アルギナーゼ

アルギナーゼ（EC 3.5.3.1）はウレオヒドロラーゼ（ureohydrolase）に分類される酵素である。本酵素の系統名はL-アルギニン・アミジノヒドロラーゼ（L-arginine amidinohydrolase）である。一般に用いられる別名として、アルギニンアミジナーゼ、カナバナーゼ、L-アルギナーゼ、アルギニントランスアミジナーゼが挙げられる。アルギナーゼはマンガン依存性の金属酵素であり、L-アルギニンをL-オルニチンおよび尿素へ変換する反応を触媒する。アルギナーゼは当初細菌で同定され、その後、細菌、酵母、植物、無脊椎動物および脊椎動物においても見出された。多くの無脊椎動物、植物、細菌および酵母では、ミトコンドリアに局在する1種類のアルギナーゼのみが存在する。一方、脊椎動物ではA1およびA2と呼ばれる2種類のアルギナーゼが存在し、A1は細胞質型アルギナーゼ、A2はミトコンドリア型アルギナーゼである。

構造

ヒトA1（ヒトアルギナーゼI）は322アミノ酸からなり、A2（ヒトアルギナーゼII）は354アミノ酸からなる。これら2つのアイソフォームは、異なる染色体上の異なる遺伝子によりコードされているが、アミノ酸残基の50%以上が同一であり、酵素機能に重要な領域では100%の相同性を示す。三次元構造解析により、両者はいずれも同一サブユニット3個からなる三量体であり、深さ15 Åのクレフト底部に活性部位を有することが示されている。アルギナーゼ活性に必須のマンガンイオンは、このクレフト底部に位置する。各サブユニットの全体的なフォールディングはα/βファミリーに属し、平行な8本鎖βシートを中心に、両側を複数のαヘリックスが取り囲む構造から構成される。

図1. ラットアルギナーゼ三量体の構造。（Dowling D.P. 2008）

アルギナーゼ活性部位においてマンガンイオンに配位するアミノ酸側鎖は、中心βシートの縁に位置し、ストランド8、7および4に隣接するループ領域に存在する。リガンド非結合型アルギナーゼの二核クラスターでは、Mn_A²⁺とMn_B²⁺が分離している。リガンド非結合型ラットアルギナーゼIの結晶構造では、Mn_A²⁺はH101、D128、D124、D232および水酸化物イオンにより配位され、正方錐型の配位幾何を示した。リガンド非結合型ヒトアルギナーゼIの結晶構造では、Mn_A²⁺はさらに別の水分子とも配位し、歪んだ八面体型の金属配位多面体を形成することが示されている。ラットアルギナーゼIおよびヒトアルギナーゼIでは、Mn_B²⁺はH126、D234、D124、D232および水酸化物イオンにより配位され、歪んだ八面体型の配位幾何を有する。

図2. アルギナーゼの二次構造。（Dowling D.P. 2008）

触媒機構

ヒトアルギナーゼI–2(S)-アミノ-6-ボロノヘキサン酸（ABH）複合体では、ABHのボロネート水酸基O1がMn_A²⁺およびMn_B²⁺をほぼ対称的に架橋している。ABHのボロネート水酸基O2は、真の内圏（inner-sphere）配位相互作用を示す。ABHはアルギナーゼ活性部位において基質L-アルギニンと同様の化学反応（金属架橋水酸化物イオンによる求核攻撃）を受け、またABHのボロネートアニオンは触媒反応における四面体中間体およびその前後の遷移状態を模倣することから、ABHのボロネート水酸基O2は基質L-アルギニンのNH₂基に対応すると考えられる。遷移状態に近づくにつれて、Mn_A²⁺は強固な内圏二座配位相互作用を介して、NH₂基のsp³孤立電子対と相互作用する。さらに、ヒトアルギナーゼI–ABH複合体の構造は、H141の触媒機能に関する推定を与える。H141のイミダゾール基はプロトンシャトルとして機能し、金属架橋水分子のイオン化を促進することで、求核性の金属架橋水酸化物イオンを再生する。ヒトアルギナーゼI–ABHの構造から、H141はE277のO2と水素結合を形成し、E277のカルボキシラート側鎖もまたボロネート水酸基O2と弱い水素結合を形成することが示されている。H141のN原子上にプロトンが存在するため、H141はE277との水素結合により正電荷を帯びたイミダゾリウム基として安定化されていると考えられる。次いでH141はABHの-CH₂基に近接するが、この-CH₂基は四面体中間体におけるL-オルニチンの脱離アミノ基に対応し、H141は一般酸触媒として脱離基の離脱に必要なプロトンを供与し得る。この機能には、H141のプロトン移動方向を規定するために側鎖ねじれ角χ²の90°の配座変化が必要であり、同時にE277との水素結合を破壊することでイミダゾリウムのプロトンを酸性化する。最終段階では、H141のイミダゾールが再びプロトンシャトルとして作用し、求核性の金属架橋水酸化物イオンを再生する。

図3. ヒトアルギナーゼIの反応機構。（Costanzo L.D. 2005）

応用

アルギナーゼ活性には、恒常性維持における主として2つの目的がある。第一に、尿素合成を介して体内からアンモニアを除去することであり、第二に、ポリアミンおよびプロリンの前駆体であるオルニチンを産生することである。オルニチン脱炭酸酵素（ODC）により産生されるポリアミンは、細胞増殖および複数のイオンチャネルの調節に必要である。オルニチンアミノトランスフェラーゼ（OAT）により産生されるプロリンは、コラーゲン産生に必須である。

アルギナーゼは健康および疾患において重要な役割を担い、末梢心血管系および中枢神経系（CNS）に影響を及ぼす疾患・損傷に関与する。高血圧、糖尿病、動脈硬化など多くの心血管関連疾患において、アルギナーゼの発現および活性は上方制御される。また、脳卒中、アルツハイマー病、パーキンソン症候群等の各種CNS疾患においても、アルギナーゼの発現は上方制御される。

参考文献