PAL

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フェニルアラニンアンモニアリアーゼ（PAL）は、L-フェニルアラニンからアンモニアを直接脱離させ、trans-ケイ皮酸を生成する反応を触媒する酵素である。オオムギに存在する。高等植物、酵母および真菌の可溶性画分に存在する。推定分子量は300,000である。本酵素は、フェニルアラニンをフェノール性化合物の合成に利用し得る。多くの場合、本反応はフェノール性化合物合成における律速段階となる。組織中の活性は外的因子により大きく変動し、光、病害、植物ホルモンによる処理により活性が著明に増加する。さらに、光感受性色素の影響を受ける場合もある。多くの場合、組織中の活性が増加する一方で酵素の不活化が生じ、この時点で組織中の活性酵素量は速やかに減少する。この不活化はタンパク質様物質の作用と関連すると考えられている。加えて、不活性酵素の存在も指摘されている。

図1. PALのタンパク質構造。

構造

フェニルアラニンアンモニアリアーゼは4つの同一サブユニットから構成され、主としてαヘリックスから成り、モノマーのペアが単一の活性部位を形成する。PALにおける触媒作用は、活性部位に関連する7種類の異なるαヘリックスの双極子モーメントにより規定される可能性がある。活性部位には、3本のヘリックスに非共有結合的に結合した求電子性基MIOが含まれる。Leu266、Asn270、Val269、Leu215、Lys486およびIle472は活性部位ヘリックス上に位置し、Phe413、Glu496およびGln500はMIO補因子の安定化に寄与する。活性部位においてヘリックスにより生じる双極子モーメントの向きは、MIOと理想的に反応するための正電荷領域を形成する。活性部位の正電荷領域の一部は、カルバニオン中間体の電荷安定化にも寄与し得る。PALは、機能的に関連するヒスチジンアンモニアリアーゼと構造的に類似しているが、PALには約215残基が追加で存在する。

機能

フェニルアラニンアンモニアリアーゼは、種により異なる機能を担う。主として特定の植物および真菌（すなわち酵母）に存在する。真菌および酵母細胞において、PALは重要な異化作用を担い、炭素および窒素を産生する。植物においては、PALは重要な生合成酵素であり、多様なポリフェニレン化合物合成の第一段階を触媒し、主として防御機構に関与する。PALは5つの代謝経路（チロシン代謝、フェニルアラニン代謝、窒素代謝、フェニルプロパン生合成、アルカロイド生合成）に関与する。

反応機構

フェニルアラニンアンモニアリアーゼはL-Pheに特異的であり、L-チロシンに対してはそれより低い特異性を示す。PALが触媒する反応は自発的な脱離反応であり、酸化的脱アミノ化反応ではない。

L-フェニルアラニン→trans-ケイ皮酸 + NH₃

補因子である3,5-ジヒドロ-5-メチリデン-4H-イミダゾール-4-オン（MIO）は反応に関与し、活性部位に存在する3本の極性ヘリックスの正極の上方に位置することで、その求電子性の増大に寄与する。MIOはL-Pheの芳香環から攻撃を受け、β炭素上のC–H結合を活性化し、塩基性残基により脱プロトン化が進行する。E1cB機構により反応のカルバニオン中間体（活性部位の部分的正電荷領域により安定化）が生成され、その後アンモニアが脱離してケイ皮酸オレフィンが形成される。PALの反応機構は、関連酵素であるヒスチジンアンモニアリアーゼのそれと類似すると考えられている。長らく、デヒドロアラニン残基がPALおよびHALにおける鍵となる求電子性触媒残基と考えられていたが、その後、より求電子性の高い活性残基としてMIOが同定された。MIOは保存性の高いAla-Ser-Glyトリペプチド断片の環化および脱水により形成される。