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| アラニンラセマーゼ | |||||||||
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 アラニン ラセマーゼ ホモテトラマー、Oenococcus oeni | |||||||||
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| EC番号 | 5.1.1.1 | ||||||||
| CAS番号 | 9024-06-0 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| 遺伝子オントロジー | アミゴー / クイックゴー | ||||||||
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| アララセマゼN | |||||||||
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 病原性細菌である緑膿菌由来のアラニンラセマーゼの1.45Åの結晶構造には、内部および外部のアルジミン形態の両方が含まれている。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | アララセマゼN | ||||||||
| パム | PF01168 | ||||||||
| ファム一族 | CL0036 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PDOC00332 | ||||||||
| SCOP2 | 1sft / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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| アララセマーゼC | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | アララセマーゼC | ||||||||
| パム | PF00842 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PDOC00332 | ||||||||
| SCOP2 | 1sft / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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酵素学では、アラニンラセマーゼ（EC 5.1.1.1）は化学反応を触媒する酵素である。
- L-アラニンD-アラニン
したがって、この酵素には 1 つの基質( L-アラニン)と 1 つの生成物(D-アラニン)があります。
この酵素は、アイソメラーゼファミリー、特にアミノ酸および誘導体に作用するラセマーゼおよびエピメラーゼに属します。この酵素クラスの系統名はアラニンラセマーゼです。この酵素は、 L-アラニンラセマーゼとも呼ばれます。この酵素は、アラニンおよびアスパラギン酸代謝とD-アラニン代謝に関与します。ピリドキサールリン酸という1つの補因子を使用します。少なくとも2つの化合物、3-フルオロ-D-アラニンとD-シクロセリンがこの酵素を阻害することが知られています。
アラニンラセマーゼによって生成される D-アラニンは、ペプチドグリカンの生合成に使用されます。ペプチドグリカンは、人間に有害なものも含め、あらゆる細菌の細胞壁に存在します。この酵素は高等真核生物には存在しませんが、原核生物のいたるところに存在するため、アラニンラセマーゼは抗菌薬開発の優れたターゲットとなっています。[1]アラニンラセマーゼは、一部の無脊椎動物に存在します。[2]
細菌は、1つ（alr遺伝子）または2つのアラニンラセマーゼ遺伝子を持つことができます。アラニンラセマーゼ遺伝子を2つ持つ細菌種は、1つは継続的に発現し、もう1つは誘導性であるため、両方の遺伝子を薬物研究の対象とすることは困難です。しかし、ノックアウト研究では、alr遺伝子が発現していない場合、細菌は生存するために外部からのD-アラニン源を必要とすることが示されています。したがって、alr遺伝子は抗菌薬の実現可能なターゲットです。[1]
アラニンラセマーゼは、2002年時点で、5つのアミノ酸からなる左巻きαヘリックスを含む唯一の既知のタンパク質であり、その時点で発見された最も長い左巻きαヘリックスであった。[3]
構造研究
D 型アラニンと L 型アラニンの相互変換を触媒するために、アラニン ラセマーゼは、アラニンのアルファ炭素の両側にプロトンを交換できる残基を配置する必要があります。酵素阻害剤複合体の構造研究は、チロシン 265 とリジン 39 がこれらの残基であることを示唆しています。L 型エナンチオマーのアルファ プロトンは Tyr265 に向いており、D 型エナンチオマーのアルファ プロトンは Lys39 に向いています (図 1)。
酵素残基とエナンチオマー間の距離はそれぞれ3.5Åと3.6Åである。[4]合成L-アラニン類似体、強結合阻害剤[5]、プロピオン酸[6]との酵素複合体の構造研究により、Tyr265とLys39が反応の触媒塩基であることがさらに確認された。[5] [7]
PLP-L-Ala と PLP-D-Ala 複合体はほぼ重ね合わせることができます。[4]重なり合わない領域は、PLP のピリジン環とアラニンのアルファ炭素に結合した腕です。リン酸酸素とピリジン窒素原子の両方が PLP-Ala の 5' ホスホピリドキシル領域と相互作用することで、酵素との強固な結合が形成されると考えられます。[4]
バチルス ステアロサーモフィルス(Geobacillus stearothermophilus)由来のアラニンラセマーゼの構造は、 X 線結晶構造解析によって1.9 Å の分解能で決定されました。 [7]アラニンラセマーゼモノマーは、N 末端の 8 本の鎖からなるアルファ/ベータバレルと、基本的にベータ鎖からなる C 末端ドメインの 2 つのドメインで構成されています。2 つのドメイン構造のモデルを図 2 に示します。N 末端ドメインは、アラニンラセマーゼ活性を持つことが知られていない PROSC (プロリン合成酵素共転写細菌ホモログ) タンパク質ファミリーにも見られます。ピリドキサール5'-リン酸(PLP)補因子は、アルファ/ベータ バレルの入口の中および上に位置し、アルファ/ベータ バレルの最初のベータ ストランドの C 末端にあるリジン残基にアルジミン結合を介して共有結合しています。
提案されたメカニズム
