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| カルボキシペプチダーゼA | |||||||||
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 カルボキシペプチダーゼA（牛膵臓由来） | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 3.4.17.1 | ||||||||
| CAS番号 | 9031-98-5 | ||||||||
| 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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カルボキシペプチダーゼ A は通常、芳香族または脂肪族側鎖を持つ C 末端残基のペプチド結合を加水分解する膵臓エキソ ペプチダーゼを指します。現在、この分野のほとんどの科学者はこの酵素をCPA1と呼び、関連する膵臓カルボキシペプチダーゼをCPA2と呼んでいます。
種類
さらに、CPA-3 から CPA-6 までの名前が付いた 4 つの他の哺乳類酵素がありますが、これらはいずれも膵臓では発現しません。代わりに、これらの他の CPA 様酵素は多様な機能を持っています。
- CPA3 (マスト細胞 CPA とも呼ばれる) は、マスト細胞によるタンパク質の消化に関与しています。
- CPA4 (以前は CPA-3 として知られていましたが、肥満細胞 CPA が CPA-3 に指定されたときに番号が変更されました) は腫瘍の進行に関与している可能性がありますが、この酵素は十分に研究されていません。
- CPA5 は十分に研究されていません。
- CPA6 はマウスの発達中に多くの組織で発現し、成体では脳と他のいくつかの組織に限定して分布します。CPA6 は細胞外マトリックスに存在し、そこで酵素活性を示します。CPA-6 のヒト変異はデュアン症候群(異常な眼球運動) に関連しています。最近、CPA6 の変異はてんかんと関連していることがわかりました。CPA6 は、エンケファリンを分解するいくつかの酵素の 1 つでもあります。
関数
CPA-1 および CPA-2 (および、他のすべての CPA も) は、タンパク質内の亜鉛イオンを使用して、アミノ酸残基の C 末端のペプチド結合を加水分解します。亜鉛が失われると活性が失われますが、亜鉛や他の二価金属 (コバルト、ニッケル) で簡単に置き換えることができます。カルボキシペプチダーゼ A は膵臓で生成され、消化、タンパク質の翻訳後修飾、血液凝固、生殖など、 人体の多くのプロセスに不可欠です。
アプリケーション
単一のタンパク質にこれほど広範囲の機能性があることから、構造が不明な他の亜鉛プロテアーゼに関する研究の理想的なモデルとなっています。コラーゲナーゼ、エンケファリナーゼ、アンジオテンシン変換酵素に関する最近の生物医学研究では、カルボキシペプチダーゼAを阻害剤の合成と速度論的試験に使用しました。たとえば、高血圧治療薬カプトプリルは、カルボキシペプチダーゼA阻害剤に基づいて設計されました。カルボキシペプチダーゼAとカプトプリルの標的酵素であるアンジオテンシン変換酵素は、活性部位に亜鉛イオンを含むため、構造が非常に似ています。これにより、強力なカルボキシペプチダーゼA阻害剤を使用して酵素を阻害し、レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系を介して血圧を下げることが可能になりました。[1]
構造
カルボキシペプチダーゼA（CPA）は、四面体構造の亜鉛（Zn 2+）金属中心と、その周囲に近接したアミノ酸残基を含み、触媒作用と結合を促進します。ペプチド鎖に結合した307個のアミノ酸のうち、以下のアミノ酸残基が触媒作用と結合に重要です。Glu-270、Arg-71、Arg-127、Asn-144、Arg-145、およびTyr-248。図1は、四面体亜鉛複合体活性部位と、複合体を取り囲む重要なアミノ酸残基を示しています。[2]
亜鉛金属は強力な求電子性ルイス酸触媒であり、配位水分子を安定化させるとともに、加水分解反応中に発生する負の中間体を安定化させる。配位水分子と負の中間体の両方の安定化は、活性部位の極性残基によって促進され、近接して水素結合を促進する。[2]
活性部位は、S 1 'およびS 1と呼ばれる2つのサブサイトに分類できます。S 1 'サブサイトは酵素の疎水性ポケットであり、基質または阻害剤が結合した後、Tyr-248は疎水性ポケットを「キャップ」する働きをします（SITE）。[2] Tyr-248のヒドロキシル基からの水素結合は、結合する基質の末端カルボキシレートとの相互作用により、この立体配座を促進します。この酵素には大幅な動きが必要であり、誘導適合モデルはこの相互作用がどのように起こるかを説明しています。
3 つの残基が水素結合を介して C 末端カルボキシレートと相互作用します。
- 正電荷を帯びたArg-145との塩結合
- Tyr-248からの水素結合
- Asn-144アミドの窒素からの水素結合
機構
メタロエキソペプチダーゼに分類されるカルボキシペプチダーゼ A は、亜鉛イオンに結合した単一のポリペプチド鎖で構成されています。この特徴的な金属イオンは、酵素の活性部位内に、基質結合に関与する 5 つのアミノ酸残基 (Arg-71、Arg-127、Asn-144、Arg-145、Tyr-248、および Glu-270) とともに配置されています。X 線結晶構造解析研究により、タンパク質上に 5 つのサブサイトがあることが明らかになっています。これらのアロステリック部位は、ほとんどの生理活性酵素に見られるリガンド - 酵素特異性の生成に関与しています。これらのサブサイトの 1 つは、主要な活性部位に基質分子が結合すると、Tyr-248 で構造変化を引き起こします。チロシンのフェノール性ヒドロキシルは、リガンドの末端カルボキシレートと水素結合を形成します。さらに、チロシンと、より長いペプチド基質のペプチド結合との間に 2 番目の水素結合が形成されます。これらの変化により、酵素とリガンド（基質または阻害剤）間の結合がはるかに強くなります。カルボキシペプチダーゼ A のこの特性は、ダニエル E. コシュランド ジュニアの「誘導適合」仮説の最初の条項につながりました。
