエネルギー源として利用できる。1つ目の経路は、酢酸キナーゼ（AckA）／ホスホトランスアセチラーゼ（Pta）からなり、酢酸リン酸（Ac-P）を介して酢酸をAc-CoAへ変換する。Ack/Pta系は、環境中の酢酸濃度が高い（>30 mM）場合に原核生物が利用する経路である。多くの発酵性細菌および通性嫌気性細菌は、Ack/Pta系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濃度を定常状態に維持する。この目的のため、細胞はPtaによりAc-CoAをAc-Pへ変換し、これをAckが消費してATPと酢酸を産生する。2つ目の酢酸からAc-CoAへの活性化経路はAc-CoAシンテターゼ（ADP生成型）からなり、3つ目の経路はAc-CoAシンテターゼ（AMP生成型）からなる。Ac-CoAシンテターゼ（ADP生成型）は、酢酸 + ATP → ADP + Pi + Ac-CoA の可逆反応を触媒する。本酵素は、発酵増殖時にATP合成が必要となる真核寄生生物 Entamoeba histolytica および嫌気性原虫 Giardia lamblia において最初に見出された。AMP生成型Ac-CoAシンテターゼの機構は、ADP生成型Ac-CoAシンテターゼとは異なる。環境中の酢酸濃度が低い（<10 mM）場合、acsがAc-CoAの主要な合成経路となる。真核生物では、酢酸をAc-CoAへ活性化する唯一の経路であるため、acsの役割は原核生物よりも重要である。

構造

Acsタンパク質は複数の保存領域を有し、分子量は約70 kDaである。酵母ACSの結晶構造が決定されており、現行の原子モデルには酵素の残基74–713が含まれるが、残基626–637および687–699は欠落している。これらの残基では電子密度が観測されず、結晶中で無秩序である可能性がある。酵母ACSの構造は、細菌ACSおよび他のAMP生成型酵素と同様に、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）から構成される。大ドメインには、9本および8本のストランドからなる概ね平行な2つのβシートが含まれる。2つのシートは互いに平行で、その間に8本のヘリックスが挟まれている。大ドメインにはさらに、5本ストランドの逆平行βシート、ならびにいくつかのαヘリックスおよび小さなβシートが含まれる。小ドメインの残基の電子密度は大ドメインに比べて著しく弱く、現行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いずれもこのドメインに位置する。細菌ACSと同様に、酵母ACSの小ドメインには3本ストランドのβシートが存在し、その表面にいくつかのヘリックスが配置されている。

図1．酵母ACS単量体の構造。（Jogl G. 2004）

酵母ACSは結晶中で三量体として観察され、溶液中でのゲルろ過および光散乱解析の結果とも一致した。三量体は3つの単量体の大ドメインにより形成され、小ドメインはオリゴマーの周縁部に位置する。各単量体の表面積のうち約1500 Ųが三量体界面で埋没している。これに対し、細菌ACSは単量体である。酵母ACSの三量体界面に位置する残基は細菌ACSでは保存性が低く、特に298KKYKTY303は三量体界面に約400 Ųの表面積を寄与する。その他のACS酵素のアミノ酸配列に関する検討から、三量体形成に重要な残基は酵母ACSに特徴的であることが示されており、この三量体化様式は酵母ACS酵素にのみ生じる可能性が高いことが示唆される。

図2．酵母ACSの三量体。（Jogl G. 2004）

触媒機構

ACSは、酢酸、CoAおよびATPからAc-CoAを生成する反応を触媒する。本酵素は細菌からヒトに至るまで多くの生物に存在し、酢酸、プロピオン酸およびその他の低分子有機酸の活性化と利用において中核的役割を担う。生成物であるAc-CoAは、グルコース、脂肪酸およびコレステロールの生合成に利用されるほか、クエン酸回路における酸化によりエネルギー産生にも利用される。ACSが触媒する反応は2段階に分けられる。第1段階では、酵素が酢酸およびATP基質からアセチルAMP中間体の生成を触媒し、その過程でピロリン酸PPiを遊離する。第2段階では、アセチルAMP中間体がCoAと反応してアセチルCoAを生成し、AMPを遊離する。したがって、ACSは、ホタルルシフェラーゼ、アシルCoAシンテターゼ、ならびにグラミシジン合成酵素などの非リボソームペプチドシンテターゼを含むAMP生成型酵素スーパーファミリーに属する。

図3．ヒトアルギナーゼIの機構。（Jogl G. 2004）

AMPは大ドメインと小ドメインの界面に結合するが、相互作用の大部分は大ドメインの残基との間で生じる。アデニン塩基は一方の側でGlu444およびPro445の残基間に位置し、他方の側にはTyr469が位置する。アデニンのN6アミノ基はAsp467の側鎖と水素結合を形成する。リボース上のヒドロキシル基はAsp559の側鎖カルボキシラートにより認識される。αリン酸の末端酸素原子の一つは、主鎖アミドおよびThr472の側鎖ヒドロキシル基と水素結合を形成する。小ドメインでは、残基Lys675がAMP分子近傍に位置するが、この残基の側鎖には原子の電子密度が認められず、本モデルではAla残基としてモデル化されている。本残基はACSおよび他のAMP生成型酵素において高度に保存されたセグメントに位置し、細菌ACSにおける当該残基（Lys609）のアセチル化は酵素を不活化する。アデニル化ドメインであるグラミシジン合成酵素1の構造では、Lys側鎖はリボース環の酸素、リボースとαリン酸の間の架橋酸素、ならびに基質のカルボニル酸素と水素結合している。

図4．AMPの結合様式。（Jogl G. 2004）

参考文献