PEPC

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序論

ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）は、細菌、藻類および維管束植物の一次代謝における主要酵素であり、細胞質に存在すると考えられている。PEPCは、HCO^3-およびMg²⁺の存在下でホスホエノールピルビン酸（PEP）の不可逆的なβ-カルボキシル化を触媒し、オキサロ酢酸（OAA）と無機リン酸（Pi）を生成する。PEPCは、維管束植物、藻類、シアノバクテリア、光合成細菌を含むすべての光合成生物に広く分布するほか、非光合成細菌および原生動物にも存在する。維管束植物では、PEPCが触媒する反応は、C4光合成およびベンケイソウ型酸代謝（CAM）における光合成CO₂同化の主要な律速段階である。植物の多くの非光合成組織およびC3葉において、PEPCの主要な機能はアナプレロティック（補充）反応であり、各種生合成経路および窒素同化のために引き抜かれる中間体を補う形で、トリカルボン酸（TCA）回路に中間体を供給する。PEPCはまた、孔辺細胞およびマメ科植物の根粒におけるリンゴ酸供給にも寄与する。これらの広範な役割と整合して、PEPCは少数の遺伝子ファミリーによりコードされ、さまざまな植物組織で発現している。

構造

PEPCは植物および一部の細菌に存在するが、真菌や動物（ヒトを含む）には存在しない。PEPカルボキシラーゼの結晶構造は、トウモロコシおよびEscherichia coliを含む複数の生物種で決定されている。酵素全体は二量体がさらに二量体化した「二量体の二量体」として存在する。すなわち、同一の2サブユニットが、アルギニン（R438：正確な位置は遺伝的由来により変動し得る）とグルタミン酸（E433）間の塩橋を介して強固に相互作用し、二量体を形成する。この二量体が（より緩やかに）同種の二量体と会合して、4サブユニット複合体を形成する。単量体サブユニットは主としてαヘリックス（65%）から構成され、各サブユニットの分子量は106 kDaである。酵素の活性部位は完全には解明されていないが、保存性の高いアスパラギン酸（D564）およびグルタミン酸（E566）残基を含み、これらはカルボン酸官能基を介して二価金属補因子イオンに非共有結合で結合している。

機構

多くのPEPCは代謝酵素であり、その活性は多様な代謝エフェクターにより調節される。維管束植物におけるPEPC活性はさらに、N末端近傍に存在する保存性Ser残基の可逆的リン酸化によって制御される。PEPCがリン酸化されると、フィードバック阻害因子であるリンゴ酸に対する感受性が低下し、活性化因子であるグルコース6-リン酸（Glu6P）に対する感受性が上昇する結果、酵素活性が高まる。PEPCのリン酸化は、PEPCキナーゼと呼ばれる専用の酵素により触媒され、このキナーゼもまた少数の遺伝子ファミリーによりコードされる。C3植物の葉における窒素同化の亢進やPi欠乏など、PEPC活性の上昇をもたらす処置は、PEPCキナーゼ遺伝子の発現およびPEPCのリン酸化を誘導する。これらの機構は、反応が不可逆であるという性質から植物にとって必須であるPEPC活性を、厳密に制御している。

機能

ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）は、ホスホエノールピルビン酸と二酸化炭素との不可逆反応を触媒してオキサロ酢酸を生成する酵素である。植物および細菌に広く存在し、動物および糸状性抗酸菌には存在しない。植物では葉緑体に、細菌では可溶性画分に存在する。E. coliの本酵素は約36万の分子量を有する四量体であり、アセチルCoAによる活性化やアスパラギン酸による阻害など、多くの因子の影響を受け得る。本酵素はアロステリック酵素であり、主な機能はTCA回路にオキサロ酢酸を供給することである。また、C4植物の光合成CO₂固定反応（C4ジカルボン酸回路）およびベンケイソウ属におけるリンゴ酸生成（ベンケイソウ型酸代謝）にも関連する。