ケトアシル合成酵素

ケトアシル合成酵素(KS)は、アシル-CoA またはアシル-アシル ACP とマロニル-CoA との縮合反応を触媒して 3-ケトアシル-CoA を形成するか、またはマロニル-ACP と縮合反応を触媒して 3-ケトアシル-ACP を形成する。この反応は脂肪酸合成サイクルの重要なステップであり、結果として得られるアシル鎖は以前よりも 2 つの炭素原子長くなる。KS は、II 型脂肪酸合成や II 型ポリケチド合成の場合のように個別の酵素として存在するか、または I 型脂肪酸合成酵素 (FAS) やポリケチド合成酵素 (PKS) などの大きなマルチドメイン酵素のドメインとして存在する。KS は、KS1、KS2、KS3、KS4、KS5 の 5 つのファミリーに分類される。^[1]

脂肪酸合成酵素(FAS) は、脂肪酸の de novo 合成に関与する酵素システムです。FAS は、いくつかの成分酵素からなる反復多酵素で、そのうちの 1 つがケトアシル合成酵素です。FAS には、タイプ I とタイプ II の 2 種類があります。タイプ I FAS は、高度に統合された多ドメイン酵素です。これらは、単一のポリペプチド鎖または 2 つの異なる多機能タンパク質のいずれかで、反応シーケンスの特定の触媒活性を担う個別の機能ドメインを含みます。タイプ II FAS は解離システムであり、成分酵素は一連の個別の遺伝子によってコード化された独立したタンパク質です。^[2]

ポリケチド合成酵素(PKS) は構造的にも機能的にも FAS に関連しており、どちらもアセチル CoA やマロニル CoA などの活性化一次代謝物の凝縮を触媒する酵素です。

これらが触媒する主な反応は以下の通りである: ^[3]

CO ₂ -CH ₂ -CO-S-CoA + CH ₃ -CO-S-PKS → CH ₃ -CO-CH ₂ -CO-S-PKS + CoA-H + CO ₂

FAS と同様に、PKS は β-ケトアシルシンターゼ (KS)、オプションの (マロニル) アシルトランスフェラーゼ (MAT/AT)、およびホスホパンテチエニル化アシルキャリアタンパク質 (ACP) またはコエンザイム A (CoA) を使用します。また、どちらもケトレダクターゼ、デヒドラターゼ、エノイルレダクターゼを使用して、完全に飽和したアシルバックボーンを作成します。ただし、FAS とは異なり、PKS は通常、より多くの生合成ビルディングブロックを使用し、より多様な数のテール長を形成します。FAS が使用する還元ステップも、PKS ではオプションです。それらを省略することで、より複雑な機能化パターンが可能になります。^[4]

ポリケチドには、タイプ I、タイプ II、タイプ III の 3 つの主なタイプがあります。タイプ I は、大きな多機能酵素内に直線的に整列し共有結合で融合した触媒ドメインを含むという点で、FAS タイプ I と非常によく似ています。タイプ II は、単機能酵素ドメインを持つ、より解離しやすい複合体になる傾向があります。PKS のもう 1 つの違いは、タイプ III という別のタイプがあることです。タイプ III PKS は、開始ユニットの選択、鎖の組み立て、および折り畳みの促進において多機能です。^[4]

KS1 のほぼすべてのメンバーは細菌によって生成され、少数は真核生物によって生成され、1 つだけが古細菌によって生成されます。12 のサブファミリーがあります。KS1 ファミリーの主な酵素は 3-ケトアシル ACP シンターゼ III (KAS III) で、3-オキソアシル ACP シンターゼ III や β-ケトアシル ACP シンターゼ III とも呼ばれ、EC 2.3.1.180 として定義されています。^{[5] [1]}

β-ケトアシルACP合成酵素IIIの特徴的な反応は、マロニルACP + アセチルCoA => アセトアシルACP + CO ₂ + CoAである。システイン、ヒスチジン、アスパラギンは、ピンポン運動機構を使用するKAS IIIの触媒三元構造を形成する。^[1]

