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 L-リジンの骨格式
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| 名前 | |||
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| IUPAC名
L-リジン
D-リジン | |||
| 体系的なIUPAC名
(2 S )-2,6-ジアミノヘキサン酸 ( L -リジン) (2 R )-2,6-ジアミノヘキサン酸 ( D -リジン) | |||
| その他の名前
リジン、D-リジン、L-リジン、LYS、h-Lys-OH
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| 識別子 | |||
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3Dモデル（JSmol）
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| チェビ |
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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.000.673 | ||
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| ケッグ |
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パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |||
| Ｃ６Ｈ１４Ｎ２Ｏ２ | |||
| モル質量 | 146.190 グラムモル−1 | ||
| 1.5kg/L | |||
| 薬理学 | |||
| B05XB03 (誰) | |||
| 補足データページ | |||
| リジン（データページ） | |||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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リジン（記号LysまたはK）[2]は、多くのタンパク質の前駆体であるα-アミノ酸である。リジンは、α-アミノ基（プロトン化された−NH +3リシンは、塩基性で荷電した（生理学的pH の水で溶解した場合）脂肪族アミノ酸に分類される。リシンは、α-炭素が S 配置である L -リジンを指す。リジンは、α-炭素がS配置であるL -リジンという生物学的に活性なエナンチオマーを指す。
リジンは人体で合成できません。リジンは人間にとって必須であるため、食事から摂取する必要があります。リジンを合成する生物には、ジアミノピメレート経路とα-アミノアジペート経路という 2 つの主な生合成経路があり、これらは異なる酵素と基質を使用し、多様な生物に見られます。リジンの異化は、いくつかの経路のいずれかで起こりますが、最も一般的なのはサッカロピン経路です。
リジンはヒトにおいて、タンパク質生成という最も重要な役割を果たしているが、コラーゲンポリペプチドの架橋、必須ミネラル栄養素の摂取、脂肪酸代謝の鍵となるカルニチンの生成にも関与している。リジンはヒストン修飾にも関与することが多く、エピゲノムに影響を与える。ε-アミノ基は、水素結合に関与することが多く、触媒反応の一般的な塩基として働く。ε-アンモニウム基（−NH+3）は、カルボキシル（−COOH ）基に結合しているα炭素から４番目の炭素に結合している。[3]
リジンはさまざまな生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たすため、不足すると、結合組織の欠陥、脂肪酸代謝障害、貧血、全身性タンパク質エネルギー欠乏症など、さまざまな病状を引き起こす可能性があります。一方、リジンが多すぎると、異化作用が不十分になり、重度の神経障害を引き起こす可能性があります。
