グリオキサラーゼ I

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グリオキサラーゼシステム

グリオキサラーゼI (EC 4.4.1.5) は、すべての細胞の細胞質に存在するグリオキサラーゼシステムの一部です。グリオキサラーゼシステムは、非環状α-オキシアルデヒドをα-ヒドロキシ酸に変換する触媒反応を行います。このシステムは、グリオキサラーゼIとグリオキサラーゼII (EC 3.1.2.6) の2つの酵素と、触媒量のGSHで構成されています。グリオキサラーゼIは、α-オキシアルデヒド (RCOCHO) とGSHによって自発的に形成された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] を生成します。

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-ヒドロキシ酸に変換し、GSHを再形成します。グリオキサラーゼIがグリオキサラーゼI阻害剤によって in situ で阻害され、GSHが枯渇すると、グリオキサラーゼIの主要な生理的基質であるメチルグリオキサールが著しく蓄積します。他の基質には、ヒドロキシピルバルデヒド (HOCH2COCHO)、グリオキサール（脂質過酸化と糖化タンパク質の断片化によって形成される）、および4,5-ドキソバレート (H-COCOCH2CH2CO2H) が含まれます。グリオキサラーゼIの活性は、これらの活性なα-オキシアルデヒドの蓄積を効果的に防ぎ、α-オキシアルデヒド媒介の糖化反応を抑制します。したがって、これは抗糖化防御の過程における重要な酵素です。 

グリオキサラーゼIの分子特性

グリオキサラーゼIの活性はすべてのヒト組織に存在します。平均して、ヒト組織および血液細胞は、1ミリグラムのタンパク質あたり0.2 µgのグリオキサラーゼIを含んでいます。この酵素は二量体であり、二対立遺伝子の遺伝子座GLOで発現しています。GLOは、ヘテロ接合体において2つの類似したサブユニットをコードします。3つのアロエンザイムはGLO 1-1、GLO 1-2、およびGLO 2-2と名付けられています。すべてのアロエンザイムの分子量は46 kDa（ゲル濾過）であり、pI値は4.8-5.1です。しかし、彼らは異なる電荷密度および/または分子形状を持っているため、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って分離することができます。

グリオキサラーゼIの各サブユニットはZn²⁺イオンを含んでいますが、研究によると、E. coli由来のグリオキサラーゼIはNi²⁺メタロ酵素であることがわかっています。これまでに61のグリオキサラーゼI配列が報告されており、その中でヒト、細菌、植物のグリオキサラーゼIは二量体の形で存在します。Saccharomyces cerevisiaeおよびSchizosaccharomyces pombeの酵母酵素はそれぞれ32 kDaおよび37 kDaのモノマーです。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、酵母酵素との間では残基1-182および183-326（Saccharomyces cerevisiae）の間で47%であり、異なる起源のグリオキサラーゼIが共通の祖先から進化した可能性があることを示しています。

グリオキサラーゼIの構造と触媒メカニズム

ヒトのグリオキサラーゼIとS-ベンジルグルタチオンの複合体の三次元構造が解明されており、各モノマーは2つの構造的に同等なドメインで構成されています。活性部位は二量体インターフェースに存在し、阻害剤とZn²⁺イオンは2つのサブユニットの側鎖と相互作用します。Escherichia coliのグリオキサラーゼIは、135個のアミノ酸を含む2つの同一のサブユニットで構成されています。Ni²⁺結合酵素の解明された結晶構造から、各サブユニットは2つのドメイン（残基3-60および72-126）で構成されており、12残基のセグメントによって連結されています。

図1. ヒトおよびEscherichia coliのグリオキサラーゼIの結晶構造の固体リボン表現 (Thornalley, P. J. 2003)

グリオキサラーゼI反応のメカニズムは、C-1からC-2への塩基触媒によるシールドプロトンの移動を含み、これは活性部位に結合してエン-ジオール中間体となり、迅速にチオエステル生成物にケト化されます。現在、Glu-99がR基質エナンチオマーの触媒基盤であり、Glu-172がS基質エナンチオマーの触媒基盤であると考えられています。両方の反応メカニズムは、シス-エン-ジオール中間体（Zn²⁺イオンと直接配位）を形成します：Glu-172はそれをシス-エン-ジオラートに脱プロトン化し、次に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します。ヒトの酵素との類推により、Glu-56およびGlu-122は触媒メカニズムに関与する塩基である可能性があります。

図2. R-ヘミチオアセタールの異性化に対するヒトグリオキサラーゼIの触媒メカニズム (Thornalley, P. J. 2003)