コバラミンの生合成

コバラミン生合成は、細菌と古細菌がコバラミン（ビタミン B _{12 ）}を作るプロセスです。アミノレブリン酸をウロポルフィリノーゲン IIIとアデノシルコビル酸を経由して最終形態に変換し、生成生物と、食事から摂取する人間を含む他の種の両方の酵素によって使用されるまでには、多くの段階が関わっています。

2 つの主な生合成経路を区別する特徴は、補酵素の触媒部位にあるコバルトが初期に組み込まれるか (嫌気性生物の場合)、後期に組み込まれるか (好気性生物の場合)、および酸素が必要かどうかである。 どちらの場合も、コバルトイオンと配位錯体を形成するマクロサイクルはコリン環、具体的にはコビリン酸と呼ばれる7 つのカルボキシレート基を持つものである。 続いて、1 つを除くすべてのカルボキシレートにアミド基が形成されてコビル酸が得られ、コバルトがアデノシル基によって連結される。 すべての生物に共通する生合成の最終部分では、アミノプロパノール側鎖が 1 つの遊離カルボキシル基に追加され、コバルトの 2 番目のリガンドとなるヌクレオチドループの組み立てが完了します。

多くの原核生物種はアデノシルコバラミンを生合成できませんが、外部源から同化したコバラミンからアデノシルコバラミンを作ることができます。ヒトの場合、食事由来のコバラミンは摂取後にトランスコバラミンとして結合し、補酵素の形態に変換されて使用されます。

コバラミン（ビタミン B ₁₂）は、最も大きく、最も構造が複雑なビタミンです。コバラミンは、中央でキレート化されたコバルトイオンを持つ修飾テトラピロール、コリンで構成され、通常、メチルコバラミンとアデノシルコバラミンという2つの生物学的に活性な形態のいずれかで存在します。ほとんどの原核生物と動物は、コバラミンを補因子として使用するコバラミン依存性酵素を持っていますが、植物と真菌は使用しません。細菌と古細菌では、これらの酵素には、メチオニン合成酵素、リボヌクレオチド還元酵素、グルタミン酸およびメチルマロニルCoAムターゼ、エタノールアミンアンモニアリアーゼ、およびジオール脱水酵素が含まれます。^{[1]特定の哺乳類では、コバラミンは食事を通じて摂取され、メチオニン合成酵素と}メチルマロニルCoAムターゼに必要です。^[2]ヒトにおいては、葉酸代謝とクエン酸回路中間体であるスクシニルCoAの合成に重要な役割を果たしている。^[3]

細菌には少なくとも2つの異なるコバラミン生合成経路がある：^[4]

• 酸素を必要とし、経路の後半でコバルトが挿入される好気性経路。 ^{[6] [7]} Pseudomonas denitrificansおよびRhodobacter capsulatusに見られる。
• コバルト挿入がコバラミン合成への最初のステップとなる嫌気性経路。 ^{[8] [9] [10]}サルモネラチフス菌、バチルスメガテリウム菌、プロピオニバクテリウムフロイデンライヒ亜種シェルマニ菌 に見られる。

どちらの経路も 2 つの部分に分けられます。

• コリン環の合成により、7つのカルボキシレート基を持つコビリン酸が生成される。嫌気性経路ではすでにコバルトが含まれているが、好気性経路ではその段階で形成される物質はコバルトが結合していないヒドロゲノビリン酸である。^{[11] [12] [5]}
• コバルトがまだ存在しない場合は挿入し、カルボキシレート基の1つを除くすべてにアミドを形成してコビル酸を生成し、コバルトへのリガンドとしてアデノシル基を結合し、1つの遊離カルボキシル基にアミノプロパノール側鎖を結合し、コバルトの第2のリガンドとなるヌクレオチドループを組み立てる。 ^{[5] [13]}

