アミロマルターゼ

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はじめに

葉の一時的なデンプンは、昼間にクロロプラストに蓄えられ、夜間に輸出のために分解されます。いくつかのグループが、ほうれん草から分離した完全なクロロプラストにおけるデンプンの分解を調査しました。初期の実験では、リン酸塩の存在下でデンプン分解の主な生成物はトリオースリン酸と3-ホスホグリセリン酸であることが示されました。リン酸塩がない場合、デンプンはマルトースやグルコースに変換されることもあります。StittとHeldt（1981）は、リン酸加水分解によるデンプン分解がデンプン分解の主要な経路であることを示しました。他のグループからのデータは、リン酸加水分解と加水分解の両方が重要であることを示唆しています。

ServaitesとGeiger（2002）は、グルコース、マルトース、イソマルトースが夜間にクロロプラストから輸出される主要な生成物であることを発見しました。一方、RitteとRaschke（2003）は、ガードセルのクロロプラストにおける光中のデンプン分解が大量のマルトースの輸出をもたらすことを示しました。Weiserら（2003）は、主要な輸出生成物がマルトースとグルコースであり、イソマルトースは除外されることを発見しました。 ショ糖の合成は、一時的なデンプン分解によって放出される炭素の主要な運命です。クロロプラストから大量のマルトースが輸出されており、ショ糖合成の前駆体に代謝する酵素が細胞質に存在する必要があることを示しています。

アミロマルターゼは、1つの1,4-α-グルカン分子から別のもの、またはグルコースへの分子間グルカン転移反応を触媒するタイプII 4-α-グルカノトランスフェラーゼ（GTase; EC 2.4.1.25）です。アミロマルターゼは最初に大腸菌で発見され、その遺伝子（malQ）は肺炎球菌、Escherichia coli、Thermus aquaticusおよびクロストリジウム・ブチリカムからクローニングされました。BoosとShuman（1998）は、マルトースとマルトデキストリンがアミロマルターゼ（MalQ）、マルトデキストリンホスホリラーゼ（MalP）、およびマルトデキストリングルコシダーゼ（MalZ）によってグルコースとG1Pに分解されることを示しました。

D-酵素

植物にも、類似のタイプII 4-α-GTaseである不均化酵素（D-酵素）が存在します。D-酵素は最初にジャガイモの塊茎で発見され、その後多くの植物器官で見つかりました。プラスチドD-酵素をノックアウトすることで、GTase活性の大部分がクロロプラストに存在することがわかりました。プラスチドD-酵素は、短いオリゴ糖を長い鎖に変換し、プラスチドデンプンホスホリラーゼおよびβ-アミラーゼの基質を提供する役割を担っています。アラビドプシス植物でプラスチドD-酵素（dpe1-1）が欠損すると、マルトトリオース-マルトヘプトースが蓄積しますが、マルトースは蓄積しません。

2000年にアラビドプシスのゲノム配列が完成した後、4-α-GTaseをコードすると予測される別の遺伝子が染色体2（At2g40840）で見つかりました。この遺伝子は、Target-Pによって判断される限り、ターゲティング配列をコードしていないようで、酵素は細胞質に存在すると予測されています。この酵素の機能を調査するために、細胞質アミロマルターゼ（DPE2）の転写物が完全に欠損している2つのT-DNAノックアウト変異体のアラビドプシス・タリアナ（L）Heynh.が特定され、アラビドプシスの葉の細胞質におけるマルトース代謝がE. coliの細胞質におけるマルトース代謝に類似していると提案されました。

図1. dpe2-1およびdpe2-2遺伝子座の構造 (Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004)

考察

この代謝に関与するアラビドプシスの細胞質多糖の性質は不明ですが、ヘテログリカンがホスホリラーゼ反応を開始する能力が重要であるようです。細胞質に細胞質多糖プールを持つことの利点には、次のようなものがあります：（1）デンプン分解から形成された炭水化物（マルトースやグルコースなど）のオーバーフローとして、ショ糖の需要を超えるヘキソースの量がある夜間に、細胞質内の可溶性デンプンプールとして機能します。（2）多糖を形成することにより、細胞質内の総糖のモル濃度が低いレベルに維持され、細胞が細胞質内の全体的な代謝反応に有益な細胞内浸透圧を維持します。

結論として、DPE2遺伝子はアラビドプシスにおけるマルトース代謝に必要です。アラビドプシスの葉の細胞質におけるマルトース代謝はE. coliのそれに類似しています。もしマルトース/マルトデキストリン系がデンプン中の炭素をショ糖に変換するための主要なメカニズムであるなら、デンプン代謝の調節は、関与する酵素の調節メカニズムが解明されるにつれて、より容易に理解されるかもしれません。

図2. 一時的デンプン分解とショ糖への変換の仮説的経路 (Lu, Y.; Sharkey, T.D. 2004)