KAS III が典型的に見られる生物の 1 つである大腸菌では、KASIII はチオラクトマイシンによって弱く阻害されます。 ^[6]同じ生物では、KAS III の最適 pH は 7、最適温度は 30～37 °C です。^[7]生物ごとに阻害剤、最適 pH、最適温度はわずかに異なります。ただし、これらの数値は一般に酵素の理想的な環境をかなり正確に示しています。

KS2 酵素はすべて真核生物によって生産され、そのほとんどが植物由来です。このファミリーで最も一般的な酵素は、3-ケトアシル CoA 合成酵素、脂肪酸伸長酵素、および極長鎖脂肪酸縮合酵素です。これらの酵素の最も一般的な一般的な特徴は EC 2.3.1.- ですが、一部は 2.3.1.119 として定義されています。KS2 ファミリーのほとんどの酵素は、極長鎖脂肪酸を生成する反応を触媒します。KS2 は 10 のサブファミリーに分けられます。^[1]

シロイヌナズナの3-ケトアシルCoA合成酵素Iは、ワックス生合成に重要な役割を果たす非常に長鎖脂肪酸の合成に関与している。^[8]この酵素は以下の反応を触媒する。

非常に長鎖アシルCoA + マロニルCoA ⇒ 非常に長鎖3-オキソアシルCoA + CoA + CO ₂ ^[9]

これは炭素数26以上の超長鎖脂肪酸の生成に関与していると思われる伸長酵素である。^[10]メフルイジドとペルフルイドンはこの酵素の選択的阻害剤である。^[11]

KS3 ファミリーは KS システムの中で最大のファミリーで、14 のサブファミリーがあります。KS3 酵素は主に細菌で生産され、少数の真核生物と古細菌でも生産されます。このファミリーの KS には、タイプ I FAS とモジュール型 I PKS の両方に存在する KS ドメインが含まれています。このファミリーにはわずかに異なる酵素が多数ありますが、最も一般的なのは 3-ケトアシル-ACP シンターゼ I とシンターゼ II です。^[1]

3-ケトアシル-ACP合成酵素I（EC 2.3.1.41）は、II型FASの鎖伸長プロセスに関与しています。この酵素がないと、不飽和脂肪酸が不足します。この酵素は、ACPとCoAの脂肪酸アシルチオエステルを基質として使用し、β-ケトアシル-ACP合成酵素IIに近い特異性を持っています。^[12]

通常、この酵素は縮合反応、脱炭酸反応、アシル基転移に使用されます。

反応は次のように進行します。

アシル-[アシルキャリアタンパク質] + マロニル-[アシルキャリアタンパク質] → 3-オキソアシル-[アシルキャリアタンパク質] + CO2 + [アシルキャリアタンパク質]

例えば、大腸菌では、この酵素は3段階のクライゼン縮合反応を通じて脂肪族アシル鎖を構築するために使用されます。反応はアシルプライマー基質のトランスチオエステル化から始まります。次にドナー基質は脱炭酸されてカルボアニオン中間体を形成し、これがプライマー基質のC1を攻撃して伸長したアシル鎖を生成します。 ^[13]

合成酵素Iの阻害剤として知られている分子は数多くある。例えば、大腸菌では、特定のケースでは、アシルCoA自体が高濃度で酵素を阻害する。セルレニンは、 Carthamus tinctorius、Spinacia oleracea、Brassica napus、Allium ampeloprasu、Streptococcus pneumoniae、大腸菌、Mycobacterium tuberculosisなど多くの生物において合成酵素Iを阻害することが知られている。Mycobacterium tuberculosisではパルミトイルCoAが阻害剤であり、チオラクトマイシンも多くの生物において阻害剤である。^[12]

最適な pH 範囲は生物によって大きく異なりますが、全体的には 5.5 ～ 8.5 の範囲になります。最適な温度は同じで、スペクトルの一方の端では 20 °C、もう一方の端では 37 °C になります。