反応機構を実験で完全に証明することは困難である。アラニンラセマーゼ反応に起因する従来の機構は、PLP安定化カルボアニオン中間体を伴う2塩基機構である。PLPは、アルファ炭素の脱プロトン化によって生じる負電荷を安定化する電子シンクとして使用される。2塩基機構は、1塩基機構と比較して反応特異性に有利である。2番目の触媒残基は、カルボアニオン中間体が形成された後すぐにプロトンを供与するように事前に配置され、これにより代替反応が発生する可能性が低くなる。渡辺らが特定したように、この従来の機構には2つの潜在的な矛盾がある。まず、Arg219は、PLPのピリジン窒素と水素結合を形成する。[7]アルギニン基のpKaは約12.6であるため、ピリジンをプロトン化する可能性は低い。通常、PLP反応では、pKaが約5のカルボン酸基などの酸性アミノ酸残基がピリジン環をプロトン化する。[8]ピリジン窒素のプロトン化により、窒素は追加の負電荷を受け入れることができる。したがって、Arg219 により、PLP 安定化カルバニオン中間体が形成される可能性は低くなる。特定されたもう 1 つの問題は、L-アラニンの場合は Lys39 と Tyr265 をプロトン化および非プロトン化形態に戻すために、また D-アラニンの場合はその逆のために、別の塩基残基が必要であることである。渡辺らは、PLP-Ala のカルボキシレート基以外に、Lys または Tyr をプロトン化または脱プロトン化するのに十分近い (4.5Å 以内) アミノ酸残基または水分子を発見しなかった。これは図 3 に示されている。[4]
N-(5'-ホスホピリドキシル)L-アラニン(PKP-L-Ala)およびN-(5'-ホスホピリドキシル)D-アラニン(PLP-D-Ala)の結晶構造に基づいて
渡辺らは2002年に図4に示すような代替メカニズムを提案しました。このメカニズムでは、PLP-Alaのカルボキシル酸素原子がLys39とTyr265の間のプロトン移動を媒介することで触媒に直接関与します。結晶構造から、PLP-L-Alaのカルボキシル酸素からTyr265のOHまでの距離はわずか3.6Åで、PLP-L-Alaのカルボキシル酸素からLys39の窒素までの距離はわずか3.5Åであることが確認されました。したがって、両者は反応を引き起こすのに十分近かったのです。
このメカニズムは、Arg219の変異によってサポートされています。Arg219をカルボキシレートに変える変異により、キノノイド中間体が検出されますが、アルギニンでは検出されませんでした。[9]アルギニン中間体は、酸性残基変異体よりもはるかに多くの自由エネルギーを持ち、より不安定です。[8]中間体の不安定化により、反応の特異性が促進されます。[9] [10]
参考文献
- ^ ab Milligan Daniel L.; et al. (2007). 「Mycobacterium smegmatis のアラニンラセマーゼは D-アラニンが存在しない状態での成長に必須である」。Journal of Bacteriology . 189 (22): 8381–8386. doi :10.1128/jb.01201-07. PMC 2168708. PMID 17827284 .
- ^ Abe, H; Yoshikawa, N; Sarower, MG; Okada, S (2005). 「水生動物における遊離D-アラニンの生理機能と代謝」。Biological & Pharmaceutical Bulletin . 28 (9): 1571–7. doi : 10.1248/bpb.28.1571 . PMID 16141518.
- ^ Hovmöller, Sven; Zhou, Tuping ; Ohlson, Tomas (2002 年 5 月)。「タンパク質中のアミノ酸の立体配座」。Acta Crystallographica 。セクション D、生物学的結晶学。58 (Pt 5): 768–776。doi : 10.1107 /s0907444902003359。ISSN 0907-4449。PMID 11976487 。
- ^ abcd Watanabe, A., Yoshimura, T., Mikami, B., Hayashi, H., Kagamiyama, H., Esaki, N. (2002) Bacillus stearothermophilus由来アラニンラセマーゼの反応機構：-(5'-ホスホピリドキシル)アラニン内に結合した酵素のX線結晶構造解析 Journal of Biological Chemistry 277, 19166-19172.
- ^ ab Stamper, GF, Morollo, AA, および Ringe, D. (1998) 生化学 37, 10438 –10445
- ^ モロロ、AA、ペツコ、GA、およびリンゲ、D.（1999）生化学38、3293–3301
- ^ abc Shaw, JP, Petsko, GA, Ringe, D. (1997) Bacillus stearothermophilus 由来アラニンラセマーゼの 1.9 Å 分解能での構造決定 Biochemistry 36, 1329–1342
- ^ ab Toney, Michael D. (2004) ピリドキサールリン酸酵素の反応特異性、Archives of Biochemistry and Biophysics 433、279-287。
- ^ ab Sun S.、Toney、MD (1998) アラニンラセマーゼのアルギニン-219変異体からチロシン-265が関与する2塩基メカニズムの証拠生化学38、4058-4065
- ^ Rubinstein, A., Major, DT (2010) アルギニン210変異体の量子力学的分子力学的シミュレーションによるアラニンラセマーゼの触媒特異性の理解、生化学49、3957-3963。
さらに読む
- MARR AG、WILSON PW (1954)。「Brucella abortus のアラニンラセマーゼ」。Arch . Biochem. Biophys . 49 (2): 424–33. doi :10.1016/0003-9861(54)90211-8. PMID 13159289。
- Wood WA (1955). [25] アミノ酸ラセマーゼ. 酵素学の方法. 第2巻. pp. 212–217. doi :10.1016/S0076-6879(55)02189-7. ISBN 9780121818029。
- WOOD WA, GUNSALUS IC (1951). 「D-アラニン形成; Streptococcus faecalis のラセマーゼ」J. Biol. Chem . 190 (1): 403–16. doi : 10.1016/S0021-9258(18)56082-8 . PMID 14841188.
