グルコースイソメラーゼ

グルコースイソメラーゼ（GI、EC 5.3.1.5）は、キシロースイソメラーゼ、D-キシロースイソメラーゼ、D-キシロースケトイソメラーゼ、D-キシロースケトールイソメラーゼとしても知られ、D-キシロース、D-グルコース、D-リボース等のアルドースを、対応するケトースへ異性化するイソメラーゼである。本酵素群の系統名はD-キシロース・アルドース-ケトース・イソメラーゼである。グルコースイソメラーゼは、細菌、真菌、放線菌等の微生物をはじめ、植物および動物など幅広い起源を有する。グルコースイソメラーゼは、高果糖コーンシロップおよび燃料用エタノールの工業的製造における重要酵素である。

酵素学的特性

• 基質特異性

グルコースイソメラーゼは基質範囲が広く、D-グルコースおよびD-キシロースに加えて、D-リボース、L-アラビノース、L-ラムノース、D-アロース、デオキシグルコース等の基質も触媒し得る。しかし、グルコースイソメラーゼが触媒できるのはD-グルコースまたはD-キシロースのα光学異性体の変換に限られ、β光学異性体は触媒しない。

• 至適温度およびpH

グルコースイソメラーゼの至適pHは通常弱アルカリ性で、7.0～9.0の範囲である。酸性条件下では、多くの種において酵素活性は極めて低い。グルコースイソメラーゼの至適反応温度は一般に70～80℃である。

• 金属イオン要求性および阻害因子

GIは最大活性の発現に、Mg²⁺、Co²⁺、Mn²⁺等の二価カチオン、またはこれらの組合せを必要とする。Mg²⁺およびCo²⁺はいずれも活性発現に必須であるが、その役割は異なる。Mg²⁺はCo²⁺よりも活性化因子として優れる一方、Co²⁺は、特に酵素の四次構造を含む秩序だったコンフォメーションを保持することにより、酵素の安定化に寄与する。

構造

異なる種由来のグルコースイソメラーゼはタンパク質一次構造に一定の差異を有するものの、立体構造は類似している。グルコースイソメラーゼはいずれも非糖タンパク質であり、一般に四量体または二量体として存在する。サブユニットのモノマーは分子量19～52 kDである。四量体のサブユニットはジスルフィド結合を伴わない非共有結合により結合しており、二量体間の結合は二量体内のサブユニット間結合よりも強い。サブユニット群は対称的に配置され、各サブユニットモノマーは2つのドメインに分かれる。

N末端側の主ドメインは、8本のα/βヘリックス折りたたみ構造からなる「触媒ポケット」で構成され、内層は8本の平行βシート、外層はβシートに交互に隣接する8本のαヘリックスからなる。αヘリックスのペプチド鎖はβシートに対して逆平行であり、活性中心はβシートのC末端近傍に位置する。C末端側の小ドメインは、少数のαヘリックスがランダムコイル状に巻き、N末端から離れた不規則な環状構造を形成し、サブユニット間相互作用および活性中心の構築に関与する。四量体型グルコースイソメラーゼは4つのポケット状活性中心を有し、活性中心はサブユニット触媒ドメインのβバレルのC末端近傍に位置する。各活性中心は隣接する2つのサブユニットから構成され、二価金属イオン結合部位を2か所有するとともに、基質結合および触媒過程に関与する保存残基を含む。

作用機序

GIの触媒機構は研究者の大きな関心を集めてきた。初期には、GIは糖リン酸イソメラーゼと同様に機能し、エンジオール機構に従うと考えられていた。近年の研究では、GIの作用はヒドリドシフト機構によるものとされている。活性部位のコンフィギュレーションに関する知見は、酵素の構造—機能相関を検討する上での前提条件である。GIの活性部位を解析し作用機序を明確化するため、（i）化学修飾、（ii）X線結晶構造解析、（iii）同位体交換等の手法が用いられてきた。GIに提案されている機構の主要な特徴は、基質の環開裂、C-2からC-1へのヒドリドシフトによる異性化、および生成物の環閉鎖である。

図1. GIの作用機序。（a）cis-エンジオール。（b）プロトン移動。（c）ヒドリドシフト。
(Bhosale, S.H., et al. 1996)

グルコースの異性化では、ヒスチジン53がO1からO5へのプロトン移動の触媒に用いられる。キシロースの異性化では、結晶学的データにより、キシロース糖が開鎖型コンフォメーションで酵素に結合することが示されている。金属1はO2およびO4に結合し、結合後、遷移状態において金属2がO1およびO2に結合する。これらの相互作用に加え、リジン残基が、異性化に必要なヒドリドシフトの触媒を補助する。遷移状態は高エネルギーのカルボニウムイオンからなり、糖基質との金属相互作用全体により安定化される。

製造および応用

酵素の製造コストは、工業的適用性を評価する上で重要な要因である。経済的に実行可能な技術の確立を目的として、GI製造における発酵パラメータの最適化に向けた集中的な取り組みが行われてきた。研究は主として3点に焦点を当てている。（i）GI収率の向上、（ii）発酵培地の最適化（特にキシロースをより安価な代替物に置換すること、およびCo²⁺イオン要求性の排除）、（iii）酵素の固定化である。本酵素の最も広範な用途は、グルコースをフルクトースへ変換して高果糖コーンシロップ（HFCS）を製造することである。キシロースイソメラーゼは、自然界において細菌がセルロースを栄養源として利用する際に用いる酵素の一つであり、産業および学術研究のもう一つの重点として、バイオ燃料生産に有用となり得るキシロースイソメラーゼの改変体の開発が進められている。

参考文献