3-ケトアシル-ACP合成酵素II ^[14]は、植物や細菌に存在するII型FASに関与しています。β-ケトアシル-ACP合成酵素Iと非常によく似ていますが、両者の間にはわずかな違いがあります。主な違いの1つは、合成酵素IIはパルミトレオイル-ACPを基質として容易に使用できるのに対し、合成酵素Iはそれができないことです。これにより、脂肪酸組成の温度依存的な調節が可能になります。^[15]

反応は次のように進行します。

( Z )-ヘキサデカ-11-エノイル-[アシルキャリアタンパク質] + マロニル-[アシルキャリアタンパク質] → ( Z )-3-オキソオクタデカ-13-エノイル-[アシルキャリアタンパク質] + CO ₂ + [アシルキャリアタンパク質

例えば、肺炎球菌では、シンターゼ II が伸長縮合酵素として使用されています。この酵素には、Cys134、His337、His303 の触媒三位一体と、活性部位に結合した Phe396 および水分子が含まれています。求核性システインはアシル酵素形成に必要であり、縮合活性全体に使用されます。His 337 も縮合活性に使用され、具体的には遷移状態のマロニルチオエステルカルボニルの負電荷の安定化に使用されます。His303 は、水分子を脱プロトン化してマロネートへの求核攻撃を可能にし、重炭酸塩を放出することで触媒を加速するために使用されます。Phe396 は、基質添加の順序を制御するゲートキーパーとして機能します。^[16]

この酵素を阻害することが知られている分子は数多くある。例えば、セルレニンはSpinacia oleracea、Allium ampelprasum、Escherichia coli、Streptoccoccus pneumoniaの合成酵素IIを阻害する。Escherichia coliでは、プラテンシマイシン、チオラクトマイシン、ヨードアセトアミドも阻害剤として知られている。^[15]

最適なpH範囲は微生物によって異なります。大腸菌では5.5～6.1です。肺炎連鎖球菌では6.8～7、熱帯熱マラリア原虫では7.5、ホウレンソウでは8.1～8.5です。最適温度は微生物によって異なりますが、ほとんどの場合30～37℃の範囲にとどまります。^[15]

KS4 酵素の大部分は真核生物に存在し、残りは細菌由来です。これらの酵素は通常、カルコン合成酵素、スチルベン合成酵素、またはタイプ III PKS のいずれかに分類されます。全体として、KS4 には 10 の異なるサブファミリーがあります。通常、KS4 メンバーは Cys-His-Asn 触媒三元構造を持ちます。カルコン合成酵素とスチルベン合成酵素はどちらも、KS1 と同じアシル転移、脱炭酸、および縮合のステップを触媒します。ただし、最終的なカルコン生成物が形成される前に、反応をさらに環化および芳香族化します。^[1]

カルコン合成酵素(EC 2.3.1.74) は、ナリンゲニンカルコン合成酵素としても知られ、次の反応を引き起こします。

3 マロニル-CoA + 4-クマロイル-CoA → 4 CoA + ナリンゲニンカルコン + 3 CO ₂

例えば、メディカゴ・サティバでは、反応はロードステップ、脱炭酸ステップ、そして最後に伸長ステップの過程で起こります。^[17]

多くの阻害剤には、Sinapis alba、Daucus carota、およびPhaseolus vulgarisのセルレニン、Secale cerealeおよびAvena sativaのアピゲニン、 Decale cereal、Daucus carota、およびXanthisma gracileのエリオジクチオールが含まれます。^[17]

この酵素が機能できる最適なpHは生物によって異なりますが、通常は6〜8の間です。最適温度も同様に30〜45℃です。^[17]

KS5 ファミリーのメンバーはすべて真核細胞に存在し、そのほとんどは動物です。これらの酵素のほとんどは脂肪酸伸長酵素として分類できます。これらの酵素は、非常に長い鎖の脂肪酸の伸長に使用されることが知られています。KS5 には 11 のサブファミリーがあります。KS5 ファミリーについてはまだほとんどわかっていません。現在、特定の酵素には EC 番号がありません。触媒 3 残基は確認されていません。保存されたヒスチジンとアスパラギン残基が見つかり、ヒスチジンは膜貫通領域にあります。しかし、保存されたシステイン残基はまだわかっていません。^[1]