アシルCoA脱水素酵素

アシルCoA脱水素酵素（ACAD）は、細胞のミトコンドリアにおける脂肪酸β酸化の各サイクルの初期段階を触媒する酵素の一種です。その作用により、アシルCoAチオエステル基質のC2（α）とC3（β）の間にトランス二重結合が導入されます。^[1]酵素が機能するには、 活性部位グルタミン酸の存在に加えて、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）が必要です。

次の反応は、脂肪酸がFAD によって酸化されて補酵素 Aの α,β-不飽和脂肪酸チオエステルが生成される反応です。

ACAD は、短鎖、中鎖、長鎖脂肪酸 アシル CoA基質に対する特異性に基づいて 3 つの異なるグループに分類できます。さまざまな脱水素酵素がさまざまな鎖長の脂肪酸を標的としますが、すべてのタイプの ACAD はメカニズム的に類似しています。酵素の違いは、アミノ酸配列に沿った活性部位の位置に基づいて発生します。^[2]

ACAD は、摂取した食品に含まれる脂肪酸を代謝する役割を担うため、哺乳類 細胞における重要な酵素の 1 つです。この酵素の作用は、脂肪酸代謝(脂肪酸の長い鎖をアセチル CoA 分子に分解するプロセス) の最初のステップを表します。これらの酵素の欠損は、脂肪酸酸化(つまり代謝障害) を伴う遺伝性疾患に関連しています。^[3]

ACAD酵素は動物（主な真核生物のクラスは9つ）のほか、植物、^[4]線虫、^[5]真菌、^[6]細菌[7]でも確認されています。これらの9つのクラスのうち5つは脂肪酸β酸化に関与しており（SCAD、MCAD、LCAD、VLCAD、VLCAD2）、他の4つは分岐鎖アミノ酸代謝に関与しています（i3VD、i2VD、GD、iBD）。ほとんどのアシルCoA脱水素酵素はα4ホモテトラマーであり_、 2つのケース（非常に長鎖の脂肪酸基質の場合）はα2ホモダイマーです_。 特定の種類の細菌でステロイドCoAチオエステルとのα、β不飽和反応を触媒するアシルCoA脱水素酵素の追加のクラスが発見されました。^{[8] [9]}このクラスのACADは、通常のα4ホモテトラマーではなく、α2β2_{ヘテロテトラマーを}形成することが実証されており、これははるかに大きなステロイドCoA基質を収容するために進化したタンパク質構造である。^{[10] [11]}

ACAD はEC 1.3.99.3に分類されます。

中鎖アシルCoA脱水素酵素（MCAD）は、すべてのACADの中で最もよく知られている構造であり、動物の代謝障害につながるクラスの中で最も一般的に欠損している酵素です。^[1]このタンパク質はホモテトラマーであり、各サブユニットには約400個のアミノ酸とモノマーあたり1当量のFADが含まれています。テトラマーは、全体の直径が約90Åの「ダイマーのダイマー」に分類されます。^[2]

ACAD の単一二量体の 2 つのモノマー間のインターフェイスには FAD結合部位が含まれており、広範な結合相互作用があります。対照的に、2 つの二量体間のインターフェイスでは相互作用が少なくなります。テトラマー内には合計 4 つの活性部位があり、それぞれに単一の FAD 分子とアシル CoA基質結合部位が含まれています。これにより、酵素ごとに合計 4 つの FAD 分子と 4 つのアシル CoA基質結合部位が存在します。

FADはモノマーの 3 つのドメインの間に結合しており、ヌクレオチド部分のみがアクセス可能です。FAD 結合は酵素全体の安定性に大きく貢献します。アシル CoA基質は酵素の各モノマー内に完全に結合しています。活性部位は残基 F252、T255、V259、T96、T99、A100、L103、Y375、Y375、および E376 で並んでいます。基質内の対象領域は Glu 376 と FAD の間に挟まれ、分子が反応に理想的な位置に並びます。^[1]

MCADはアシルCoA基質のかなり広範囲の鎖長に結合できるが、研究によればその特異性はオクタノイルCoA（C8-CoA）を標的とする傾向があることがわかっている。^[12]

