PC

関連する読書

序論

ピルビン酸カルボキシラーゼ（PC）はビオチン含有酵素であり、HCO^3-およびMgATP依存的にピルビン酸のカルボキシル化を触媒してオキサロ酢酸を生成する。本反応はアナプレロティック反応であり、複数の主要な生化学経路に必要なオキサロ酢酸を補充する。したがってPCは中間代謝において極めて重要な酵素であり、燃料分配、脂肪細胞分化、糖新生、ならびにインスリン分泌を制御する。

本酵素は1959年に初めて発見された。その後の継続的な研究により、構造および機能の理解は大きく進展した。多くの生物においてPCは四量体タンパク質であり、アセチルCoAおよびアスパラギン酸によりアロステリックに制御される。

近年、各種リガンドと結合したホロ酵素の高分解能結晶構造が得られ、カルボキシルトランスフェラーゼ、ビオチンカルボキシルキャリアドメイン、ならびにアロステリックエフェクタードメインを含むビオチンカルボキシラーゼの詳細が明らかとなった。古典的な生化学的手法および遺伝学的手法を組み合わせることで、糖新生を行わない組織におけるPCのbona fideな役割が検討されている。哺乳類におけるPC遺伝子プロモーターの初回クローニングと、それに続く転写研究により、組織特異的発現を制御するいくつかの主要な対応転写因子が同定された。

微生物におけるPCの役割

PCは、Pseudomonas、Bacillus、Rhizobium、Mycobacterium、Staphylococcus、および古細菌を含む多くの原核生物に存在する一方、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）を用いてホスホエノールピルビン酸（PEP）を直接オキサロ酢酸へ変換する腸内細菌には存在しない。酵母では、オキサロ酢酸を産生する代謝経路として、PC触媒反応とグリオキシル酸回路の2つがある。酵母が酢酸で増殖する場合、PC触媒によるオキサロ酢酸生成は阻害されるが、グリオキシル酸回路は活性化され、グルコース最少培地で増殖する場合はその逆となる。E. coliでは、PEPCがPCの機能を代替する。PCの過剰発現により、本菌における組換えタンパク質の産生が増加し得る。これは、オキサロ酢酸産生の改善により燃料酸化が促進されるためであると推測されている。

哺乳類組織におけるPCの役割

• 糖新生におけるPCの役割

PCは糖新生の最初の重要段階を触媒し、生成したオキサロ酢酸は、ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ（PEPCK）によりホスホエノールピルビン酸へ変換される後続反応に利用される。PEPCKはミトコンドリア型または細胞質型の2つのアイソフォームとして存在し、その相対比は種により異なる。オキサロ酢酸はミトコンドリア型PEPCKを介してPEPへ変換され、トリカルボン酸アニオンキャリア系により細胞質へ輸送された後、解糖系の逆反応経路および他の2つの糖新生酵素（すなわちフルクトース-1,6-ビスホスファターゼおよびグルコース-6-ホスファターゼ）の触媒によりグルコースへ変換される。しかし、細胞質NADH濃度が低く、ミトコンドリアNADH濃度が高い場合（飢餓時など）には、アラニンが肝臓におけるピルビン酸の主要供給源となり、PCにより生成したオキサロ酢酸は、還元当量を細胞質へ運搬する担体としても利用され得る。

• 脂肪細胞分化におけるPCの役割

PCは脂肪組織で高発現している。糖新生の主要酵素であるグルコース-6-ホスファターゼおよびフルクトース-1,6-ビスホスファターゼは脂肪組織には存在しないことから、BallardおよびHansonは、PCが脂肪酸のde novo合成に関与すると提唱した。PCが供給するオキサロ酢酸はクエン酸へ変換され、この経路に関与する。クエン酸はミトコンドリアから輸送され、細胞質で開裂してオキサロ酢酸とアセチルCoAを生成する。アセチルCoAは長鎖脂肪酸合成の基盤となる。

• 膵島におけるPCの役割

PCは、TCA回路への入力を補うために大量のオキサロ酢酸を供給することに加え、NADPHの生成にも関与する。「ピルビン酸サイクリング」と呼ばれるミトコンドリアと細胞質間のシャトルにより、高レベルのNADPHが産生される。PCにより生成したオキサロ酢酸はリンゴ酸またはクエン酸へ変換され、ピルビン酸／リンゴ酸シャトルまたはクエン酸／ピルビン酸シャトルを介してミトコンドリア外へ移行する。リンゴ酸酵素（EC 1.1.1.40）は、いずれのシャトルにおいてもNADPH産生を触媒する。これら2つのシャトルにより産生されるNADPH量は、ペントースリン酸経路から得られる量を大きく上回る。

図1．各種哺乳類組織におけるPCのアナプレロティックな役割（Jitrapakdee, S.; et al. 2010）