ホスホグリコール酸ホスファターゼ

ホスホグリコール酸ホスファターゼ
1L6Rから生成された、Ca2+（青）とFMT（黄）が結合したホスホグリコール酸ホスファターゼ二量体の構造
識別子
EC番号	3.1.3.18
CAS番号	9025-76-7
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
検索 個人管理委員会 記事 出版元 記事 国立情報学研究所 タンパク質

ホスホグリコール酸ホスファターゼ（EC 3.1.3.18、系統名2-ホスホグリコール酸ホスホヒドロラーゼ）は、ホスホグリコール酸ヒドロラーゼ、2-ホスホグリコール酸ホスファターゼ、P-グリコール酸ホスファターゼ、ホスホグリコール酸ホスファターゼとも呼ばれ、 2-ホスホグリコール酸をグリコール酸とリン酸に変換する反応を触媒する酵素です。

2-ホスホグリコール酸 + H ₂ O = グリコール酸 + リン酸

植物内で最初に研究され、精製されたホスホグリコール酸ホスファターゼは、植物の光合成に不可欠な経路である光呼吸 2-ホスホグリコール酸代謝において主要な役割を果たしています。ルビスコの基質特異性の欠如により、植物で光呼吸が発生すると、 2-ホスホグリコール酸と3-ホスホグリセリン酸が形成されます。 3-ホスホグリセリン酸は、カルボキシル化の通常の生成物であり、カルビン回路に入ります。ホスホグリコール酸は、ホスホフルクトキナーゼとトリオースリン酸イソメラーゼの強力な阻害剤であり、すぐに代謝されて有用な基質に変換される必要があり、ホスホグリコール酸ホスファターゼは、 ATPの形でエネルギーを消費して、 2-ホスホグリコール酸から 3-ホスホグリセリン酸を再生する最初のステップを触媒します。

植物におけるその活性が発見されて以来、ヒト細胞内で精製され、2,3-DPG の調節に関与していることが明らかになっています。

サーモプラズマ アシドフィラム由来のホスホグリコール酸ホスファターゼ（PDB 1L6R、写真）の構造特性解析により、二量体酵素のモノマー（水色と緑色で表示）には、小さなキャップ ドメインと大きなコア ドメインの 2 つの異なるドメインが含まれていることが明らかになりました。大きなドメインのトポロジーは保存されていますが、小さなドメインには構造的なばらつきがあります。タンパク質の活性部位はモノマーを貫通する連続トンネルで、酸性残基で覆われています。これは他の酸性ホスファターゼと一致する特徴です。さらに、静電表面分析により、比較的酸性の表面であることが示されています。^[1]

サーモプラズマ・アシドフィルム由来のホスホグリコール酸ホスファターゼの結晶化により、画像中の青い球で示される5つの活性部位が明らかになった。活性部位の重要な残基はアスパラギン酸、リジン、セリンである。^[1]

この酵素は加水分解酵素ファミリーに属し、具体的にはリン酸モノエステル結合に作用します。

ホスホグリコレートの加水分解は、ホスホグリコレートの求電子性リンに対するアスパラギン酸残基の求核攻撃から始まります。リン酸とグリコレートの結合の感受性は、2 つの重要な相互作用によって高まります。補因子 Mg ²⁺との相互作用は、リン酸-酸素結合の分極を助け、リン原子の求電子性を高めます。リン酸とセリンおよびリジン残基とのもう 1 つの相互作用は、リン原子の求電子性をさらに高めます。さらに、Mg ^{2+ は}求核性アスパラギン酸の配向も行います。^[1]

リン酸グリコール酸結合の喪失により、求核性アスパラギン酸がリン酸化され、酵素中間体が生成され、^[2]グリコール酸は活性部位から放出されます。リン酸化中間体の相互作用は、リン酸とリジン残基の相互作用によって安定化されます。活性部位にある Mg ^{2+ は}水分子を活性化して水酸化物イオンを生成し、これがリン酸化アスパラギン酸を加水分解して活性酵素を再生するとともにリン酸を放出します。

これまでは、ホスホグリコール酸ホスファターゼを含む光呼吸グリコール酸機構の進化は、より複雑な植物の光合成には不可欠であり、シアノバクテリアはC4植物と同様に_CO2を濃縮して光呼吸を回避する能力があるため、不必要であると考えられていました。しかし、モデルシアノバクテリアSynechocystis sp.株PCC 6803内で3つの異なるホスホグリコール酸代謝経路が発見されたことは、シアノバクテリアが酸素発生型光合成の進化的起源であるだけでなく、植物に共生的に伝えられた可能性のある古代の光呼吸ホスホグリコール酸代謝の起源でもあることを示唆しています。^{[3] [4]}

^{藻類にホスホグリコール酸が存在することを C 14} O ₂および P ²⁸ -オルトリン酸の標識を通じて示した以前の研究を参考にして、リチャードソンとトルバートはタバコの葉にホスホグリコール酸に特異的なホスファターゼ活性があることを初めて発見しました。^[5]この酵素の最適 pH は 6.3 で、活性には補因子として Mg ²⁺または Mn ²⁺イオンが必要でした。Mg ^{2+ は最大の}回転率をもたらすことが一貫して指摘されています。他の研究では、Co ²⁺も 2 価の補因子として機能する可能性があります。さらに、Ca ^{2+は 2 価であるにもかかわらず、Mg 2+}に対する競合阻害剤として機能し、ホスホグリコール酸ホスファターゼの酵素活性を 90% 以上阻害します。^[6]最後に、Cl ^{− は}低濃度（50mMまで）で活性化しますが、高濃度では塩化物イオンはホスホグリコール酸に対して競合阻害剤として作用します。^[1]この酵素は葉緑体に局在し、光の中でのC ¹⁴ O ₂固定を含む植物研究では、葉緑体の外側に標識されたグリコール酸が同定されました。これは、ホスホグリコール酸ホスファターゼの活性がグリコール酸を葉緑体から移動させることを示唆しています。^[7]

