トランスケトラーゼ

トランスケトラーゼ
識別子
シンボル	TKT
NCBI遺伝子	7086
HGNC	11834
オミム	606781
参照シーケンス	NM_001064
ユニプロット	P29401
その他のデータ
EC番号	2.2.1.1
軌跡	第3章 14.3ページ
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トランスケトラーゼ（略称TK）は、ヒトではTKT遺伝子によってコードされる酵素である。^{[1]これは、すべての生物の}ペントースリン酸経路と光合成のカルビン回路の両方に関与している。トランスケトラーゼは、これら2つの経路で反対方向に作用する2つの重要な反応を触媒する。非酸化的ペントースリン酸経路の最初の反応では、補酵素チアミン二リン酸が5炭素ケトース（D-キシルロース-5-P）から2炭素フラグメントを受け取り、次にこのフラグメントを5炭素アルドース（D-リボース-5-P）に転移して7炭素ケトース（セドヘプツロース-7-P）を形成する。D-キシルロース-5-Pから2つの炭素を引き抜くと、3炭素アルドースであるグリセルアルデヒド-3-Pが得られる。カルビン回路では、トランスケトラーゼは逆反応を触媒し、セドヘプツロース-7-P とグリセルアルデヒド-3-P をペントース、アルドース D-リボース-5-P とケトース D-キシルロース-5-P に変換します。

ペントースリン酸経路でトランスケトラーゼによって触媒される2番目の反応は、チアミン二リン酸を介した同じ2炭素フラグメントのD-キシルロース-5-Pからアルドースエリスロース-4-リン酸への転移を伴い、フルクトース6-リン酸とグリセルアルデヒド-3-Pを生成します。カルビン回路でも同じ反応が逆方向に発生します。さらに、カルビン回路では、これはトランスケトラーゼによって触媒される2番目の反応ではなく、最初の反応です。

トランスケトラーゼはペントースリン酸経路を解糖系に結び付け、過剰な糖リン酸を哺乳類の主な炭水化物代謝経路に送り込む。その存在はNADPHの生成に必要であり、特に肝臓や乳腺による脂肪酸合成や肝臓や副腎によるステロイド合成など、生合成が活発に行われている組織では必須である。チアミン二リン酸はカルシウムとともに必須の補因子である。

トランスケトラーゼは哺乳類の角膜において間質性角膜実質細胞と上皮細胞によって豊富に発現しており、角膜クリスタリンの一つであると考えられています。^[2]

トランスケトラーゼは、細菌、植物、哺乳類など多くの生物で広く発現しています。以下のヒト遺伝子は、トランスケトラーゼ活性を持つタンパク質をコードしています: ^{[引用が必要]}

• TKT（トランスケトラーゼ）
• TKTL1 (トランスケトラーゼ様タンパク質 1)
• TKTL2 (トランスケトラーゼ様タンパク質 2)

この酵素の活性部位への入り口は、主にいくつかのアルギニン、ヒスチジン、セリン、およびアスパラギン酸側鎖で構成されており、グルタミン酸側鎖は二次的な役割を果たしています。これらの側鎖、具体的には Arg359、Arg528、His469、および Ser386 は、各トランスケトラーゼ酵素内で保存されており、ドナー基質とアクセプター基質のリン酸基と相互作用します。基質チャネルが非常に狭いため、ドナー基質とアクセプター基質を同時に結合することはできません。また、基質は、この狭いチャネルに適応するために、活性部位に結合するとわずかに伸びた形になります。^{[引用が必要]}

この酵素は、ケト糖やアルド糖であるフルクトース、リボースなど、リン酸化および非リン酸化単糖類など、多くの種類の基質に結合できますが、糖のヒドロキシル基の立体配置に対する特異性が非常に高いです。ケトース供与体の C-3 および C-4 のヒドロキシル基は、アルドース受容体の C-1 および C-2 位置に正しく対応するため、D-トレオ配置でなければなりません。^[3] また、これらは Asp477、His30、および His263 残基と相互作用して、活性部位の基質を安定化します。この配置が崩れると、ヒドロキシル基の配置またはその立体化学の両方が、残基と基質の間の水素結合を変化させ、基質に対する親和性が低下します。^[要出典]

この経路の前半では、His263 は C3 ヒドロキシルプロトンを効果的に抽出するために使用され、これによりフルクトース 6-リン酸から 2 炭素セグメントが切断されます。^[4]このステップの発生に必要な補因子はチアミンピロリン酸 (TPP) です。TPPが酵素に結合しても、酵素に大きな構造変化は発生しません。代わりに、酵素は活性部位に 2 つの柔軟なループを持ち、TPP にアクセスして結合できるようにします。^[3]したがって、これにより、活性部位は大きな構造変化ではなく「閉じた」構造を持つことができます。経路の後半では、His263 は基質アクセプター-TPP 複合体のプロトン供与体として使用され、エリスロース-4-リン酸が生成されます。^[要出典]

