ペニシリンアミダーゼ

ペニシリンアミダーゼ（EC 3.5.1.11、PA、ペニシリンアシラーゼ）は、加水分解酵素のクラスに属し、アミノ加水分解酵素のサブクラスであり、いわゆるN末端求核性加水分解酵素のグループを表します。ペニシリンとH₂Oを触媒し、カルボキシレートと6-アミノペニシラネートを形成します。この酵素クラスの系統名はペニシリンアミド加水分解酵素です。一般的に使用される他の名前には、ペニシリンアシラーゼ、ベンジルペニシリンアシラーゼ、アルファ-アシルアミノ-ベータ-ラクタムアシル加水分解酵素、アミピシリンアシラーゼが含まれます。ペニシリンアミダーゼは、細菌、酵母、真菌に見られます。その主な機能は、ヘテロ環化合物を炭素源として利用することです。

分類

すべての異なるペニシリン受容酵素を分類するために、これらの酵素の分類が提案されています。この酵素クラスの一般名はアルファ-アシルアミノ-ベータ-ラクタムアシル加水分解酵素であり、好ましいアシル部分に応じていくつかのタイプに分かれています。

表1. アルファ-アシルアミノ-ベータ-ラクタムアシル加水分解酵素の分類。

構造

ペニシリンアミダーゼは、切断反応と結合反応の両方を触媒できます。この酵素は通常、E. coliから得られます。これは、23 kDの小さなαサブユニットと62 kDの大きなβサブユニットからなるヘテロ二量体のペリプラズミックタンパク質です。触媒サイクルは、基質のアミドまたはエステル結合のカルボニル炭素原子にあるβ鎖のアミノ末端に位置する活性部位セリンのヒドロキシル基による求核攻撃から始まります。四面体オキシアニオン中間体を介して、アシル-酵素が形成され、離脱基の出発と同時に進行します。アシル-酵素は、その後、β-ラクタム求核剤によって脱アシル化され、半合成のβ-ラクタム抗生物質を生成するか、H₂Oによって加水分解生成物を生成します。

図1. ペニシリンアミダーゼの構造。（D.B. ヤンセン）

触媒メカニズム

ペニシリンアミダーゼは、ある求核剤から別の求核剤へのアシル基の転送を触媒します。ペニシリンGの加水分解は、6-アミノペニシラニン酸から水へのフェニルアセチル部分の転送を構成します。アシル化のメカニズムは、リパーゼやプロテアーゼなどの他のセリン加水分解酵素に関与するものと類似しており、アシル-酵素中間体を介して進行します。この共有結合中間体は、6-アミノペニシラニン酸の遊離に伴い、ペニシリンGによって活性セリン残基のヒドロキシル基がアシル化されることによって形成されます。その後、アシル-酵素は水と反応してフェニルアセチル酸と元の酵素を生成します。すべてのステップが可逆的であるため、原則として、酸からアミドへの変換という逆プロセスが低水活性で可能です。

図2. ペニシリンアシラーゼ触媒によるアミド加水分解のメカニズム。（ヴァン・ランゲン、L.M. 2001）

ほとんどのセリン加水分解酵素では、セリン残基の求核性は、隣接するアミノ酸残基（触媒トライアドAsp-His-Ser）の結合作用によって強化されます。しかし、ペニシリンアシラーゼの三次元構造を調査したところ、触媒活性のあるセリンの近くに基本的な残基は見られませんでした。したがって、ペニシリンアシラーゼの活性セリンのヒドロキシル機能が、架橋水分子を介して自身のN末端アミノ機能によって活性化されるメカニズムが仮定されました。オキシアニオン四面体中間体は、B23およびB69の主鎖アミドおよびAsn241のNδとの相互作用によって安定化されます。

生理的機能

ペニシリンアミダーゼは通常、ペニシリンを合成する生物に存在しますが、酵素の生理的役割は不明です。この酵素は、β-ラクタム抗生物質に対する抵抗性の小さな程度を説明するだけであり、主要な役割を果たすβ-ラクタマーゼと比較して、いくつかの生物において重要である可能性があります。たとえば、フランシセラ・チュラレンシスの高度耐性株は、すべてβ-ラクタマーゼとペニシリンアシラーゼ活性を持っていました。さらに、糸状菌の自己溶解中にペニシリンGおよびペニシリンVアシラーゼ活性の増加が観察されています。

応用

ペニシリンアミダーゼは、50年以上にわたり広範に研究されています。実際、この酵素は、ペニシリン抗生物質の合成における主要な合成中間体である6-アミノペニシラニン酸を生成するために一般的に使用されます。ペニシリンアミダーゼは、さまざまな半合成β-ラクタム抗生物質の合成にも使用されます。酵素の広範な基質特異性と高い位置選択性、化学選択性、立体選択性は、現代の製薬でますます需要が高まっているキラル化合物の生産や、ペプチドおよび精密有機合成におけるヒドロキシルおよびアミノ基の保護に利用されます。

参考文献