アルドール・スイッチ　Aldol-Switch

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化学者のつぶやき

アルドール・スイッチ　Aldol-Switch

ポリフェノールの一種であるresveratrolに食品アレルギー予防効果があるという記事を先日ケムステニュースで紹介しました。

ところで、このresveratrol、植物ではどのように生合成されているのでしょうか？

今回は、resveratrol生成に関わるstilben synthase(STS)の反応機構について紹介してみたいと思います。

resveratrolは、赤ワインに豊富に含まれるポリフェノールです。天然では、p-coumaloyl-CoAとmalonyl-CoAを原料としてstilben synthase(STS)という酵素により生合成されています。

stilbene synthase(STS)は、type III PKSという酵素に属しています。type III PKSは、KSドメインのみを持つPKSです。stilbene synthase(STS)は、同じくtype III PKSであるカルコン合成酵素Chalcone Synthase (CHS)とアミノ酸レベルで75?90%という高い相同生を持ちます。どちらの酵素も同じ基質からtetraketide中間体を生成しますが、２つの酵素で環化様式が異なるため、異なる生成物を生み出します。

では、なぜ環化様式が異なるのでしょうか？

酵素の反応機構を知るにはX線結晶構造を見るのが一番です。結晶構造を見てみましょう！

上の図は、CHSの結晶構造です。CHSはホモダイマーを形成しています。図Aの赤い四角のところが活性部位です。図Bが活性部位のアミノ酸残基を表しています。STSもほぼ同じ結晶構造をしています。type III PKSでは、164番目のCystein、303番目のHistidine、336番目のAsparagineで、Cys-His-Asnのcatalytic triadを形成しています。

（type III PKSは非常に良く研究されており、酵素キャビティを構成する一つ一つのアミノ酸残基について役割が調べられているのですが、今回は紙面の都合上説明を省略します。）

condensation mechanism.png

type III PKSの酵素反応機構は上図に示すようになっております。

まず、開始基質(p-coumaloyl-CoA)が酵素活性部位に取り込まれCys上にロードされます。その後、伸長基質であるmalonyl-CoAが脱炭酸を伴い開始基質に縮合されます。この縮合反応の繰り返しによりポリケト鎖が伸長されていきます。

tetra ketide中間体ができた後の環化反応ですが、CHSではC6→C1のClaisen-typeの環化が起きるのに対し、STSではC2→C7のAldol-typeの環化が起きています。

なぜ環化様式にこのような違いが生じるのでしょうか？

その答えは、CHSとSTSの結晶構造を比較すれば分かります。

Aldol switch.png

図　灰色：CHS, 緑：STS

CHSとSTSの結晶構造を比べたところ、数カ所のアミノ酸残基で違いが見られました。変異実験などの結果により、132番目Threonin残基の位置が非常に重要であることが分かりました。（上図(B)参照）

STSでは、T132、E192、S338の3残基で水で水素結合ネットワークを形成しており、これは’’アルドールスイッチ’’として知られています。（上図D参照）

active site.gif

アルドールスイッチは水分子を活性化し、水分子の求核攻撃によりtetra ketide中間体と酵素とのチオエステル結合を切断します。CHSでは、T132と水分子との距離が遠いため水分子を活性化できないようです。

CHS STS mechanism.png

以上説明したように、たった一残基のアミノ酸の違いで、反応様式がガラッと変わってしまうのです。酵素の反応機構を研究していると、反応制御の精巧さに驚かされます。

参考論文

’’An Aldol Switch Discovered in Stilbene Synthases Mediates Cyclization Specificity of Type III Polyketide Synthases’’ Michael B. Austin, Marianne E. Bowman, Jean-Luc Ferrer, Joachim Schroder, and Joseph P. Noel Chemistry & Biology, Vol. 11, 1179–1194 (2004) DOI 10.1016/j.chembiol.2004.05.024
’’Structure and function of the chalcone synthase superfamily of plant type III polyketide syntheses’’ Ikuro Abe and Hiroyuki Morita Nat. Prod. Rep., 2010, 27, 809–838 | 809 DOI: 10.1039/b909988n