さらなるタイプの合成はサルベージ経路を通じて起こり、外部のコリノイドが吸収されてB ₁₂が作られます。^[5] 以下の属の種と以下の個々の種がコバラミンを合成することが知られています：Propionibacterium shermanii、 Pseudomonas denitrificans、Streptomyces griseus、Acetobacterium、Aerobacter、Agrobacterium、Alcaligenes、Azotobacter、Bacillus、Clostridium、Corynebacterium、Flavobacterium、Lactobacillus、Micromonospora、Mycobacterium、Nocardia、Proteus、 Rhizobium、Salmonella、Serratia、Streptococcus 、およびXanthomonas。^{[14] [15]}

生合成の初期段階では、デアミナーゼとコシンテターゼという酵素によってテトラピロール構造の枠組みが形成され、アミノレブリン酸がポルフォビリノーゲンとヒドロキシメチルビランを経てウロポルフィリノーゲンIIIに変換される。後者はヘム、クロロフィル、シロヘム、コバラミン自体に共通する最初の大環状中間体である。 ^{[7] [16] [17]}

コバラミンの生合成は、ウロポルフィリノーゲンIIIにおけるヘムおよびクロロフィルの生合成とは異なっている。その変換にはメチル基（CH ₃）の連続的な付加が含まれ、組み込まれた基の数に応じて慣用名が付けられた中間体を生成する。したがって、最初の中間体はプレコリン-1、次の中間体はプレコリン-2、というように続く。コビル酸に含まれる8つの追加メチル基すべての組み込みは、¹³ Cメチル標識 S-アデノシルメチオニンを使用して調査された。ローヌ・プーラン・ローラの科学者が、ビタミンの生合成に関与する8つのcob遺伝子が過剰発現した遺伝子組み換えPseudomonas denitrificans株を使用して初めて、メチル化とその他のステップの完全なシーケンスが決定され、経路のすべての中間体が完全に確立された。^{[18] [19]}

酵素CobAは 2つのメチル化を触媒し、プレコリン2を生成する：^[20]

（1a）ウロポルフィリノーゲンIII + S-アデノシルメチオニン プレコリン-1 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

（1b）プレコリン-1 + S-アデノシルメチオニン プレコリン-2 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

酵素CobIはこれをプレコリン3Aに変換する：^[18]

プレコリン-2 + S-アデノシルメチオニン プレコリン-3A + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

次に、酵素CobGがプレコリン3Aをプレコリン3Bに変換します。^[18]

プレコリン-3A + NADH + H ⁺ + O ₂ プレコリン-3B + NAD ⁺ + H ₂ O${\displaystyle \rightleftharpoons }$

この酵素は酸素を必要とする酸化還元酵素であるため、反応は好気条件下でのみ作動します。これらのプレコリンが 3A および 3B と命名されているのは、それぞれがウロポルフィリノーゲン III よりも 3 つ多いメチル基を含み、構造が異なるためです。特に、プレコリン 3B は、環 A の酢酸側鎖から形成された内部γ-ラクトン環を持ち、それがマクロ環に閉じています。

CobJ酵素はメチル基挿入のテーマを継続します。重要なのは、この段階でマクロ 環が収縮し、生成物にコバラミンの特徴であるコリンコアが初めて含まれるようになることです。^[18]

プレコリン-3B + S-アデノシルメチオニン プレコリン-4 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

メチル基の挿入は酵素CobMがプレコリン4に作用することで継続する：^[21]

プレコリン-4 + S-アデノシルメチオニンプレコリン-5 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

_{新しく挿入されたメチル基は、環 B へのメチレン (CH 2} ) 架橋に結合した炭素で環 C に追加されます。これはコバラミン上の最終的な位置ではなく、後のステップで隣接する環炭素への再配置が行われます。

酵素CobFは、プレコリン-4の環系の1位にあるアセチル基を除去し、新たに導入されたメチル基に置き換えます。生成物の名前であるプレコリン-6Aは、この時点で合計6つのメチル基がウロポルフィリノーゲンIIIに追加されたという事実を反映しています。ただし、これらのうち1つは酢酸基とともに押し出されているため、プレコリン-6Aの構造には残りの5つだけが含まれています。^[21]

プレコリン-5 + S-アデノシルメチオニン + H ₂ Oプレコリン-6A + S-アデノシル-L-ホモシステイン + 酢酸${\displaystyle \rightleftharpoons }$