S 1サブサイトは CPA で触媒作用が起こる場所であり、亜鉛イオンは Glu-72、His-69、および His-196 酵素残基によって配位されている。活性部位の溝を二分する平面が存在し、残基 Glu-270 と Arg-127 は亜鉛水結合複合体の反対側にある。亜鉛は、基質が結合する前は Glu-72 が二座配位しているが、基質が結合した後は一座配位に変化するため、亜鉛を配位するグルタミン配位子により電子が豊富となる。その結果、亜鉛金属は配位した水分子を脱プロトン化してヒドロキシル求核剤を作ることができない。[2]
Glu-270 と Arg-127 は、図 2 に示すように、触媒作用において重要な役割を果たします。Arg-127 は、フェニルアラニンのアミノ基に結合した基質のカルボニルを安定化する働きをします。同時に、亜鉛に配位した水分子は Glu-270 によって脱プロトン化され、Arg-127 によって安定化されたカルボニルと相互作用します。これにより、図 2 に示すように、負に帯電した酸素が亜鉛に配位した中間体が生成され、Glu-270 とイオン化生成物との間の不利な静電相互作用によって、触媒作用の最後に生成物が放出されます。[2]
最近の計算研究では、触媒のメカニズムは似ていますが、メカニズムの違いは、脱プロトン化された水分子がカルボニルの炭素に結合するのに対し、図2ではヒドロキシル基が亜鉛に配位したままであることです。その後、タンパク質分解が起こり、水分子が活性部位に戻って亜鉛に配位します。[3]
カルボキシペプチダーゼAと基質の結合の詳細と、それが加水分解速度にどのように影響するかを調査する研究がいくつか行われてきました。1934年に、速度論的実験により、基質が結合するためには、加水分解されるペプチドが末端の遊離ヒドロキシル基に隣接していなければならないことが初めて発見されました。また、C末端残基が分岐した脂肪族または芳香族であれば、加水分解速度を高めることができます。しかし、基質が遊離アミノ基を持つジペプチドである場合、加水分解はゆっくりと進行します。ただし、アミノ基がN-アシル化によってブロックされていれば、これを回避できます。[4]
酵素の構造、具体的には活性部位が、反応のメカニズムを理解する上で非常に重要であることは明らかです。このため、Rees と同僚は、亜鉛イオンの役割について明確な答えを得るために、酵素-リガンド複合体を研究しました。これらの研究により、遊離酵素では、亜鉛の配位数は 5 であり、金属中心は 2 つのイミダゾール Nδ1 窒素、グルタミン酸 72 の 2 つのカルボキシレート酸素、および水分子と配位して、歪んだ四面体を形成することがわかりました。ただし、リガンドがカルボキシペプチダーゼ A の活性部位に結合すると、この配位数は 5 から 6 まで変化する可能性があります。ジペプチドグリシル-L-チロシンに結合すると、ジペプチドのアミノ窒素とカルボニル酸素が水リガンドを置き換えます。これにより、カルボキシペプチダーゼ A-ジペプチドグリシル-L-チロシン複合体の亜鉛の配位数は 6 になります。電子密度マップは、アミノ窒素がグルタミン酸270の近くの2番目の位置を占めていることを証明しました。これら2つの残基の近さは、立体障害をもたらし、水リガンドが亜鉛と配位するのを妨げます。これにより、配位数は5になります。両方のデータは充実しており、両方の状況が自然に発生することを示しています。[5]
カルボキシペプチダーゼAの触媒機能については2つのメカニズムが提案されている。1つ目は、活性部位塩基Glu-270を含む共有結合アシル酵素中間体を伴う求核経路である。この無水物中間体に関する証拠はまちまちである。Suhらはアシル中間体と思われるものを単離した。しかし、アシル酵素の確認はトラップ実験なしで行われたため、結論は弱いものとなった。[1]
2番目に提案されたメカニズムは促進された水経路です。このメカニズムは、基質の切断可能なペプチド結合における水分子の攻撃を伴います。このプロセスは亜鉛イオンによって促進され、残基Glu-270によって補助されます。[1]
参照
参考文献
- ^ abc Christianson DW 、 Lipscomb WN (1989年2月)。「カルボキシペプチダーゼA」。化学研究報告。22 (2): 62–9。doi :10.1021/ar00158a003。
- ^ abcde Christianson, D., W., および Lipscomb, W., N. (1989)カルボキシペプチダーゼ A. American Chemical Society , Vol (22): 62-69.
- ^ Valdez CE、Morgenstern A、 Eberhart ME、Alexandrova AN (2016 年 11 月)。「計算による金属酵素の再設計の予測方法 - カルボキシペプチダーゼ A のテストケース」( PDF ) 。物理化学化学物理学。18 (46): 31744–31756。Bibcode : 2016PCCP...1831744V。doi :10.1039/c6cp02247b。PMID 27841396。S2CID 3545851。
- ^ Lipscomb WN (1970年3月). 「カルボキシペプチダーゼAの酵素活性の構造とメカニズムおよび化学配列との関係」. Accounts of Chemical Research . 3 (3): 81–9. doi :10.1021/ar50027a001.
- ^ Rees DC、Lewis M、Honzatko RB、Lipscomb WN、Hardman KD (1981 年 6 月)。「1.75 Å 解像度でのカルボキシペプチダーゼ A の亜鉛環境とシスペプチド結合」。米国科学アカデミー紀要。78 (6): 3408–12。Bibcode : 1981PNAS...78.3408R。doi : 10.1073 / pnas.78.6.3408。PMC 319577。PMID 6943549 。
