グリオキサラーゼI

関連する読書

グリオキサラーゼ系

グリオキサラーゼI（EC 4.4.1.5）は、全ての細胞の細胞質に存在するグリオキサラーゼ系の構成要素である。グリオキサラーゼ系は、非環式α-オキソアルデヒドをα-ヒドロキシ酸へ変換する反応を触媒する。本系は、2種類の酵素（グリオキサラーゼIおよびグリオキサラーゼII（EC 3.1.2.6））と、触媒量のGSHから構成される。グリオキサラーゼIは、α-オキソアルデヒド（RCOCHO）とGSHにより自発的に形成されるヘミチオアセタールの異性化を触媒し、S-2-ヒドロキシアシルグルタチオン誘導体［RCH(OH)CO-SG］を生成する役割を担う。

グリオキサラーゼIIは、S-2-ヒドロキシアシルグルタチオン誘導体をα-ヒドロキシ酸へ変換し、GSHを再生する。グリオキサラーゼIが、グリオキサラーゼI阻害剤によるin situでの阻害およびGSH枯渇により抑制されると、グリオキサラーゼIの主要な生理学的基質であるメチルグリオキサールが著明に蓄積する。他の基質としては、ヒドロキシピルバルアルデヒド（HOCH2COCHO）、グリオキサール（脂質過酸化および糖化タンパク質の断片化により生成）、ならびに4,5-ジオキソバレレート（H-COCOCH2CH2CO2H）が挙げられる。グリオキサラーゼI活性は、これら反応性の高いα-オキソアルデヒドの蓄積を効果的に抑制し、その結果としてα-オキソアルデヒド媒介性の糖化反応を阻害する。したがって、本酵素は抗糖化防御過程における重要酵素である。 

グリオキサラーゼIの分子特性

グリオキサラーゼI活性は、ヒトの全ての組織に存在する。平均して、ヒト組織および血液細胞には、タンパク質1 mg当たり0.2 µgのグリオキサラーゼIが含まれる。本酵素は二量体であり、二対立遺伝子座GLOにより発現する。ヘテロ接合体では、GLOは類似した2種類のサブユニットをコードする。3種類のアロ酵素は、GLO 1-1、GLO 1-2およびGLO 2-2と命名されている。全てのアロ酵素の分子量は46 kDa（ゲルろ過）で、pIは4.8～5.1である。しかし、電荷密度および／または分子形状が異なるため、イオン交換クロマトグラフィーおよび非変性ゲル電気泳動により分離可能である。

グリオキサラーゼIの各サブユニットはZn²⁺イオンを含むが、E. coli由来グリオキサラーゼIはNi²⁺を含む金属酵素であることが報告されている。これまでに61件のグリオキサラーゼI配列が報告されており、そのうちヒト、細菌および植物のグリオキサラーゼIは二量体として存在する。Saccharomyces cerevisiaeおよびSchizosaccharomyces pombeの酵母酵素は、それぞれ32 kDaおよび37 kDaの単量体である。ヒトのグリオキサラーゼIと細菌酵素（Pseudomonas putida）との配列同一性は55%であり、また酵母酵素（Saccharomyces cerevisiae）との配列同一性は残基1-182および183-326の間で47%である。これらの結果は、起源の異なるグリオキサラーゼIが共通祖先から進化した可能性を示唆する。

グリオキサラーゼIの構造および触媒機構

ヒトグリオキサラーゼIとS-ベンジルグルタチオンとの複合体の三次元構造が解明されており、各モノマーは構造的に等価な2つのドメインから構成される。活性部位は二量体界面に存在し、阻害剤およびZn²⁺イオンは2つのサブユニット由来の側鎖と相互作用する。Escherichia coliのグリオキサラーゼIは、135アミノ酸からなる同一サブユニット2個で構成される。Ni²⁺結合酵素の結晶構造解析から、各サブユニットは残基3-60および72-126の2ドメインからなり、両者は12残基からなる介在セグメントにより連結されていることが観察される。

図1. ヒトおよびEscherichia coliグリオキサラーゼIの結晶構造のソリッドリボン表示（Thornalley, P. J. 2003）

グリオキサラーゼI反応の機構は、活性部位に結合したヘミチオアセタールにおいて、塩基触媒により遮蔽プロトンがC-1からC-2へ移動し、エンジオール中間体を経て、速やかにケト化してチオエステル生成物となる過程を含む。現在、Glu-99がR基質エナンチオマーの触媒塩基であり、Glu-172がS基質エナンチオマーの触媒塩基であると考えられている。いずれの反応機構においても、cis-エンジオール中間体（Zn²⁺イオンに直接配位）を形成する。Glu-172がこれを脱プロトン化してcis-エンジオラートとし、その後C-2を再プロトン化してR-2-ヒドロキシアシルグルタチオン生成物を形成する。ヒト酵素との類推により、Glu-56およびGlu-122が触媒機構に関与する塩基である可能性がある。

図2. R-ヘミチオアセタールの異性化におけるヒトグリオキサラーゼIの触媒機構（Thornalley, P. J. 2003）