触媒なの？　?自殺する酵素?

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化学者のつぶやき

触媒とは、特定の化学反応の速度定数を早める物質で、自身は反応の前後で変化しないものです。また、生体内で起こる化学反応を触媒する分子を酵素と言います。

今回、これらの定義からはずれるsingle turnoverの酵素を紹介したいと思います。single turnoverって触媒じゃ無いじゃんと思うかもしれませんが、、、

Abhishek Chatterjee, N. Dinuka Abeydeera, Shridhar Bale, Pei-Jing Pai, Pieter C. Dorrestein, David H. Russell, Steven E. Ealick and Tadhg P. Begley, Nature 478, 542–546 (2011). doi:10.1038/nature10503

チアミン thiamine

チアミン thiamineはビタミンB1とも呼ばれています。補酵素型はthiamine pyrophosphate(TPP)と呼ばれ、図に示す構造をしています。バクテリア、植物、酵母などはthiamineを自身で生合成できるのに対し、人間は外部から摂取しなければなりません。

TPP biosynthesis.png

TPPの構造的な特徴は、thiazole環とpyrimidine環です。この二つのヘテロ環の生合成について、長い間研究が行われて来ました。そして現在、原核生物と真核生物では生合成機構が違うことが明らかとなっています。

今回紹介するTHI4とTHI5というタンパク質はそれぞれ、真核生物のTPPのthiazole環、pyrimidine環の生合成に関与しています。このタンパク質の反応機構は注目に値するものであり、nature誌では’’Suicide of a protein’’(自殺する酵素)として紹介されました。

THI4

真核生物において、TPPのthiazole環は、nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)、glycine、cysteineを原料として合成されます。このcysteineですが、タンパク質(THI4)の活性部位のアミノ酸残基由来なのです。

つまり、THI4はthiazole環の生成に際し、活性残基であるcysを失ってしまうのです。そのため、THI4はsingle turnoverなのです。このような反応機構は大変珍しく、この点に於いて原核生物のTPPの生合成と大きく異なっています。

THI5

pyrimidine環の生合成ですが、Histidineとpyridoxal phosphate(PLP)が原料です。原核生物の生合成と異なり、真核生物のTPPの生合成におけるHistidineは、タンパク質(THI5)の活性部位のアミノ酸残基由来です。

THI5 His.png

反応機構ですが、まずPLPがLys62とimine中間体を形成してTHI5と結合します。その後、His66が反応します。PLPとTHI5の中間体の結晶も取られており、反応中間体は下に示すようになっています。

THI5 crystal structure.gif

反応後のタンパク質は？

THI4,THI5ともに4万近い分子量があります。ヘテロ環生合成の硫黄や窒素を供給するためだけに、生体はなぜわざわざTHI4,THI5のようなタンパク質を合成するのでしょうか？反応後のこの酵素が、速やかに分解され、アミノ酸が再利用される、ということはありません。なぜ生体は、このような手間のかかる方法を選んだのでしょうか？

そのひとつの理由として論文の筆者らは、次のように論じています。「THI4pは、DNAの保護やストレス応答に関係していて、過剰になったFeを運搬する働きがある」と。

ある反応で役目を果たしたタンパク質が、また別の反応で働くとしたら、生体システムは本当によくできていると思います。

自殺する酵素？

THI4、THI5の関わる反応は触媒反応ではないので、THI4、THI5は酵素ではありません。今回紹介したTHI4やTHI5のようなdonor proteinは、従来の酵素に対して’’自殺する酵素’’と呼ぶべきかもしれないとnature誌で紹介されてました。

生体が、なぜこのような生合成経路を選択したのか、また、なぜ原核生物と真核生物で生合成経路が違うのかについて研究してみたら面白いかもしれません。

参考文献

Abhishek Chatterjee, N. Dinuka Abeydeera, Shridhar Bale, Pei-Jing Pai, Pieter C. Dorrestein, David H. Russell, Steven E. Ealick and Tadhg P. Begley, Nature 478, 542–546 (2011)
Peter Roach, Nature 478, 463-464 (2011)
Lai RY, Huang S, Fenwick MK, Hazra AB, Zhang Y, Rajashankar KR, Philmus B, Kinsland C, Sanders JM, Ealick SE, and Begley TP. Thiamin pyrimidine biosynthesis inCandida albicans: a remarkable reaction between histidine and pyridoxal phosphate. J. Am. Chem. Soc. 134:9157−9159. (2012)