このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2001年12月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)

グリコーゲンホスホリラーゼ(PDB:6gpb)

休暇の季節ではそんなことはないかも知れないが、我々は一日中食べ続ける必要はない。我々の細胞には糖などの栄養物を継続的に供給する必要があるが、幸い我々の身体は食事中に糖分を蓄え、残りの日々に備える仕組みを持っている。糖はグリコーゲン(glycogen)に蓄えられる。これは最大1万個のぶどう糖(glucose)分子がつながって枝分かれのある鎖の密な球体となった巨大分子である。筋肉には日々の活動の動力を供給するための、肝臓には神経系やその他の組織に昼夜を通して養分を供給するための、十分な量のグリコーゲンが蓄えられられている。

甘党の酵素

糖(sugar)はグリコーゲンホスホリラーゼ(glycogen Phosphorylase)酵素によってグリコーゲンから切り出される。この酵素はグリコーゲン顆粒の表面にある鎖からぶどう糖を切り出す働きをする酵素で、2つの同じサブユニット(緑と青、PDBエントリー 6gpb )からできた2量体となっている。右図上の分子では、赤で示す2つのヌクレオチドが酵素の深い割れ目に中にある活性部位に結合している。また、黄色い分子はグリコーゲン鎖の末端に似た短い糖鎖で、酵素がグリコーゲン分子をつかむのに使う別の割れ目に結合している。この切断反応において、グリコーゲンホスホリラーゼはリン酸分子を糖にくっつけ、切り出すことができるようにしている。そして次に、ホスホグルコムターゼ(phosphoglucomutase)が糖分子内におけるリン酸の位置を隣の炭素に移し、解糖系(glycolysis)に糖の分解に備える。

適量の維持

ご想像の通り、この過程は非常によく制御されている。グリコーゲンに蓄えられた糖の出入りは血液中のぶどう糖濃度の制御に用いられるので、グリコーゲンホスホリラーゼは糖が必要な時に活性化し、糖が豊富になると素早く不活性化する必要がある。この制御はいくつかの方法で行われる。まず、酵素はセリン(serine、14番目のアミノ酸)にリン酸分子が付加されることで活性化される。このセリンは酵素の後ろ側にあって、右図下では鮮やかな緑と青で示している。このリン酸の結合によって酵素の形状は大きく変化し、活性型へと変化する(変化後の形は後に示す)。2つの特別な酵素がこのリン酸の付加と脱離を制御しているが、これは インスリン (insulin)やグルカゴン(glucagon)、あるいはエピネフリン(epinephrine、アドレナリン adrenaline ともいう)のように糖を監視するホルモンの濃度に基づいて行われている。

また、他の分子が結合することによっても分子の活性を調整することができる。例えば、AMP(アデノシン1リン酸 adenine monophosphate、右図下の赤い部分)は酵素の背後にある別の部位に結合して、リン酸が結合した場合と同じく活性型へと変化させる。AMPはATPの分解産物であり、エネルギーが不足しより多くの糖が必要な状況下でより豊富に存在するため、AMPが使えるのは役に立つ。

形状の変化

グリコーゲンホスホリラーゼ(左:不活性な状態T PDB:8gpb、右:活性のある状態R PDB:1gpa)

グリコーゲンホスホリラーゼは形状の変化によって活性化される。上図左に示すのは不活性なT状態の構造(PDBエントリー 8gpb )、右に示すのは活性状態にあるR状態の構造(PDBエントリー 1gpa )である。最初の図に比べると、この図は側面から見ていることになり、活性部位は左側に来ている。(「T」は締まった状態(Tense)の、「R」は緩んだ状態(Relaxed)の頭文字を取ったもので、この表記法は最初にアロステリック酵素(allosteric enzyme、活性を制御する部位が活性部位とは別に存在する酵素)が研究される時に作られた。このような構造における緊張・弛緩という考え方は分子レベルではあまり当てはまらないことが示されているにも関わらず、現在でもこの用語は使い続けられている。)この両状態の間の形状変化は、14番残基セリン(serine)のリン酸化や、制御部位へのAMP結合によって調整されている。ここに示すR状態の構造では、セリン(ピンク色の部分)にリン酸が付加され、制御部位中にある硫酸基にはAMP(黄色の部分)が結合している。

構造をみる

酵母のグリコーゲンホスホリラーゼ(PDB:1ygp)

グリコーゲンはヒトから酵母(yeast)に至るまで様々な生物によって利用されている。酵素に関する科学的研究の多くはウサギ(rabbit)のグリコーゲンホスホリラーゼを使って行われており、最初の2図もウサギ由来のものを示している。上図に示す酵素由来の酵素(PDBエントリー 1ygp )を見ると、ウサギ由来のものとは少し違っていることが分かるだろう。この構造には2つのタンパク質鎖(青と緑)および数個の低分子が含まれている。PLPと記された分子はピリドキサールリン酸(pyridoxal phosphate)補因子で、活性部位に強く結合し反応を補佐するのに用いられる反応性分子である。リン酸(phosphate)は「スレオニン」(threonine)に隣接した位置で各サブユニットに結合する。スレオニンは制御に用いられる重要なアミノ酸で、ウサギ由来の酵素における14番残基のセリンと似たアロステリック変化(活性制御を行う構造変化のうち活性部位以外の部位へのエフェクター分子結合によるもの)を制御する。この酵素を見る際、どのようにして2つのタンパク質鎖が互いに手を伸ばし相手を包み合っているかに注目して欲しい。これによって制御に使われる小さな形状変化に反応したとき、2つのサブユニットは共同して働くことができる。