いくつかのステロイド資化細菌種（放線菌門およびシュードモナス門）における新規 ACAD 酵素構造が発見され、Mycobacterium tuberculosisなどの病原性生物によるコレステロールなどの遍在性ステロイド基質の利用に関与している。遺伝学的には、構造は 2 つの別々の遺伝子（オープンリーディングフレーム）によってコード化されており、これらは絶対 α ₂ β ₂ヘテロ四量体複合体を形成する。この構造は、 FAD 補因子結合残基の半分が各遺伝子に存在し、複合体として一緒に発現した場合にのみ完全な結合部位を形成することから、遺伝子重複と部分的機能喪失を引き起こした進化的イベントの結果である可能性が最も高い。これにより、基質結合部位が大幅に開き、さまざまな鎖長の脂肪酸ではなく、はるかに大きな多環式 CoA 基質を収容できるようになったと考えられる。

アシルCoA脱水素酵素の機構はE2脱離によって進行する。この脱離はグルタミン酸残基によって開始されるが、この残基は機構に必要であるものの保存されていない。^[1]

この残基は、酵素の異なるタイプ内で広範囲の場所に出現する（MCADではGlu 376）。グルタミン酸残基は、α炭素のプロR水素を脱プロトン化する。基質のカルボニル酸素がFADのリビチル側鎖の2'-OHと前述のグルタミン酸残基の主鎖NHの両方に水素結合すると、このプロトンのpKaが低下し、グルタミン酸によって容易に除去されるようになる。^[1]

アルファ炭素が脱プロトン化されるにつれて、ベータ炭素のプロR水素は協調的に水素化物としてFADから離れます。これはFADのN-5位のRe面に付加され、酵素はピリミジン部分との水素結合とジメチルベンゼン部分との疎水性相互作用を通じてFADを所定の位置に保持します。これで基質はα,β不飽和 チオエステルに変換されました。^[1]

FAD が水素化物を拾うと、 N-1窒素に隣接するカルボニル酸素は負に帯電します。これらの電子はN-1 窒素と共鳴し、結果として生じる負電荷を分散して安定化します。電荷は、対象の酸素と窒素、および酵素内のさまざまな残基間の水素結合によっても安定化されます。^[1]

アシルCoA脱水素酵素の欠損は脂肪酸の酸化能力の低下を招き、代謝機能障害を意味します。中鎖アシルCoA脱水素酵素欠損症（MCADD ）は、アシルCoA脱水素酵素の中で最も一般的に発生し、脂肪酸 酸化障害および生命を脅かす代謝性疾患の可能性につながるため、よく知られており特徴付けられています。中鎖アシルCoA脱水素酵素欠損症の症状には、絶食不耐性、低血糖、乳児突然死症候群などがあります。これらの症状は、脂肪を代謝できないことに直接関係していると考えられています。絶食不耐性および低血糖は、エネルギーを得て脂肪貯蔵庫から糖を作ることができないことから生じます。これは、人間の余分なエネルギーのほとんどが蓄えられる方法です。また、脂肪酸が血液中に蓄積し始め、血液のpHを下げてアシドーシスを引き起こす可能性があります。^[1]

MCAD は乳児突然死と関連しています。MCAD の症例の約 90% は、304 番目のリジン (Lys304) がグルタミン酸残基に置き換わる単一の点突然変異が原因で、酵素が適切に機能しなくなります。^[1]毎年、20,000 人に 1 人の乳児が突然変異によって中鎖アシル CoA 脱水素酵素の欠損を持って生まれていると報告されています。この変異は劣性であり、欠損のある子供の親は後に保因者として診断されることがよくあります。 [ ^3]

ヒトでは、 MCAD で最も一般的な自然発生的な変異は、アミノ酸残基 Lys-304 にあります。^[1]変化した残基は、リジン側鎖がグルタミン酸に置き換わる単一点変異の結果として発生します。Lys-304 は通常、 Gln-342、Asp-300、および Asp-346 と水素結合を形成することにより、周囲のアミノ酸残基と相互作用します。変異によりリジンがグルタミン酸に置き換わると、その部位に追加の負電荷が導入され、正常に発生する水素結合が破壊されます。このような破壊により酵素の折り畳みパターンが変わり、最終的に酵素の安定性が損なわれ、脂肪酸酸化における機能が阻害されます。^[12]変異タンパク質の効率は、天然タンパク質の約 10 倍低くなります。^[13]これにより、上記の欠乏症の症状が発生する可能性があります。

• アシルCoA
• ベータ酸化
• caiA RNAモチーフ

• 「分子グラフィックス画像は、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のバイオコンピューティング、視覚化、情報科学リソースの UCSF Chimera パッケージを使用して作成されました (NIH P41 RR-01081 によってサポートされています)。」
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• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)におけるアシル-CoA+デヒドロゲナーゼ