アルギナーゼ

アルギナーゼ (EC 3.5.3.1) は、尿素加水分解酵素のクラスに属します。この酵素の系統名は L-アルギニン アミジノヒドロラーゼです。一般的に使用される他の名前には、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含まれます。アルギナーゼは、L-アルギニンをL-オルニチンと尿素に変換する触媒作用を持つマンガンメタロ酵素です。最初は細菌で同定され、その後、細菌、酵母、植物、無脊椎動物、脊椎動物に見られることがわかりました。ほとんどの無脊椎動物、植物、細菌、酵母は、ミトコンドリアに存在する1つの形態のアルギナーゼしか持っておらず、脊椎動物はA1とA2という2つの形態のアルギナーゼを含んでいます。A1は細胞質アルギナーゼで、A2はミトコンドリアアルギナーゼです。

構造

ヒトA1（ヒトアルギナーゼI）は322個のアミノ酸から構成されており、A2（ヒトアルギナーゼII）は354個のアミノ酸から構成されています。これらの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ってコードされていますが、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%の相同性があります。三次元構造は、両者が3つの同一のサブユニットからなるトリマーであり、15 Åの深さの切れ目の底に活性部位があることを示しています。アルギナーゼ活性に必要なマンガンイオンは、切れ目の底に位置しています。各サブユニットの全体的な折りたたみはα/βファミリーに属し、平行な8本のβシートが両側にいくつかのαヘリックスに挟まれています。

図1. ラットアルギナーゼトリマーの構造。 (Dowling D.P. 2008)

アルギナーゼ活性部位のマンガンイオンに配位されたアミノ酸側鎖は、中央のβシートの端に位置し、ストランド8、7、4に隣接するループセグメントにあります。無配位アルギナーゼの二核クラスター内には、Mn_A²⁺-Mn_B²⁺の分離があります。無配位ラットアルギナーゼIの結晶構造は、Mn_A²⁺がH101、D128、124、D232および水酸化物イオンと正方形のピラミッド幾何学で配位していることを示しました。無配位ヒトアルギナーゼIの結晶構造は、Mn_A²⁺が別の水分子と配位して歪んだ八面体金属配位ポリヘドロンを形成していることを示しています。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および歪んだ八面体幾何学を持つ水酸化物イオンによって配位されています。

図2. アルギナーゼの二次構造。 (Dowling D.P. 2008)

触媒メカニズム

ヒトアルギナーゼI-2(S)-アミノ-6-ボロヘキサン酸 (ABH) 複合体では、ABHボロネート水酸化物O1がMn_A²⁺とMn_B²⁺をほぼ対称的に橋渡ししています。ABHボロネート水酸化物O2は真の内球配位相互作用を持っています。ABHはアルギナーゼ活性部位で基質L-アルギニンと同じ化学反応を経るため（金属橋水酸化物イオンによる求核攻撃）、ABHのボロネートアニオンは触媒における四面体中間体およびその隣接する遷移状態を模倣します。したがって、ABHボロネート水酸化物O2は基質L-アルギニンのNH₂基に対応します。遷移状態が近づくと、Mn_A²⁺はNH₂基のsp³孤立電子対と強い内球二座配位の相互作用を通じて相互作用します。さらに、ヒトアルギナーゼI-ABH複合体の構造は、H141の触媒機能に対する推論を提供します。H141のイミダゾール基は、金属橋水分子のイオン化を促進するプロトンシャトルとして機能し、求核的な金属橋水酸化物イオンを再生します。ヒトアルギナーゼI-ABHの構造は、H141がE277のO2と水素結合を形成し、E277のカルボキシレート側鎖もボロネート水酸化物O2と弱い水素結合を形成することを示しています。プロトンはH141のN原子に存在し、したがってH141はE277との水素結合によって正に帯電したイミダゾリウム基によって安定化されていると考えられています。その後、H141はABHの-CH₂基に近づき、-CH₂基は四面体中間体におけるL-オルニチンの離脱アミノ基に対応し、H141は離脱基の出発のためのプロトンを提供する一般酸触媒として機能します。この機能には、H141のプロトン移動の方向を決定するために側鎖のねじれ角 χ²の90°の立体変化が必要であり、これによりE277の水素結合が破壊されてイミダゾリウムプロトンが酸性化されます。H141のイミダゾールは、触媒の最終段階で求核的な金属橋水酸化物イオンを再生するためのプロトンシャトルとして使用されます。

図3. ヒトアルギナーゼIのメカニズム。 (Costanzo L.D. 2005)

応用

アルギナーゼ活性には2つの主な恒常性目的があります。1つ目は、尿素合成によって体からアンモニアを除去すること、2つ目は、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生成することです。オルニチン脱炭酸酵素 (ODC) によって生成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す。オルニチンアミノトランスフェラーゼ (OAT) によって生成されるプロリンは、コラーゲン生成に不可欠です。

アルギナーゼは健康と病気において重要な役割を果たし、末梢心血管系および中枢神経系 (CNS) に影響を与える病気や損傷に関与しています。アルギナーゼの発現と活性は、高血圧、糖尿病、動脈硬化などの多くの心血管関連疾患で上昇します。アルギナーゼの発現は、脳卒中、アルツハイマー病、パーキンソン症候群などのさまざまなCNS疾患でも上昇します。

参考文献