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（ヒドロラーゼ）に属し、その下位分類であるアミノヒドロラーゼの一種で、いわゆるN末端求核性ヒドロラーゼ群を代表する酵素である。本酵素はペニシリンとH₂Oを基質として、カルボキシラートおよび6-アミノペニシラネートを生成する反応を触媒する。本酵素群の系統名はペニシリンアミドヒドロラーゼである。一般に用いられる別名として、ペニシリンアシラーゼ、ベンジルペニシリンアシラーゼ、α-アシルアミノ-β-ラクタムアシルヒドロラーゼ、アンピシリンアシラーゼなどがある。ペニシリンアミダーゼは細菌、酵母、糸状菌で見出されている。主な機能は、複素環化合物を炭素源として利用することにある。

分類

ペニシリンを受容する各種酵素を体系的に整理するため、これら酵素の分類法が提案されている。本酵素群の総称はα-アシルアミノ-β-ラクタムアシルヒドロラーゼであり、好適なアシル基（アシルモエティ）に応じて複数のタイプに区分される。

表1. α-アシルアミノ-β-ラクタムアシルヒドロラーゼの分類。

構造

ペニシリンアミダーゼは、切断反応およびカップリング反応の双方を触媒し得る。本酵素は通常、大腸菌（E. coli）由来として得られる。23 kDの小型aサブユニットと62 kDの大型bサブユニットからなるヘテロ二量体のペリプラズムタンパク質である。触媒サイクルは、β鎖（bS1）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が、基質のアミド結合またはエステル結合のカルボニル炭素原子に求核攻撃することから開始される。四面体型オキシアニオン中間体を経て、脱離基の離脱と同時にアシル酵素中間体が形成される。その後、アシル酵素はβ-ラクタム求核剤によって脱アシル化され、半合成β-ラクタム系抗菌薬を与えるか、あるいはH₂Oによって脱アシル化され、加水分解生成物を与える。

図1. ペニシリンアミダーゼの構造。（D.B. Janssen）

触媒機構

ペニシリンアミダーゼは、ある求核剤から別の求核剤へアシル基を転移する反応を触媒する。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フェニルアセチル基を転移する反応に相当する。アシル化機構は、リパーゼやプロテアーゼなど他のセリンヒドロラーゼにおける機構と類似しており、アシル酵素中間体を経て進行する。この共有結合性中間体は、ペニシリンGにより活性セリン残基のヒドロキシル基がアシル化され、6-アミノペニシラニン酸が遊離することで形成される。続いてアシル酵素は水と反応し、フェニル酢酸および本来の酵素を生成する。すべての段階は可逆であるため、水活性が低い条件下では、原理的に逆反応—酸からアミドへの変換—も可能である。

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機構。（Van Langen, L.M. 2001）

多くのセリンヒドロラーゼでは、隣接するアミノ酸残基（触媒三残基Asp-His-Ser）の協調作用によりセリン残基の求核性が増強される。しかし、ペニシリンアシラーゼの三次元構造を精査すると、触媒活性を担うセリン近傍に塩基性残基は認められなかった。このため、ペニシリンアシラーゼの活性セリンのヒドロキシル基が、水分子を介した架橋により自身のN末端アミノ基によって活性化されるという機構が提唱された。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、ならびにAsn241のNδとの相互作用により安定化される。

生理学的機能

ペニシリンアミダーゼは通常、ペニシリンを産生する生物に存在するが、本酵素の生理学的役割は明確ではない。本酵素は、β-ラクタマーゼが担う主要な役割と比較すると、β-ラクタム系抗菌薬に対する耐性への寄与は小さいと考えられるが、一部の生物では重要である可能性がある。例えば、高度耐性のFrancisella tularensis株はいずれもβ-ラクタマーゼ活性とペニシリンアシラーゼ活性の双方を有していた。さらに、糸状菌の自己溶解過程において、PenGおよびPenVアシラーゼ活性の増加が観察されている。

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きた。実務上、本酵素はペニシリン系抗菌薬合成における主要シントンである6-アミノペニシラニン酸の製造に一般的に用いられる。ペニシリンアミダーゼはまた、各種半合成β-ラクタム系抗菌薬の合成にも使用される。本酵素の広い基質特異性ならびに高い位置選択性、化学選択性および立体選択性は、キラル化合物（現代の医薬品分野で需要が増大している）の製造に利用されるほか、ペプチド合成およびファイン有機合成におけるヒドロキシ基およびアミノ基の保護にも活用されている。

参考文献