フォスファターゼ

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導入

ホスファターゼは、基質分子からリン酸基を加水分解してリン酸イオンと遊離水酸基を生成することによって、対応する基質を脱リン酸化する能力を持つ酵素です。ホスファターゼの役割は、エネルギー分子（ATPなど）を使用して対応する基質分子にリン酸基を追加するリン酸化酵素であるキナーゼの役割とは逆です。多くの生物に一般的に見られるホスファターゼはアルカリホスファターゼです。

図1. ホスファターゼの構造。

酸ホスファターゼ

酸ホスファターゼの誘導と分泌は、低リン環境に対する植物の重要な適応反応の一つです。酸ホスファターゼは、植物の吸収と利用のために、さまざまな有機リン酸基質からリン酸基を加水分解することができます。ほとんどの植物の酸ホスファターゼは明確な基質特異性を持たず、RNA、DNA、3-ホスホグリセリン酸、ヘキソースリン酸などの基質を加水分解することができます。酸ホスファターゼの分泌は、植物における低リンストレスに対する一般的な適応反応であり、この適応変化はリン欠乏応答遺伝子の協調的な発現の結果でもあり、リンの吸収、移動、効率的な利用を促進します。

図2. 酸ホスファターゼ。

アルカリホスファターゼ

アルカリホスファターゼは、ほぼすべてのリン酸モノエステルの加水分解を触媒し、無機リン酸と対応するアルコール、フェノール、糖などを生成する非特異的リン酸モノエステラーゼです。また、リン酸基の転送を触媒することもでき、E. coliのリン酸塩依存性水素化酵素です。APは高等植物を除くほぼすべての生物に存在し、リンの代謝に直接関与し、カルシウムとリンの消化、吸収、分泌、骨化において重要な役割を果たします。

図3. アルカリホスファターゼ。

生物学的機能

ホスファターゼは、リン酸化に関してキナーゼまたはホスファターゼの逆の役割を果たします。リン酸化は酵素を活性化または不活性化させることができ、またはタンパク質間相互作用が発生することがあります（例：SH2構造ドメイン）。したがって、ホスファターゼは多くのシグナル伝達経路によるリン酸化の制御に必要です。リン酸化または脱リン酸化は必ずしも酵素の活性化または抑制に対応するわけではなく、一部の酵素は活性化または抑制の調節に関与する複数のリン酸化部位を持っています。たとえば、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）は、リン酸化される可能性のある複数の特定のアミノ酸残基を持ち、活性化または抑制は異なる残基のリン酸化に対応します。リン酸がシグナル伝達に重要である理由は、それが結合するタンパク質の作用を調節する能力にあり、リン酸の除去は逆の効果を持ちます（リン酸化が活性化であれば、脱リン酸化は抑制となります）。ここでホスファターゼが重要な役割を果たします。

触媒メカニズム

システイン依存性ホスファターゼは、以下のプロセスでリン酸結合の切断を触媒し、リン酸-システイン中間体を形成します（チロシンの脱リン酸化のリン酸化を例として使用）。まず、酵素の活性部位にある遊離システインのヌクレオフィリック基がリン酸基のリン原子を攻撃し、結合を形成します。次に、リン酸基とチロシンを結ぶP-O結合が、適切に配置された酸性アミノ酸（例：アスパラギン酸）または水分子によって提供されるプロトンを受け入れ、プロトン化を受けてリン酸-システイン中間体が形成されます。この中間体は別の水分子によって加水分解され、酵素の活性部位が解放され、次の脱リン酸化反応に進むことができます。金属ホスファターゼの活性部位は、触媒に必要な2つの金属イオンを結合します。これら2つの金属イオンの性質に関する研究結果は一貫しておらず、したがって結論を出すことはできません。利用可能な証拠は、2つの金属がマグネシウム、マンガン、鉄、亜鉛の任意の組み合わせである可能性があり、2つの金属イオンが水酸化物イオンによって結びついていることを示唆することしかできません。この水酸化物イオンは、リンに対するヌクレオフィリック攻撃に関与していると考えられています。