アシルCoAオキシダーゼ

脂肪酸β酸化により2-trans-エノイルCoAが生成される。ペルオキシソームに局在するアシルCoAオキシダーゼ（ACX）およびミトコンドリアに局在するアシルCoAデヒドロゲナーゼ（ACAD）は、図1に示す律速段階を触媒する。脂肪酸はまず、アシルCoAシンテターゼ（ACS）によるチオエステル化を介して活性化される。ACXはFAD補因子と相互作用し、分子状酸素を還元することでアシルチオエステルを2-trans-エノイルCoAへ変換する。ペルオキシソーム基質内では、本過程で生成するH₂O₂はカタラーゼ（CAT）により除去され得る。続いて、多機能タンパク質（MFP）の作用により、2-trans-エノイルCoAは2段階の酵素反応を経て3-ケトアシルCoAへ変換される。チオラーゼは、アセチルCoA単位のチオリシスによる切り出しに必要な基質反応を触媒する役割を担う。

図1．植物における脂肪酸酸化に必要なペルオキシソームβ酸化経路の中核。
（Susan Arent, et al. 2008）

触媒機構

ACXおよびACADは、ペルオキシソームβ酸化サイクルにおける律速段階を触媒し、触媒性グルタミン酸残基を用いて基質のCoAチオエステルに対しα-β位に二重結合を導入する。研究者らはアシルCoAのα-β脱水素化反応を検討してきた。ACXおよびACADはそれぞれ、電子をFADへ受け渡し、分子状酸素を介して基質を酸化する。脂肪酸およびACX4を用いたRnACXの結晶構造解析に関する近年の研究により、HsVLC-ACADの構造が明らかにされた。これらの結果は、スーパーファミリー全体が初発反応において同一の機構を強く共有することを支持する。アシルCoAのαプロトンのpKaを低下させることで、触媒塩基は（触媒塩基の主鎖窒素との水素結合を介して）脱プロトン化に向けた基質活性化に寄与し、一方で酸素原子は触媒塩基とFADの間に挟み込まれる。FADは補因子としてFADHへ還元され、trans-2-エノイルCoA生成物を与えるとともに、プロトンは触媒塩基へ移動する。一部の細菌ACADでは触媒塩基の局在がヘリックスGへ置換されているが、変異導入および結晶学的研究から、この変化は触媒反応およびフラビンに対する触媒塩基の位置関係に大きな影響を及ぼさないことが示されている。ACXでは同様の特異性は認められず、いずれもヘリックスJとKの間のループに触媒性グルタミン酸を有するようである。C. elegansの一部のACOX酵素は脂肪酸アシルCoA基質とアスカロシドCoA基質の双方を処理する一方、他の酵素は特定のアスカロシドCoA基質のみの処理に特化している。

構造

ACXは約650アミノ酸残基から構成され、種間でいくつかの差異が認められる。ACXの結晶構造は、イネ、ラット、ヒト、Arabidopsis、ダイズなど多くの種で解析されている。ほとんどの生物に存在する構造的に関連した多数の酵素が、脂肪酸CoAチオエステルのC2位とC3位の間に二重結合を形成する反応を触媒し得ることが示されている。ACXは、アミノ酸、脂肪酸、トリプトファンおよびリシンの後続のチオリシス分解、ならびにポリケチド合成に必要な求核攻撃に向けてC3位を活性化する初期段階において副次的に生じる産物である。ACXの全体構造はタイプにより若干異なるものの、各構造はいずれも少なくとも3つのドメイン（N末端のヘリカルドメイン、中央のβシートドメイン、C末端のヘリカルドメイン）から構成され、これがACAD様スーパーファミリーを規定する。最小構造において、スーパーファミリー名は哺乳類ミトコンドリア酵素に由来する。

基質特異性

二量体のACAD様酵素におけるアシルCoA結合ポケットは、活性部位にアシル鎖を有するRnACXおよびHsVLC-ACADの結晶構造により可視化されている。ACXの基質特異性は、平均化された動的タンパク質システムの静的スナップショットと一定の関連を有し、これらは基質相互作用に関する本質的情報を提供する。溶媒アクセス可能なアシル結合ポケットでは、アシル鎖長に明確な制限がないように見受けられる。これは、これらの酵素が短鎖基質よりも長鎖基質に対して特異性を獲得するよう進化してきたことを示唆し、この見解は事実とも整合する。しかし、植物種におけるACX1-3が一様な基質プロファイルを示さない理由、あるいはSC-CoAが不良基質である理由を説明できない点で、なお混乱が残る。HsVLC-ACADおよびAtACX1のアシル結合ポケットの大きさと形状の差異を図2に示す。JA-CoA生合成において、植物ACX1は極めて重要な役割を担う。JA-CoA前駆体であるOPC-8:0-CoAは、アシルCoAと比較して平坦で嵩高い基質であり、アシル基質よりも広い結合ポケットを必要とすると予想される。実際、AtACX1のポケットはHsVLC-ACADの結合ポケットよりも広く（チャネル幅：8×12 Å 対 8×8 Å）、この点と一致する。

図2．アシルCoA結合ポケット（Susan Arent, et al. 2008）

参考文献