リジンは、1889年にドイツの生物化学者フェルディナント・ハインリッヒ・エドムント・ドレヒセルによってタンパク質カゼインの加水分解から初めて単離され、[4]ギリシャ語の λύσις （溶解） 「緩める」にちなんでリジンと名付けられました 。[5] [6] 1902年、ドイツの化学者エミール・フィッシャーとフリッツ・ヴァイゲルトはリジンを合成してその化学構造を決定しました。[7]
1文字の記号Kはアルファベット順で最も近いリジンに割り当てられ、Lは構造的に単純なロイシン、Mはメチオニンに割り当てられました。[8]
生合成
自然界ではリジンの合成に2つの経路が同定されている。ジアミノピメリン酸（DAP）経路はアスパラギン酸由来の生合成ファミリーに属し、トレオニン、メチオニン、イソロイシンの合成にも関与している[9] [10] 。一方、α-アミノアジピン酸（AAA）経路はグルタミン酸生合成ファミリーの一部である[11] [12]。
DAP経路
DAP経路は原核生物と植物の両方に見られ、ジヒドロジピコリン酸合成酵素（DHDPS）（EC 4.3.3.7）がアスパラギン酸由来のL-アスパラギン酸セミアルデヒドとピルビン酸を触媒して 縮合反応を起こし、（4 S）-4-ヒドロキシ-2,3,4,5-テトラヒドロ-（2 S）-ジピコリン酸（HTPA）を形成することから始まる。 [13] [14] [15] [16] [17]生成物は次にジヒドロジピコリン酸還元酵素（DHDPR）（EC 1.3.1.26）によってNAD（P）Hをプロトン供与体として還元され、2,3,4,5-テトラヒドロジピコリン酸（THDP）を生成する。[18]この時点から、アセチラーゼ、アミノトランスフェラーゼ、デヒドロゲナーゼ、およびスクシニラーゼ経路の4つの経路バリエーションが見つかっている。[9] [19]アセチラーゼおよびスクシニラーゼ変異経路は両方とも4つの酵素触媒段階を使用し、アミノトランスフェラーゼ経路は2つの酵素を使用し、脱水素酵素経路は1つの酵素を使用する。[20]これらの4つの変異経路は、最後から2番目の生成物である メソジアミノピメレートの形成で収束し、その後、ジアミノピメレート脱炭酸酵素（DAPDC） （EC 4.1.1.20）によって触媒される不可逆反応で酵素的に脱炭酸され、 L-リジンを生成する。[21] [22] DAP経路は、アスパラギン酸処理に関与する酵素の上流および初期のDHDPS触媒縮合段階を含む複数のレベルで制御されている。[22] [23]リジンはこれらの酵素に強い負のフィードバックループを与え、その後、経路全体を制御します。[23]
AAA経路
AAA経路は、α-ケトグルタル酸とアセチルCoAを中間体AAAを介して縮合させ、 L-リジンを合成する。この経路は、いくつかの酵母種、原生生物、高等真菌に存在することが示されている。 [12] [24] [25] [26] [27] [28] [29]また、AAA経路の代替変異体がThermus thermophilusとPyrococcus horikoshiiで発見されたことも報告されており、この経路が当初提案されたよりも原核生物に広く普及していることを示している可能性がある。[30] [31] [32] AAA経路の最初で律速段階は、アセチルCoAとα-ケトグルタル酸との縮合反応であり、ホモクエン酸シンターゼ（HCS）（EC 2.3.3.14）によって触媒されて中間体のホモシトリルCoAが生成され、これが同じ酵素によって加水分解されてホモクエン酸が生成される。[33]ホモクエン酸はホモアコニターゼ（HAc）（EC 4.2.1.36）によって酵素的に脱水されて、 cis-ホモアコニ酸が生成される。[34]次にHAcは2番目の反応を触媒し、cis-ホモアコニ酸が再水和されてホモイソクエン酸が生成される。[12]得られた生成物は、ホモイソクエン酸脱水素酵素（HIDH）（EC 1.1.1.87）による酸化的脱炭酸反応を経て、α-ケトアジペートとなる。[12] 次に、グルタミン酸をアミノ供与体として、ピリドキサール5'-リン酸（PLP）依存性アミノトランスフェラーゼ（ PLP-AT）（EC 2.6.1.39）を介してAAAが形成される。[33]この時点から、AAA経路は界によって異なります。