GS

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グルタミン合成酵素（GS）は、グルタミン酸とアンモニアの縮合を触媒してグルタミンを形成する酵素であり、窒素代謝において重要な役割を果たします。

グルタミン酸 + ATP + NH₃ → グルタミン + ADP + リン酸

グルタミン合成酵素は、硝酸還元、アミノ酸分解、光呼吸によって生成されたアンモニアを利用します。グルタミン酸のアミド基は、グルタミン経路の代謝物の窒素源です。他の反応もGSを介して発生する可能性があります。アンモニウムイオンと水の間の競争、その結合親和性、アンモニウムイオンの濃度は、グルタミンの合成とグルタミンの加水分解に影響を与えます。アンモニウムイオンがアシルリン酸中間体に攻撃するとグルタミンが形成され、水が中間体に攻撃するとグルタミンが再形成されます。陽イオンと負に帯電した袋の間の静電気力により、アンモニウムイオンは水よりもGSにしっかりと結合します。もう一つの可能な反応は、NH₂OHがGSと結合してNH4⁺の代わりにγ-グルタミニルヒドロキサミンを生成することです。

図1. GSの酵素構造。

分類

• グルタミン合成酵素は3つのカテゴリに分けられます。

GSI: 原核生物に分布しています。

GSII: 主に真核生物や細菌、例えば根粒菌や放線菌に分布しています。

GSIII: Bacteroides fragilisやVibrio cellulolyticusなどの一部の細菌にのみ見られます。

• 高等植物の種子、葉、根、結節、果実などの器官にはさまざまなGSアイソザイムが分布しており、GS1、GS2、GSxの3種類に分けられます。

GS1: 細胞質GSまたは細胞質内GSで、3-5の核遺伝子によってコードされています。主に種子発芽時の蓄積された窒素源の移動や、葉の老化時の窒素源の移動と再利用に関与しています。

GS2: プラスチドGSまたはクロロプラストGSで、核遺伝子によってコードされています。主に光呼吸や硝酸還元によって生成されたアンモニアの同化過程に関与しています。

GSx: 通常、含量は少ないです。

作用の原理

この反応はアデノシン三リン酸を消費し、マグネシウムまたはマンガンイオンの参加を必要とします。グルタミンはさらにアンモニアの供与体として使用され、グルタミン酸合成酵素の作用によりケトグルタル酸と反応してグルタミン酸を生成します。これは高等植物における無機窒素から有機窒素への変換の主要な方法です。グルタミンは植物における重要な窒素貯蔵形態です。植物内のアンモニウムイオンの濃度が高いと、グルタミンが大量に合成され、アンモニウムイオンの蓄積による中毒を防ぐことができます。アミノ酸であるグルタミンは、細胞がタンパク質を合成するためだけでなく、アンモニアを輸送するためにも使用されます。遊離のアンモニウムイオンは生物にとって毒性があり、血液中に過剰に存在することはできませんが、一部の生物学的プロセスでは遊離のアンモニウムイオンが生成されます。したがって、グルタミンはこれらのアンモニウムイオンを輸送するために使用されます。細胞が過剰なアンモニウムイオンを輸送する必要があるとき、アンモニウムイオンとグルタミン酸を使用してグルタミンを合成し、ATPを消費します。この反応はグルタミン合成酵素によって触媒されます。この反応は2つのステップに分かれています。酵素は最初にATPをグルタミン酸と反応させてγ-グルタミルリン酸を生成し、次にアンモニウムイオンがリン酸を置き換えます。高等植物の研究では、GSは植物のアンモニア同化に必要な酵素として定義されることが多いです。ヒトのグルタミン合成酵素はhGSと呼ばれます。

機能

脳内のGSは、グルタミン酸の代謝調節、脳のアンモニアの解毒、アンモニアの吸収、神経伝達物質のリサイクル、神経伝達物質信号の終了に関与しています。脳は主に星状膠細胞に存在します。星状膠細胞は、過剰な量のアンモニアとグルタミン酸を摂取することによって神経細胞を興奮毒性から保護します。高アンモニウム環境（高アンモニア含量）では、星状膠細胞の腫れが発生します。異なる意見が星状膠細胞の腫れの問題を解決しています。ある研究では、形態的変化が発生し、グルタミン酸領域でのGSの発現が増加するか、グルタミン酸とアンモニアの高濃度の他の適応効果が減少することが示されました。別の見解では、星状膠細胞の腫れはグルタミンの蓄積によって引き起こされるとされています。皮質のグルタミン酸レベルと皮質の水分量の増加を防ぐために、MSOを使用してラットのGS活性を抑制する研究が行われました。