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リボフラビンシンターゼは、リボフラビン生合成の最終反応を触媒する酵素である。この酵素は、6,7-ジメチル-8-リビチルルマジン分子から別の分子へ4炭素単位を転移させる反応を触媒し、その結果、リボフラビンと5-アミノ-6-リビチルアミノウラシルが合成される。
リボフラビン合成酵素モノマーの分子量は約23 kDaである。各モノマーは、 2つのβバレルとC末端（186～206番目の残基）に1つのαヘリックスを含む。モノマーは、N末端バレル（4～86番目の残基）とC末端バレル（101～184番目の残基）の配列類似性から予測される擬似二回対称に折り畳まれる。[ 1 ] 2つの異なるサブユニットのこれらのバレル間の界面が活性部位の位置である。[ 3 ]異なる種の酵素は、最大120個のサブユニットを含む異なる四次構造をとる。 [ 4 ]
古細菌のリボフラビンシンターゼはホモペンタマーとして形成されるのに対し、真正細菌、真菌、植物のリボフラビンシンターゼはホモトリマーとして存在する。これらの配列は全く無関係であり、古細菌の酵素は6,7-ジメチル-8-リビチルルマジンシンターゼのパラログである。[ 3 ]これら2種類のリボフラビンシンターゼによって触媒される反応は、「エナンチオマー」中間体を経由して進行する。[ 3 ]
2 つの 6,7-ジメチル-8-リビチルルマジン (ルマジン合成酵素によって合成される) 分子が、2 つのドメインがトポロジー的に類似しているため、各モノマーに水素結合している。[ 5 ]活性部位はモノマー ペア間の基質の界面に位置し、活性部位二量体のモデル構造が作成されている。[ 2 ]酵素の活性部位のうち 1 つだけが一度にリボフラビン形成を触媒し、他の 2 つの部位は外側を向いて溶媒に露出している。[1] リガンドとの水素結合に関与するアミノ酸残基が図示されており、関与する残基には、C 末端ドメインの Thr148、Met160、Ile162、Thr165、Val6、Tyr164、Ser146、Gly96、および N 末端ドメインの Ser41、Thr50、Gly62、Ala64、Ser64、Val103、Cys48、His102 が含まれる可能性がある。[ 3 ]
触媒作用には補因子は必要ありません。さらに、リボフラビン合成酵素が存在しない場合でも、沸騰した水溶液中で6,7-ジメチル-8-リビチルルマジンからリボフラビンが生成される可能性があります。 [ 6 ]反応は次のとおりです。
モノマーペア間の基質界面において、酵素は水素結合を介して2つの6,7-ジメチル-8-リビチルルマジン分子を所定の位置に保持し、不均化反応を触媒する。[ 6 ]さらに、アミノ酸残基による酸/塩基触媒作用が示唆されている。特定の残基としては、 C7aメチル基の脱プロトン化の塩基としてHis102/Thr148二量体が含まれる可能性がある。この二量体のうち、His102はNバレル由来であり、Thr148はCバレル由来であることから、反応の初期段階における酵素の2つのサブユニットの近接性が重要であることが強調される。[ 7 ]また、求核剤の正体は、以下の保存された残基のいずれかである：Ser146、Ser41、Cys48、またはThr148、あるいは非触媒反応における水であると示唆されている。[ 1 ] Cys48が求核剤として果たす役割に関する研究では、求核置換がSN1反応またはSN2反応のどちらを介して起こるかは決定されていない。[ 7 ]
不均化反応中、6,7-ジメチル-8-リビチルルマジンの2分子間で4炭素単位が交換される。反応の過程で五環式分子が生成され、それがリボフラビンと5-アミノ-6-リビチルアミノ-2,4(1 H ,3 H )-ピリミジンジオンに分解される。興味深いことに、古細菌のリボフラビン合成酵素は、真正細菌、真菌、植物のリボフラビン合成酵素とは異なり、「鏡像異性体」中間体を生成する。真正細菌、真菌、植物のリボフラビン合成酵素では、一方の分子の攻撃が他方の酵素とは反対側の面から進行する。[ 3 ]環状付加物の形成の正確なメカニズムは不明である。また、酵素によって触媒されない場合にメカニズムがどのように進行するかも正確には不明である。[ 3 ]
科学者たちは、リボフラビン合成酵素を含むリボフラビン生合成経路に関与する酵素が、グラム陰性細菌や酵母によって引き起こされる感染症を治療するための抗菌薬の開発に利用できるという仮説を立てている。この仮説は、大腸菌やサルモネラ菌などのグラム陰性細菌が外部環境からリボフラビンを取り込むことができないという事実に基づいている。[ 3 ] [ 8 ]グラム陰性細菌は独自のリボフラビンを生成する必要があるため、リボフラビン合成酵素や経路に関与する他の酵素を阻害することは、抗菌薬の開発に役立つ可能性がある。
最も強力なリボフラビン合成酵素阻害剤は9- D-リビチル-1,3,7-トリヒドロプリン-2,6,8-トリオンであり、K i値は0.61 μMである。これは6,7-ジメチル-8-リビチルルマジンとの競合阻害を介して作用すると考えられている。 [ 8 ]