真菌では、AAAはAAA還元酵素（EC 1.2.1.95）を介して、ホスホパンテテイニルトランスフェラーゼ（EC 2.7.8.7）によって活性化されるアデニル化と還元の両方を伴う独特のプロセスでα-アミノアジペートセミアルデヒドに還元されます。 [12]セミアルデヒドが形成されると、サッカロピン還元酵素（EC 1.5.1.10）がグルタミン酸とNAD(P)Hをプロトン供与体として縮合反応を触媒し、イミンが還元されて最後から2番目の生成物であるサッカロピンが生成される。[32]真菌における経路の最終段階では、 サッカロピン脱水素酵素（SDH）（EC 1.5.1.8）はサッカロピンの酸化的脱アミノ化を触媒し、L -リジンを生成します。[12]一部の原核生物で見つかった変異型AAA経路では、AAAは最初にN-アセチル-α-アミノアジペートに変換され、これがリン酸化され、次に還元的に脱リン酸化されてε-アルデヒドになります。[32] [33]次にアルデヒドはN-アセチルリジンにアミノ基転移され、これが脱アセチル化されてL -リジンになります。[32] [33]しかし、この変異経路に関与する酵素については、さらなる検証が必要です。
異化
すべてのアミノ酸と同様に、リジンの異化は食事中のリジンの摂取または細胞内タンパク質の分解によって開始されます。異化は、遊離リジンの細胞内濃度を制御し、過剰な遊離リジンの毒性効果を防ぐために定常状態を維持する手段としても使用されます。 [35]リジンの異化にはいくつかの経路が関与していますが、最も一般的に使用されているのはサッカロピン経路であり、これは主に動物の肝臓（および同等の臓器）、特にミトコンドリア内で行われます。[36] [35] [37] [38]これは、前述のAAA経路の逆です。[36] [39]動物や植物では、サッカロピン経路の最初の2つのステップは、リジンケトグルタル酸還元酵素（LKR）（EC 1.5.1.8）とSDHの両方の活性を有する二機能性酵素、α-アミノアジピン酸セミアルデヒド合成酵素（AASS）によって触媒されるが、細菌や真菌などの他の生物では、これらの酵素は両方とも別の遺伝子によってコードされている。[40] [41]最初のステップでは、 α-ケトグルタル酸の存在下でL-リジンがLKRによって触媒されて還元され、サッカロピンが生成され、NAD（P）Hがプロトン供与体として作用する。[42]次に、サッカロピンはNAD +の存在下でSDHによって触媒される脱水反応を受けて、AASとグルタミン酸が生成される。[43] AAS脱水素酵素（AASD）（EC 1.2.1.31）は、その後、分子をさらに脱水してAAAにします。[42]続いて、PLP-ATはAAA生合成経路の逆反応を触媒し、AAAをα-ケトアジペートに変換します。生成物であるα-ケトアジペートは、NAD +と補酵素Aの存在下で脱炭酸されてグルタリルCoAを生成しますが、これに関与する酵素はまだ完全には解明されていません。[44] [45]いくつかの証拠は、オキソグルタル酸脱水素酵素複合体（OGDHc） （EC 1.2.4.2）のE1サブユニットと構造的に相同な2-オキソアジペート脱水素酵素複合体（OADHc）が脱炭酸反応に関与していることを示唆しています。[44] [46]最後に、グルタリルCoAはグルタリルCoA脱水素酵素（EC 1.3.8.6）によって酸化的に脱炭酸されてクロトニルCoAとなり、さらに複数の酵素段階を経てアセチルCoAが生成されます。アセチルCoAはトリカルボン酸回路（TCA）に関与する必須の炭素代謝物です。[42][47] [48] [49]
栄養価
リジンはヒトにとって必須アミノ酸です。[50]ヒトの1日の栄養所要量は、乳児で約60 mg/kg、成人で約30 mg/kgと異なります。[36]この所要量は、西洋社会では一般的に、推奨所要量を大幅に上回るリジンを肉や野菜から摂取することで満たされています。[36]ベジタリアンの食事では、肉源に比べて穀物に含まれるリジンの量が限られているため、リジンの摂取量は少なくなります。[36]
