トランスアルドラーゼ

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トランスアルドラーゼは、ペントースリン酸経路の非酸化的分岐に属する酵素の一つであり、フルクトース6-リン酸からエリトロース4-リン酸へジヒドロキシアセトン部分を可逆的に転移し、セドヘプツロース7-リン酸およびグリセルアルデヒド3-リン酸を生成する。反応機構には、クラスIアルドラーゼに特徴的な、活性部位リジンによるシッフ塩基中間体の形成が含まれる。アミノ酸配列の比較から、トランスアルドラーゼは2つのサブクラス、すなわちトランスアルドラーゼサブファミリーおよびMipB/TalCサブファミリーに分類できることが示唆されている。トランスアルドラーゼサブファミリーの酵素の多くは、ポリペプチド鎖あたり約320～350アミノ酸から構成される。このサブファミリーの代表例である大腸菌（Escherichia coli）トランスアルドラーゼの結晶構造解析により、これらの酵素が8本鎖のα/βバレルフォールドを有し、環状置換（circular permutation）により他のクラスIアルドラーゼと関連することが明らかとなった。トランスアルドラーゼ遺伝子におけるこの置換により、触媒リジン残基は、クラスIアルドラーゼで典型的なβストランド6の位置から、α/βバレルのβストランド4へと移動している。

図1．トランスアルドラーゼの構造。

機構

ペントースリン酸経路には2つの代謝機能がある。(1) 還元的生合成のためのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（還元型NADPH）の産生、(2) ATP、DNAおよびRNAの重要な構成要素であるリボースの生成である。トランスアルドラーゼはペントースリン酸経路と解糖系を連結する。トランスアルドラーゼ欠損患者では、エリスリトール（エリトロース4-リン酸由来）、D-アラビトールおよびリビトールが蓄積する。TALDO1遺伝子における3塩基対の欠失は、トランスアルドラーゼタンパク質の171位のセリン欠失を引き起こし、同部位が高度に保存された領域の一部であることから、この変異が赤血球およびリンパ芽球におけるトランスアルドラーゼの酵素欠損をもたらすことが示唆される。乳児早期には、このアミノ酸の欠如により肝硬変および肝脾腫（肝臓および脾臓の腫大）を来し得る。トランスアルドラーゼは、多発性硬化症患者における自己免疫標的でもある。

構造

トランスアルドラーゼは、337アミノ酸からなる単一ドメインである。活性部位はバレル中心に位置し、3つの主要残基（リジン142、グルタミン酸106、アスパラギン酸27）を含む。リジンは糖を所定位置に固定し、グルタミン酸およびアスパラギン酸はプロトンドナーおよびアクセプターとして作用する。中核構造は、他のクラスIアルドラーゼと同様のα/βバレルであり、8本の平行βシートと7本のαヘリックスから構成される。さらに、バレルに含まれない7本のαヘリックスが存在する。疎水性アミノ酸は、バレル内のβシート層と周囲のαヘリックスの間に配置され、構造の安定化に寄与する。例えば、Leu-168、Phe-170、Phe-189、Gly-311およびPhe-315を含む領域が挙げられる。結晶中では、ヒトトランスアルドラーゼは二量体を形成し、2つのサブユニットは各サブユニット内の18残基により連結されている。

触媒

トランスアルドラーゼの活性部位にあるリジン142残基は、同じく活性部位のグルタミン酸106により脱プロトン化された後、ヘプトース7-リン酸のケトン基とシッフ塩基を形成する。反応機構は、アルドラーゼが触媒する逆反応に類似しており、炭素3と4を結ぶ結合が開裂し、ジヒドロキシアセトンがシッフ塩基を介して酵素に結合する。この開裂反応により、非典型的なアルドースであるエリトロース4-リン酸が生成される。続いて、トランスアルドラーゼは、ジヒドロキシアセトンのシッフ塩基とグリセルアルデヒド3-リン酸の縮合を触媒し、酵素結合型フルクトース6-リン酸を生成する。シッフ塩基の加水分解により遊離のフルクトース6-リン酸が放出され、これはペントースリン酸経路の生成物の一つである。