トランスケトラーゼ

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トランスケトラーゼ（Transketolase）は、ペントースリン酸回路および光合成における還元的ペントースリン酸回路で重要な役割を担う酵素である。細菌、酵母、ホウレンソウ、肝臓などに広く存在する。結晶化にも成功している。補欠分子族としてチアミンピロリン酸（TPP）およびMg⁺⁺を有する。

構造

本酵素の活性部位入口は、主として複数のアルギニン、ヒスチジン、セリン、アスパラギン酸の側鎖から構成され、グルタミン酸側鎖は二次的な役割を果たす。これらの側鎖、特にArg359、Arg528、His469、Ser386は各トランスケトラーゼで保存されており、供与体および受容体基質のリン酸基と相互作用する。基質チャネルが狭いため、供与体基質と受容体基質は同時に結合できない。同様に、基質はこの狭いチャネルに適合するよう、活性部位に結合する際にわずかに伸長する。本酵素は、リン酸化・非リン酸化単糖（ケトースおよびアルドース、フルクトース、リボース等）を含む多様な基質に結合し得る一方で、糖のヒドロキシ基の三次元配置に対して高い特異性を示す。ケトース供与体のC-3およびC-4位のヒドロキシ基は、アルドース受容体のC-1およびC-2位に正しく対応するためにD-threo配置である必要がある。さらに、Asp477、His30、His263残基との相互作用により、活性部位で基質を安定化する。したがって、ヒドロキシ基の配置や立体化学を含むこの配置が破綻すると、残基と基質間の水素結合が変化し、基質に対する親和性が低下する。

機能

本酵素の機能は、ケトースリン酸上のケトール基（ketol）をアルドースリン酸へ転移することである。切断される分子および結合により生成する分子の双方がケトール基を有するため、トランスケトラーゼと呼ばれる。キシルロース5-リン酸、セドヘプツロース7-リン酸、フルクトース6-リン酸等は、ケトール基供与体として生化学的に重要な物質である。すべての糖は、示される3位および4位のOH基が所定の配置をとる必要がある。加えて、キシルロース、エリスルロース、ヒドロキシピルビン酸等もケトール基供与体として利用可能であるが、上記のリン酸化合物に比べ反応性は低い。ケトール基受容体としては、グリセルアルデヒド3-リン酸、エリトロース4-リン酸、リボース5-リン酸、グリコールアルデヒドが挙げられる（ヒドロキシピルビン酸由来のものを除く）。一般に、これらの反応は可逆的である。

機構

トランスケトラーゼは、植物の光合成におけるカルビン回路で中心的役割を担う。その活性は植物の最大光合成速度の律速因子である。活性がわずかに低下するだけでも、植物の成長速度および芳香族化合物の生成が低下し、アミノ酸およびフェニルアラニン代謝産物が抑制される。TKは植物光合成において鍵となる役割を果たし、かつ各種植物におけるTKタンパク質の配列および機能は非常に類似しているため、TKの研究は植物の光合成効率の改善および新規除草剤の研究において重要な意義を有する。TKは最初にSaccharomyces cerevisiaeで発見され、その後、細菌、植物、動物にも存在することが明らかとなったため、広く注目を集めている。多くの研究者が本遺伝子の生理機能および代謝活性を相次いで解明してきた。SCHENKらの研究によれば、TKはケトースリン酸からアルドースリン酸への2炭素単位の可逆的転移を触媒し、6炭糖、5炭糖、4炭糖、3炭糖間の可逆的変換を促進する。生物種により、TKの基質特異性も異なる。

疾患における役割

チアミンが欠乏するとトランスケトラーゼ活性は低下し、これは通常、栄養不良に起因する。チアミン欠乏は、脚気やビオチン・チアミン反応性基底核疾患など複数の疾患と関連する。ウェルニッケ・コルサコフ症候群では、変異を証明できない場合でも、トランスケトラーゼのチアミンに対する親和性が低下している人においてのみ、チアミン欠乏がウェルニッケ・コルサコフ症候群を引き起こし得ることを示唆する所見がある。このようにしてトランスケトラーゼ活性が著しく阻害され、その結果、ペントースリン酸経路全体が抑制される。