穀類作物中のリジンの濃度には限界があるため、遺伝子組み換えによってリジン含有量を増やすことができると長い間推測されてきた。[51] [52]これらの方法には、リジンフィードバック非感受性のDHDPS酵素相同遺伝子を導入することによって、DAP経路の意図的な調節不全が含まれることが多い。 [51] [52]これらの方法は、遊離リジンの増加による毒性の副作用とTCA回路への間接的な影響のため、限られた成功しか収めていない。 [53]植物は、植物の種子の中にある種子貯蔵タンパク質の形でリジンやその他のアミノ酸を蓄積し、これが穀類作物の食用成分となっている。 [54]このことは、遊離リジンを増やすだけでなく、リジンを安定した種子貯蔵タンパク質の合成に向け、結果として作物の消費可能な成分の栄養価を高める必要性を浮き彫りにしている。[55] [56]遺伝子組み換えの実践は限られた成功しか収めていないが、より伝統的な品種改良技術により、リジンとトリプトファン（これも必須アミノ酸）の含有量が大幅に増加した「高品質タンパク質トウモロコシ」の分離が可能になった。このリジン含有量の増加は、リジンを欠くゼイン関連種子貯蔵タンパク質の転写を減少させ、その結果、リジンを豊富に含む他のタンパク質の存在量を増加させたオペーク2変異に起因する。 [56] [57]一般的に、家畜飼料中のリジンの限られた存在量を克服するために、工業的に生産されたリジンが添加される。[58] [59]工業的プロセスには、コリネバクテリウムグルタミカムの発酵培養とそれに続くリジンの精製が含まれる。[58]
食事源
リジンの良い供給源は、卵、肉（特に赤身肉、羊肉、豚肉、鶏肉）、大豆、豆類、エンドウ豆、チーズ（特にパルメザンチーズ）、特定の魚類（タラやイワシなど）などの高タンパク質食品です。[60]リジンはほとんどの穀物に含まれる制限アミノ酸（特定の食品中に最も少ない量しか含まれない必須アミノ酸）ですが、ほとんどの豆類には豊富に含まれています。[61]豆にはトウモロコシに欠けているリジンが含まれており、人類の考古学的記録では、豆とトウモロコシはしばしば一緒に登場し、豆、トウモロコシ、カボチャの「スリーシスターズ」に見られます。 [62]
食品には、タンパク質1グラムあたり少なくとも51mgのリジンが含まれている場合（タンパク質の5.1％がリジン）、十分なリジンが含まれているとみなされます。[63] L-リジンHClは栄養補助食品として使用され、80.03％のL-リジンを提供します。[64]したがって、1.25gのL-リジンHClには1gのL-リジンが含まれています。
生物学的役割
リジンの最も一般的な役割はタンパク質生成です。リジンはタンパク質構造において重要な役割を果たすことがよくあります。リジンの側鎖は片方の端に正に帯電した基を持ち、骨格に近いところに長い疎水性炭素尾部を持つため、ある程度両親媒性であると考えられています。このため、リジンは埋め込まれていることもありますが、より一般的には溶媒チャネル内やタンパク質の外部に存在し、水性環境と相互作用する可能性があります。[65]リジンは、ε-アミノ基が水素結合、塩橋、共有結合相互作用に関与してシッフ塩基を形成することが多いため、タンパク質の安定性にも寄与します。[65] [66] [67] [68]
リジンの2つ目の主要な役割は、ヒストン修飾によるエピジェネティック制御である。[69] [70]共有結合ヒストン修飾にはいくつかの種類があり、一般的にはヒストンの突出尾部にあるリジン残基が関与する。修飾には、アセチル(−CH 3 CO)の追加または除去によるアセチルリジンの形成またはリジンへの復帰、最大3つのメチル(−CH 3 )、ユビキチンまたはSumoタンパク質グループが含まれる。[69] [71] [72] [73] [74]さまざまな修飾が遺伝子制御に下流効果をもたらし、遺伝子を活性化または抑制することができる。