酵素CobKはNADPHを用いて環Dの二重結合を還元する：^[21]

プレコリン-6A + NADPH + H ⁺ プレコリン-6B + NADP ⁺${\displaystyle \rightleftharpoons }$

したがって、プレコリン-6B は、余分な 2 つの水素原子があることのみでプレコリン-6A と構造が異なります。

CobL酵素には2つの活性部位があり、1つは2つのメチル基の付加を触媒し、もう1つは環DのCH _{2 COOH基の}脱炭酸を触媒して、この置換基が単純なメチル基になるようにする：^[21]

プレコリン-6B + 2 S-アデノシルメチオニンプレコリン-8X + 2 S-アデノシル-L-ホモシステイン + CO ₂${\displaystyle \rightleftharpoons }$

CobH酵素は転位反応を触媒し、その結果、環Cに付加されたメチル基は最終的な位置に異性化され、分子内転移の一例となる。^[22]

プレコリン-8Xヒドロゲノビリナート${\displaystyle \rightleftharpoons }$

この経路の次の酵素であるCobBは、8つのカルボン酸基のうち2つを選択的に第一級アミドに変換する。ATPはアミド結合形成のためのエネルギーを供給するために使用され、転移したアンモニアはグルタミンから来る：^[23]

ヒドロゲノビリン酸 + 2 ATP + 2 グルタミン + 2 H ₂ Oヒドロゲノビリン酸 a,c-ジアミド + 2 ADP + 2 リン酸 + 2 グルタミン酸${\displaystyle \rightleftharpoons }$

コバルト(II)のマクロサイクルへの挿入はコバルトキラターゼ（CobNST）酵素によって触媒される：^[24]

水素ビリン酸 a,c-ジアミド + Co ²⁺ + ATP + H ₂ O コブ(II)ビリン酸 a,c-ジアミド + ADP + リン酸 + H ⁺${\displaystyle \rightleftharpoons }$

この段階で好気性経路と嫌気性経路が合流し、その後の段階は化学的に同一になります。

バチルス・メガテリウムなどの嫌気性生物におけるウロポルフィリノーゲンIII以降の多くのステップは、好気性経路におけるものと化学的に類似しているが遺伝的に異なる変換を伴う。^{[10] [25]}

これらの経路の主な違いは、コバルトが嫌気性生物の体内に早期に挿入される点であり、まずプレコリン-2が完全に芳香族化した シロヒドロクロリンに酸化され、次にその化合物のコバルト(II)錯体に酸化される。^{[26]これらの反応は}CysGとシロヒドロクロリンコバルトキラターゼによって触媒される。^[27]

好気性経路と同様に、3番目のメチル基はメチルトランスフェラーゼ酵素CbiLによって導入される：^[26]

コバルトシロヒドロクロリン + S-アデノシルメチオニン コバルト因子 III + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

次に、コバルト因子IIIメチルトランスフェラーゼ（CbiH、 EC 2.1.1.272）酵素によって触媒され、メチル化と環収縮が起こり、コリンマクロサイクルが形成される^[28]

コバルト因子 III + S-アデノシルメチオニン コバルトプレコリン-4 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

この経路では、結果として得られる物質には、プレコリン 3B の γ-ラクトン (5 員環) ではなく、6 員環の δ-ラクトンが含まれます。

次のステップにおけるC-11のメチル基の導入は、コバルトプレコリン-4メチルトランスフェラーゼ（CbiF、EC 2.1.1.271）によって触媒される^[29]

コバルトプレコリン-4 + S-アデノシルメチオニン コバルトプレコリン-5 + S-アデノシル-L-ホモシステイン${\displaystyle \rightleftharpoons }$

ここで、好気性経路でプレコリン-6Aの形成時に放出される酢酸に対応する2炭素フラグメントの押し出しの舞台が整う。この場合、放出されるフラグメントはアセトアルデヒドであり、これはCbiGによって触媒される：^[29]