真核緑藻クラミドモナス・ラインハルティの光呼吸変異体が研究されたとき、変異体株は成長に高濃度の二酸化炭素を必要とする条件付き致死成長表現型を持つことが判明した_{。大量のホスホグリコール酸蓄積とグリコール酸蓄積の欠如が観察されたことから、二酸化炭素}濃縮機構の欠如または変異の原因は排除され、ホスホグリコール酸ホスファターゼが欠如しているか欠損している可能性が高いことが示された。この研究では、変異体表現型は単一遺伝子の核変異によって引き起こされたホスホグリコール酸ホスファターゼ欠損から生じたと結論付けられ、その後pgp1と名付けられた。^[8]この欠損により光呼吸代謝経路が阻害され、その後のホスホグリコール酸の蓄積によりカルビン回路が阻害された。^[9]

この最初の研究以来、ホスホグリコール酸ホスファターゼ遺伝子として PGP1、PGP2、PGP3 の 3 つが特定されています。クラミドモナス ラインハルティの同じ変異株が特定されてから 20 年後の研究では、pgp1 のスプライス変異が継続して存在しているにもかかわらず、条件付き致死表現型はもはや存在しないことがわかりました。この現象の説明では、PGP2 遺伝子がアップレギュレーションされ、pgp1 変異体の表現型の逆転に寄与した可能性が高いと結論付けられました。^[10]

シロイヌナズナは、光呼吸変異体の明確なセットを持つ唯一の植物です。^[11]その1つは、2PGホスファターゼ（PGLP）を欠くノックアウト変異体です。これらの変異体の正常な成長には、例えば高レベルのCO2 _（ 1％）が必要です。^[11]通常の低CO2条件では_、成長は著しく阻害されます。^[11]

部分精製分析により、ヒト赤血球には、分子量 72,000 の細胞質二量体酵素としてホスホグリコール酸ホスファターゼが含まれていることが示されています。酵素の全活性の約 5% は膜関連です。最適 pH は 6.7 で、ホスホグリコール酸のミカエリス定数は 1 mM です。酵素の活性は Mg ²⁺に依存します。Co ²⁺と、より少量の Mn ^{2+が Mg 2+}の代わりに使用できます。^[12]ただし、酵素は遊離 Mg ²⁺とホスホグリコール酸の両方を必要としますが、Mg ²⁺ -ホスホグリコール酸複合体は酵素活性を阻害する効果があることが示されています。^[13]

1977 年、Badwey は初めてヒト赤血球におけるホスホグリコール酸ホスファターゼ活性を実証し、この酵素の活性は、ピルビン酸キナーゼによって合成されるホスホグリコール酸が不注意に形成されるのを防ぐ働きがあるのではないかと推測しました。^{[14]ホスホグリコール酸ホスファターゼがヒト赤血球で果たす役割の意味は、その基質であるホスホグリコール酸が、} 2,3-ビスホスホグリセリン酸ホスファターゼ(2,3-DPG)という酵素の強力な活性化因子であることが示されたときに発見されました。2,3 -DPG は、2,3-ビスホスホグリセリン酸から 3-ホスホグリセリン酸への代謝反応を触媒する別の加水分解酵素です。0.02 mM のホスホグリコール酸が存在すると、2,3-DPG のホスファターゼ活性は 1000 倍以上活性化されます。^[15]

2,3-PGA の調節におけるホスホグリコレートホスファターゼの関与は、酵素の機能バージョンを持つことの重要性を示唆しています。すべての動物組織において、2,3-PGA は解糖酵素であるホスホグリセリン酸ムターゼの補因子として重要です。^[15]さらに重要なのは、2,3-PGA の合成と分解はヘモグロビンの酸素への結合親和性の調節に不可欠であり、その濃度が増加すると組織の酸素化が増加し、減少すると組織の低酸素症につながる可能性があることです。したがって、ホスホグリコレートによる 2,3-PGA の代謝分解を担う酵素の活性化は、2,3-PGA 濃度の調節におけるホスホグリコレートホスファターゼの関与を示唆している可能性があります。^[16]

ホスホグリコール酸ホスファターゼは、電気泳動で特徴的な変異体を示す。赤血球、リンパ球、培養線維芽細胞を含むすべてのヒト組織に存在し、最も高い酵素活性は骨格筋と心筋で確認された。遺伝的多型の研究によると、PGP はおそらく、すべてのヒト組織で発現している単一の常染色体遺伝子座の 3 つの対立遺伝子によって決定される。胎児組織の予備的観察では、PGP 遺伝子座は子宮内生活でも完全に発現していることが示唆されている。初期の研究では、ヨーロッパの小さな集団内で 6 つの表現型が検出され、かなりの遺伝的変異が示された。^[17]