リジンは、結合組織の構造タンパク質、カルシウム 恒常性、脂肪酸代謝など、他の生物学的プロセスにおいても重要な役割を果たすことが示唆されている。[75] [76] [77]リジンは、コラーゲンの3つのらせんポリペプチド間の架橋に関与し、コラーゲンの安定性と引張強度をもたらすことがわかっている。 [75] [78]このメカニズムは、細菌細胞壁におけるリジンの役割に似ており、リジン（およびメソジアミノピメレート）は架橋の形成、ひいては細胞壁の安定性に不可欠である。[79]この概念は、潜在的に病原性のある遺伝子組み換え細菌の望ましくない放出を回避する手段として以前に研究されてきました。大腸菌の栄養要求株（X 1776）は、DAPの補充なしでは生存できず、したがって実験室環境の外では生存できないため、すべての遺伝子組み換え作業に使用できると提案されました。 [80]リジンは、カルシウムの腸管吸収と腎臓保持に関与することが提案されており、したがって、カルシウム恒常性において役割を果たしている可能性があります。[76]最後に、リジンはカルニチンの前駆体であることが示されており、カルニチンは脂肪酸をミトコンドリアに輸送し、そこで脂肪酸は酸化されてエネルギーを放出されます。[77] [81]カルニチンは、特定のタンパク質の分解産物であるトリメチルリジンから合成されるため、リジンはまずタンパク質に組み込まれ、メチル化されてからカルニチンに変換される必要があります。[77]しかし、哺乳類では、カルニチンの主な供給源はリジンの変換ではなく、食事によるものです。[77]
ロドプシンや視覚オプシン（遺伝子OPN1SW、OPN1MW、およびOPN1LWによってコード化される）などのオプシンでは、レチナールデヒドが保存されたリジン残基とシッフ塩基を形成し、光とレチニリデン基の相互作用によって色覚におけるシグナル伝達が引き起こされます（詳細については視覚サイクルを参照）。
議論の余地のある役割
リジンを静脈内または経口投与すると、成長ホルモンの放出が大幅に増加する可能性があるという議論が長く続いてきました。[82]これにより、アスリートはトレーニング中に筋肉の成長を促進する手段としてリジンを使用するようになりましたが、リジンのこの用途を裏付ける重要な証拠は今日まで見つかっていません。[82] [83]
単純ヘルペスウイルス（HSV）タンパク質は感染細胞よりもアルギニンが豊富でリジンが少ないため、リジンサプリメントが治療薬として試されてきた。この2つのアミノ酸は腸で吸収され、腎臓で回収され、同じアミノ酸トランスポーターによって細胞内に運ばれるため、リジンが多すぎると、理論上はウイルス複製に利用できるアルギニンの量が制限される。[84]臨床研究では、HSVの予防薬または治療薬としての有効性について十分な証拠が得られていない。 [85] [86]リジンがHSVに対する免疫反応を改善する可能性があるという製品の主張に対して、欧州食品安全機関によるレビューでは因果関係の証拠は見つからなかった。2011年に発表された同じレビューでは、リジンがコレステロールを下げ、食欲を増進し、通常の栄養素以外の役割でタンパク質合成に寄与し、カルシウムの吸収または保持を高めるという主張を裏付ける証拠は見つからなかった。[87]
病気における役割
リジンに関連する疾患は、リジンの下流処理、すなわちタンパク質への組み込みまたは代替生体分子への改変の結果である。コラーゲンにおけるリジンの役割は上で概説したが、コラーゲンペプチドの架橋に関与するリジンおよびヒドロキシリジンの欠乏は、結合組織の病状に関連付けられている。[88]カルニチンは脂肪酸代謝に関与する主要なリジン由来代謝物であるため、十分なカルニチンおよびリジンが欠乏した劣悪な食事はカルニチンレベルの低下につながる可能性があり、これは個人の健康に重大な連鎖的影響を及ぼす可能性がある。[81] [89]リジンは貧血にも関与することが示されており、鉄の吸収、ひいては血漿中のフェリチン濃度に影響を与えると疑われている。[90]しかし、正確な作用機序はまだ解明されていない。[90]最も一般的には、リジン欠乏症は非西洋社会で見られ、タンパク質エネルギー栄養失調として現れ、個人の健康に深刻かつ全身的な影響を及ぼします。[91] [92]また、リジン分解を担う酵素、すなわちサッカロピン経路の二機能性AASS酵素の変異を伴う遺伝性疾患もあります。 [93]リジン分解の欠如により、アミノ酸が血漿中に蓄積し、患者は高リジン血症を発症します。高リジン血症は、てんかん、運動失調、痙縮、精神運動障害などの重度の神経障害を無症状から発症する場合があります。[93] [94]高リジン血症の臨床的意義は、この分野で議論の対象となっており、いくつかの研究では、身体的または精神的障害と高リジン血症の間に相関関係がないことが示されています。[95]これに加えて、リジン代謝に関連する遺伝子の変異は、ピリドキシン依存性てんかん（ALDH7A1遺伝子）、α-ケトアジピン酸尿症およびα-アミノアジピン酸尿症（DHTKD1遺伝子）、グルタル酸尿症1型（GCDH遺伝子）など、いくつかの疾患状態に関与していることが示唆されている。[44] [96] [97] [98] [99]
