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生化学において、ホスファターゼは水を用いてリン酸モノエステルをリン酸イオンとアルコールに分解する酵素である。ホスファターゼ酵素は基質の加水分解を触媒するため、加水分解酵素のサブカテゴリーである。[ 1 ]ホスファターゼ酵素は多くの生物学的機能に不可欠である。リン酸化（例えばプロテインキナーゼによる）と脱リン酸化（ホスファターゼによる）は、細胞の調節とシグナル伝達において多様な役割を果たすからである。[ 2 ]ホスファターゼは分子からリン酸基を除去するのに対し、キナーゼはATPから分子へのリン酸基の転移を触媒する。キナーゼとホスファターゼは共に、細胞の調節ネットワークに不可欠な翻訳後修飾の一形態を誘導する。 [ 3 ]
ホスファターゼ酵素は、リン酸水素から受容体へのリン酸基の転移を触媒するホスホリラーゼ酵素と混同してはならない。細胞調節におけるその普遍性から、ホスファターゼは医薬品研究において注目されている分野である。[ 4 ] [ 5 ]
ホスファターゼはホスホモノエステルの加水分解を触媒し、基質からリン酸部分を除去する。反応では水が分解され、-OH基がリン酸イオンに結合し、H+がもう一方の生成物の水酸基をプロトン化する。反応の最終的な結果は、ホスホモノエステルの分解と、リン酸イオンおよび遊離水酸基を持つ分子の生成である。[ 4 ]
ホスファターゼは、基質のさまざまな部位を非常に高い特異性で脱リン酸化することができます。「ホスファターゼコード」、つまりホスファターゼの基質認識を制御するメカニズムと規則の特定はまだ進行中ですが、9 つの真核生物の「ホスファトーム」ゲノムにコードされているすべてのタンパク質ホスファターゼの最初の比較分析が利用可能になりました。[ 6 ] 研究により、いわゆる「ドッキング相互作用」が基質結合に重要な役割を果たしていることが明らかになっています。[ 3 ]ホスファターゼは、基質上のさまざまなモチーフ（二次構造の要素）を認識して相互作用します。これらのモチーフは、ホスファターゼの活性部位内に含まれていないドッキング部位に低い親和性で結合します。個々のドッキング相互作用はそれぞれ弱いですが、多くの相互作用が同時に発生し、結合特異性に累積的な効果をもたらします。[ 7 ]ドッキング相互作用は、アロステリックにホスファターゼを調節し、その触媒活性に影響を与えることもできます。[ 8 ]
キナーゼとは対照的に、ホスファターゼ酵素はより幅広い基質と反応を認識して触媒します。たとえば、ヒトでは、Ser/ThrキナーゼはSer/Thrホスファターゼの10倍の数があります。[ 4 ]この差は、ある程度、ヒトのホスファトーム、つまり 細胞、組織、または生物で発現するホスファターゼの完全なセットについての知識が不完全であることに起因しています。[ 3 ]多くのホスファターゼはまだ発見されておらず、多くの既知のホスファターゼについてはまだ基質が特定されていません。しかし、よく研究されているホスファターゼ/キナーゼのペアでは、ホスファターゼは形態と機能の両方において、対応するキナーゼよりも多様性に富んでいます。これは、ホスファターゼ間の保存性が低いことに起因する可能性があります。[ 4 ]
ホスファターゼは、リン酸基を付加するホスホリラーゼと混同してはならない。
タンパク質ホスファターゼは、タンパク質基質のアミノ酸残基を脱リン酸化する酵素です。タンパク質キナーゼはタンパク質をリン酸化することでシグナル伝達分子として機能しますが、ホスファターゼはリン酸基を除去します。リン酸基は、細胞内シグナル伝達システムが将来使用するためにリセットできる場合に不可欠です。キナーゼとホスファターゼの協調作用は、細胞の制御ネットワークの重要な要素を構成します。[ 9 ]リン酸化（および脱リン酸化）は、タンパク質の翻訳後修飾の最も一般的なモードの1つであり、任意の時点で、すべてのタンパク質の最大30%がリン酸化されていると推定されています。[ 10 ] [ 11 ] 注目すべき2つのタンパク質ホスファターゼは、PP2AとPP2Bです。PP2Aは、DNA複製、代謝、転写、発生などの複数の制御プロセスに関与しています。カルシニューリンとも呼ばれるPP2Bは、 T細胞の増殖に関与しています。このため、免疫系を抑制することを目的とした一部の薬剤の標的となっている。[ 9 ]
ヌクレオチダーゼは、ヌクレオチドの加水分解を触媒し、ヌクレオシドとリン酸イオンを生成する酵素です。 [ 12 ]ヌクレオチダーゼは、ヌクレオチドとヌクレオシドのバランスのとれた比率を維持する役割を担っているため、細胞の恒常性維持に不可欠です。[ 13 ]一部のヌクレオチダーゼは細胞外で機能し、細胞内に輸送され、サルベージ経路を介してヌクレオチドを再生するために使用できるヌクレオシドを生成します。[ 14 ]細胞内では、ヌクレオチダーゼはストレス条件下でのエネルギーレベルの維持に役立つ可能性があります。酸素と栄養素が不足した細胞は、細胞の主要なエネルギー通貨であるATPなどのヌクレオシド三リン酸のレベルを高めるために、より多くのヌクレオチドを異化する可能性があります。 [ 15 ]
ホスファターゼは、糖新生の中間体などの炭水化物にも作用することができます。糖新生は、非炭水化物前駆体からグルコースが作られる生合成経路です。多くの組織はグルコースからしかエネルギーを得ることができないため、この経路は不可欠です。 [ 9 ]グルコース-6-ホスファターゼとフルクトース-1,6-ビスホスファターゼの2つのホスファターゼは、糖新生の不可逆的な段階を触媒します。[ 16 ] [ 17 ]それぞれが、6炭糖リン酸中間体からリン酸基を切断します。
より大きなホスファターゼのクラスの中で、酵素委員会は104の異なる酵素ファミリーを認識しています。ホスファターゼは、基質特異性と触媒ドメインの配列相同性によって分類されます。[ 3 ] 100を超えるファミリーに分類されているにもかかわらず、すべてのホスファターゼは依然として同じ一般的な加水分解反応を触媒します。[ 1 ]
試験管内実験では、ホスファターゼ酵素は多くの異なる基質を認識するようで、1つの基質が多くの異なるホスファターゼによって認識される可能性があります。しかし、生体内実験では、ホスファターゼ酵素は非常に特異的であることが示されています。[ 3 ]場合によっては、タンパク質ホスファターゼ（つまり、タンパク質基質の認識によって定義されるもの）が非タンパク質基質の脱リン酸化を触媒することができます。[ 4 ]同様に、二重特異性チロシンホスファターゼは、チロシン残基だけでなくセリン残基も脱リン酸化することができます。したがって、1つのホスファターゼが複数のホスファターゼファミリーの特性を示すことができます。[ 9 ]
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