ホスファターゼ

関連する読書

序論

ホスファターゼは、対応する基質を脱リン酸化できる酵素であり、すなわちリン酸モノエステルを加水分解して基質分子からリン酸基を除去し、リン酸イオンと遊離ヒドロキシル基を生成する。ホスファターゼの役割は、ATPなどのエネルギー分子を利用して対応する基質分子にリン酸基を付加できるリン酸化酵素であるキナーゼとは逆である。多くの生物に広く存在するホスファターゼとして、アルカリホスファターゼが挙げられる。

図1．ホスファターゼの構造。

酸性ホスファターゼ

酸性ホスファターゼの誘導および分泌は、低リン環境に対する植物の重要な適応応答の一つである。酸性ホスファターゼは、さまざまな有機リン基質からリン酸基を加水分解し、植物による取り込みおよび利用を可能にする。植物の酸性ホスファターゼの多くは明確な基質特異性を示さず、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できる。酸性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応答であり、この適応変化は、リン欠乏応答遺伝子の協調的発現の結果でもある。これら応答遺伝子産物の直接的または間接的作用により、リンの取り込み、転流および効率的利用が促進される。

図2．酸性ホスファターゼ。

アルカリホスファターゼ

アルカリホスファターゼは非特異的なリン酸モノエステラーゼであり、ほぼすべてのリン酸モノエステルの加水分解を触媒して、無機リン酸および対応するアルコール、フェノール、糖などを生成する。また、リン酸基転移反応も触媒し、E. coli A Pにおいてはホスファイト依存性ヒドロゲナーゼとして機能する。APは高等植物を除くほぼすべての生物に存在し、リン代謝に直接関与して、カルシウムおよびリンの消化、吸収、分泌ならびに骨化において役割を果たす。カルシウムおよびリンの消化、吸収、分泌、ならびに骨化過程において重要な役割を担う。

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、リン酸化という観点ではキナーゼと拮抗する。リン酸化により、酵素が活性化または不活化され得るほか、タンパク質間相互作用（例：SH2構造ドメイン）が生じ得る。したがって、多くのシグナル伝達経路におけるリン酸化制御にはホスファターゼが必要である。リン酸化または脱リン酸化が必ずしも酵素の活性化または阻害に対応するとは限らず、活性化／阻害の調節に関与する複数のリン酸化部位を有する酵素も存在する。例えば、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）にはリン酸化され得る複数の特異的アミノ酸残基があり、活性化または阻害は異なる残基のリン酸化に対応する。リン酸がシグナル伝達において重要である理由は、結合先タンパク質の作用を調節できる点にあり、リン酸の除去は逆方向の効果（リン酸化が活性化であれば脱リン酸化は阻害）をもたらす。この点でホスファターゼは重要な役割を果たす。

触媒機構

システイン依存性ホスファターゼは、以下の過程でリン酸-システイン中間体を形成することによりリン酸結合の開裂を触媒する（例としてチロシン残基の脱リン酸化を用いる）。まず、酵素活性部位に存在する遊離システインの求核基がリン酸基のリン原子を攻撃して結合を形成する。次に、リン酸基とチロシンを連結する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）または水分子から供与されるプロトンを受容してプロトン化され、リン酸-システイン中間体が形成される。この中間体は別の水分子により加水分解され、酵素活性部位が再生されて次の脱リン酸化反応へ進行できる。金属ホスファターゼの活性部位には、触媒に必須な2つの金属イオンが結合する。これら2つの金属イオンの性状に関する研究結果は一貫しておらず、現時点では結論に至っていない。利用可能なエビデンスからは、2つの金属がマグネシウム、マンガン、鉄、亜鉛の任意の組合せであり得ること、ならびに2つの金属イオンが水酸化物イオンによって架橋されていることが示唆される。この水酸化物イオンは、リン原子に対する求核攻撃に関与すると現在考えられている。