高リジン尿症は、尿中に高濃度のリジンが含まれる状態を特徴とする。[100]これは、リジンの分解に関与するタンパク質が遺伝子変異により機能しなくなる代謝性疾患 が原因であることが多い。 [101]また、腎尿細管輸送 の障害によっても発生する可能性がある。[101]
動物飼料におけるリジンの使用
動物飼料用のリジン生産は世界的に大きな産業で、2009年には生産量が約70万トンに達し、市場価値は12億2000万ユーロを超えました。[102]リジンは豚や鶏などの特定の動物の成長を肉の生産のために最適化する際に制限アミノ酸となるため、動物飼料への重要な添加物です。リジンを補給することで、低コストの植物性タンパク質（大豆ではなくトウモロコシなど）を使用しながら高い成長率を維持し、窒素排泄による汚染を抑えることができます。[103]しかし、トウモロコシを家禽や豚の飼料として使用すると、リン酸汚染が大きな環境コストとなります。[104]
リジンは主に糖を原料として微生物発酵によって工業的に生産されています。遺伝子工学の研究では、生産効率を改善し、リジンを他の基質から作れるように細菌株の開発が盛んに行われています。[102]最も一般的に使用される細菌は、リジンを生産するために特別に変異または遺伝子操作されたコリネバクテリウム・グルタミカムですが、類似の大腸菌株も使用されています。
大衆文化では
1993年の映画『ジュラシック・パーク』は、マイケル・クライトンの1990年の小説『ジュラシック・パーク』に基づいており、遺伝子操作によってリジンを生成できないようにされた恐竜が登場する。これは人工栄養要求性の一例である。[ 105]これは「リジン・コンティンジェンシー」として知られ、クローン恐竜が公園の外で生き残ることを防ぎ、公園の獣医スタッフが提供するリジンサプリメントに頼らざるを得ないようにするためのものだった。実際には、リジンを生成できる動物はいない。リジンは必須アミノ酸である。[106]
1996年、リジンは米国史上最大の価格カルテル事件の焦点となった。アーチャー・ダニエルズ・ミッドランド社は1億ドルの罰金を支払い、3人の幹部が有罪判決を受けて懲役刑に服した。この価格カルテル事件では、日本企業2社（味の素、協和発酵）と韓国企業1社（セウォン）も有罪となった。[107]リジンの価格を固定していた共謀者の秘密のビデオ録画は、オンラインで、または米国司法省反トラスト局にビデオを請求することで見ることができる。この事件は、書籍『インフォーマント：真実の物語』[108]と映画『インフォーマント！』の原作となった。
参考文献
この記事は、 CC BY 4.0ライセンス (2018) (査読者レポート)
に基づき、以下のソースから改変されました: Cody J Hall、Tatiana P. Soares da Costa (2018 年 6 月 1 日)。「リジン: 生合成、異化および役割」(PDF)。WikiJournal of Science。1 (1): 4。doi : 10.15347 /WJS/2018.004。ISSN 2470-6345。Wikidata Q55120301 。
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" … die Base C
6
H
14
N
2
O
2
, welche mit dem Namen Lysin bezeichnet werden mag, … "
( … 塩基 C
6
H
14
N
2
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、これは「リジン」という名前で指定される可能性があります, … ) [注: エルンスト・フィッシャーはドレクセルの大学院生でした。]
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