コバルトプレコリン-5A + H ₂ Oコバルトプレコリン-5B + アセトアルデヒド + 2 H ⁺${\displaystyle \rightleftharpoons }$

嫌気性経路におけるコバルトプレコリン-5B からコブ(II)ピリリン酸 a,c-ジアミドへの段階は、好気性経路の段階と化学的に本質的に同一である。中間体はコバルトプレコリン-6A、コバルトプレコリン-6B、コバルトプレコリン-8、コビリン酸と呼ばれる。酵素は順にCbiD、^[30]コバルトプレコリン-6A 還元酵素 (CbiJ、EC 1.3.1.106) 、^[31] CbiT、コバルトプレコリン-8 メチルムターゼ (CbiC、EC 5.4.99.60)、CbiAである。最終酵素は 2 つの経路が合流するとコブ(II)ピリリン酸 a,c-ジアミドを形成する。^[5]

好気性生物と嫌気性生物は、コブ(II)ピリリン酸 a,c-ジアミドを超えて同じ化学経路を共有しており、これはcob遺伝子産物で示されています。

コバルト(II)は酵素CobRによってコバルト(I)に還元され、その後酵素CobOが金属にアデノシルリガンドを結合する。次に酵素CobQが環Dのプロピオン酸を除くすべてのカルボン酸を第一級アミドに変換する。^{[7] [21]}

好気性生物では、酵素CobCD が(R)-1-アミノ-2-プロパノール(トレオニン由来) をプロピオン酸に結合させてアデノシルコビナミドを形成し、酵素CobU が 末端ヒドロキシ基をリン酸化してアデノシルコビナミドリン酸を形成します。 ^[21]嫌気性生物では、同じ最終生成物が、アデノシルコビリン酸と (R)-1-アミノ-2-プロパノール O-2-リン酸 (酵素CobDによってトレオニン-O-リン酸から誘導) との直接反応によって、酵素CbiBによって触媒されて形成されます。^[5]

この経路の別の分岐では、5,6-ジメチルベンズイミダゾールがフラビンモノヌクレオチドから5,6-ジメチルベンズイミダゾール合成酵素によって生合成され、CobTによってα-リバゾール5'リン酸に変換される。次に、酵素CobUがアデノシルコビナミドリン酸を活性化してアデノシルコビナミド-GDPを形成し、CobVが2つの基質を結合してアデノシルコバラミン-5'-リン酸を形成する。補酵素の最終段階では、CobCが5'リン酸基を除去する: ^{[32] [33]}

アデノシルコバラミン-5'-リン酸 + H ₂ Oアデノシルコバラミン + リン酸${\displaystyle \rightleftharpoons }$

完全な生合成経路には、約 25 の寄与酵素ステップを必要とする長い直線経路が含まれます。

多くの原核生物種はアデノシルコバラミンを生合成できないが、コバラミンから作ることができる。これらの生物は、コバラミンを細胞内に輸送し、必要な補酵素の形に変換する能力がある。^{[34]コバラミンを作ることができる}サルモネラチフス菌などの生物でさえ、外部からコバラミンを同化することもできる。^{[5] [35] [36] [37]}細胞への取り込みは、細胞膜を通してコバラミンを吸収するABCトランスポーターによって促進される。^[38]

ヒトでは、食事由来のコバラミンは摂取後トランスコバラミンとして結合する。^[39]その後、それらは使用される補酵素形態に変換される。メチルマロン酸尿症およびホモシスチン尿症C型タンパク質は、シアノコバラミンの脱シアノ化、ならびにメチルコバラミンおよびアデノシルコバラミンを含むアルキルコバラミンの脱アルキル化を触媒する酵素である。^{[40] [41] [42]}

• Layer G、Jahn D、 Deery E、Lawrence AD、Warren MJ (2010)。「ヘムとビタミン B12 の生合成」。Comprehensive Natural Products II。pp. 445–499。doi :10.1016/ B978-008045382-8.00144-1。ISBN 9780080453828。

• アラン・バターズビー教授：ビタミンB12の生合成、ケンブリッジ大学セントキャサリンズカレッジ、ビデオ