ヒスチジンおよびアスパラギン酸側鎖は、活性部位内で基質を効果的に安定化し、基質の脱プロトン化に関与するために使用されます。具体的には、His 263 および His30 側鎖は、基質チャネルの最も深いところにある基質のアルデヒド末端と水素結合を形成し、Asp477 は基質のαヒドロキシル基と水素結合を形成し、そこで基質を効果的に結合して適切な立体化学をチェックします。また、Asp477 は活性部位の中央に位置し、基質のαヒドロキシル基と相互作用するため、重要な触媒効果を持つ可能性があると考えられています。活性部位の最も深い領域に位置する Glu418 は、TPP 補因子の安定化に重要な役割を果たします。具体的には、補因子による基質分子からのプロトン抽出に関与しています。^[3]

基質のリン酸基も、活性部位に入ると基質を安定化させる重要な役割を果たします。このリン酸基と残基 Arg359、Arg528、His469、および Ser386 との間の密接なイオン性および極性相互作用は、リン酸の酸素原子に水素結合を形成することで基質を安定化させるように総合的に働きます。^[3]イオン性は、Arg359 からリン酸基に形成される塩橋に見られます。 ^[要出典]

このメカニズムの触媒作用は、チアゾリウム環でのTPPの脱プロトン化によって開始される。このカルボアニオンはドナー基質のカルボニルに結合し、C-2とC-3の間の結合を切断する。このケトフラグメントはTPPのC-2炭素に共有結合したままである。その後、ドナー基質は放出され、アクセプター基質が活性部位に入り、中間体α-β-ジヒドロキシエチルチアミン二リン酸に結合したフラグメントがアクセプターに転移される。^[3]

活性部位の入り口にあるアミノ酸、基質のリン酸基と相互作用するArg359、Arg528、His469をアラニンに置き換える効果をテストする実験も行われています。この置換により、触媒活性が低下した変異酵素が作成されます。^[3]

トランスケトラーゼ活性はチアミン欠乏症、一般的には栄養失調により低下します。チアミン欠乏症に関連する疾患には、脚気、ビオチンチアミン反応性基底核疾患（BTBGD）^[5] 、ウェルニッケ・コルサコフ症候群などがあります（包括的なリストについては チアミンを参照してください）。

ウェルニッケ・コルサコフ症候群では、突然変異は証明されていないものの、^[6]チアミン欠乏症は、トランスケトラーゼのチアミンに対する親和性が低下した患者にのみウェルニッケ・コルサコフ症候群を引き起こすことが示唆されています。^[7]このように、トランスケトラーゼの活性は大きく阻害され、結果としてペントースリン酸経路全体が阻害されます。^[8]

トランスケトラーゼ欠損症は、SDDHD（低身長、発達遅延、先天性心疾患）としても知られ、TKT遺伝子の遺伝性常染色体劣性変異によって引き起こされます。ペントースリン酸代謝のまれな障害で、発達遅延や知的障害、言語遅延または言語消失、低身長、先天性心疾患などの症状が乳児期に現れます。報告されているその他の特徴には、筋緊張低下、多動、常同行動、眼科的異常、聴覚障害、さまざまな顔面異形症などがあります。臨床検査では、血漿および尿ポリオール（エリスリトール、アラビトール、リビトール）および尿糖リン酸（リボース-5-リン酸およびキシルロース/リブロース-5-リン酸）の上昇が見られます。^[9]「5人の患者全員の細胞抽出物は、TKTの残留活性がないか、または低いことを示しました。ボイルら（2016）は、一部の組織におけるTKT活性が低いことは、おそらく同じ機能を持つ別のタンパク質によるものであり、TKTが必須酵素であるにもかかわらず、TKT欠乏症が生命と両立する理由を説明できるかもしれないと示唆しました。」^[10]

赤血球トランスケトラーゼ活性はチアミン（ビタミンB1 _）欠乏症で低下するため、ウェルニッケ脳症やその他のB1_欠乏症候群の診断に疑わしい場合に使用されることがあります。^[11]ベースライン酵素活性（欠乏状態でも正常な場合がある）とは別に、チアミンピロリン酸の添加後の酵素活性の加速はチアミン欠乏症の診断となる場合があります（0～15％は正常、15～25％は欠乏、25％超は重度の欠乏）。^[12]