2001年12月にPDBに登録されていたグリコーゲンホスホリラーゼ全ての構造一覧をこちらのリストに掲載しています。

2001年12月にPDBに登録されていたグリコーゲンホスホリラーゼ全ての構造一覧
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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page
1a8i The structure of a glycogen phosphorylase glucopyranose spirohydantoin complex at 1.8 A resolution and 100 K: the role of the water structure and its contribution to binding. M.Gregoriou, M.E.Noble, K.A.Watson, E.F.Garman, T.M.Krulle, C.de la Fuente, G.W.Fleet, N.G.Oikonomakos, L.N.Johnson 1998 Protein Sci. 7 915 9568898
2gpn
1abb Control of phosphorylase b conformation by a modified cofactor: crystallographic studies on R-state glycogen phosphorylase reconstituted with pyridoxal 5'-diphosphate. D.D.Leonidas, N.G.Oikonomakos, A.C.Papageorgiou, K.R.Acharya, D.Barford, L.N.Johnson 1992 Protein Sci. 1 1112 1304390
1axr Cooperative inteCooperative interactions of the catalytic nucleophile and the catalytic acid in the inhibition of beta-glycosidases. Calculations and their validation by comparative kinetic and structural studies of the inhibition of glycogen phosphorylase b. T.D.Heightman, A.Vasella, K.E.Tsitsanou, S.E.Zographos, V.T.Skamnaki, N.G.Oikonomakos 1998 Helvetica Chimica Acta 81 853 n/a
1b4d Effects of commonly used cryoprotectants on glycogen phosphorylase activity and structure. K.E.Tsitsanou, N.G.Oikonomakos, S.E.Zographos, V.T.Skamnaki, M.Gregoriou, K.A.Watson, L.N.Johnson, G.W.J.Fleet 1999 Protein Sci. 8 741 10211820
1bx3
1c50 A new allosteric site in glycogen phosphorylase b as a target for drug interactions. N.G.Oikonomakos, V.T.Skamnaki, K.E.Tsitsanou, N.G.Gavalas, L.N.Johnson 2000 Structure (London) 8 575 10873856
1c8k Flavopiridol inhibits glycogen phosphorylase by binding at the inhibitor site. N.G.Oikonomakos, J.B.Schnier, S.E.Zographos, V.T.Skamnaki, K.E.Tsitsanou, L.N.Johnson 2000 J. Biol. Chem. 275 34566 10924512
1e1y
1gfz
1c8l Structural basis of the synergistic inhibition of glycogen phosphorylase a by caffeine and a potential antidiabetic drug. K.E.Tsitsanou, V.T.Skamnaki, N.G.Oikonomakos 2000 Arch. Biochem. Biophys. 384 245 11368311
1em6 Human liver glycogen phosphorylase inhibitors bind at a new allosteric site. V.L.Rath, M.Ammirati, D.E.Danley, J.L.Ekstrom, E.M.Gibbs, T.R.Hynes, A.M.Mathiowetz, R.K.McPherson, T.V.Olson, J.L Treadway, D.J.Hoover 2000 Chem. Biol. 7 677 10980448
1exv
1fa9 Activation of human liver glycogen phosphorylase by alteration of the secondary structure and packing of the catalytic core. V.L.Rath, M.Ammirati, P.K.Lemotte, K.F.Fennell, M.N.Mansour, D.E.Danley, T.R.Hynes, G.K.Schulte, D.J.Wasilko, J.Pandit 2000 Mol. Cell 6 139 10949035
1fc0
1fs4 Kinetic and crystallographic studies of glucopyranose spirohydantoin and glucopyranosylamine analogs inhibitors of glycogen phosphorylase. K. A. Watson, E. D. Chrysina, K. E. Tsitsanou, S. E. Zographos, G. Archontis, G. W. Fleet, N. G. Oikonomakos 2005 Proteins 61 966 16222658
1ftq
1ftw
1fty
1fu4
1fu7
1fu8
1gg8 Design of inhibitors of glycogen phosphorylase: a study of alpha- and beta-C-glucosides and 1-thio-beta-D-glucose compounds. K.A.Watson, E.P.Mitchell, L.N.Johnson, J.C.Son, C.J.Bichard, M.G.Orchard, G.W.Fleet, N.G.Oikonomakos, D.D.Leonidas, M.Kontou, A.C.Papageorgiou 1994 Biochemistry 33 5745 8180201
1ggn Kinetic and crystallographic studies of glucopyranosylidene spirothiohydantoin binding to glycogen phosphorylase B. N. G. Oikonomakos, V. T. Skamnaki, E. Osz. L. Szilagyi, L. Somsak, T. Docsa, B. Toth, P. Gergely 2002 Bioorg. Med. Chem. 10 261 11741774
1hlf
1gpa Structural mechanism for glycogen phosphorylase control by phosphorylation and AMP. D.Barford, S.H.Hu, L.N.Johnson 1991 J. Mol. Biol. 218 233 1900534
7gpb
8gpb
1gpb Glycogen Phosphorylase B: Description of the Protein Structure K.R.Acharya, D.I.Stuart, K.M.Varvill, L.N.Johnson 1991 Glycogen Phosphorylase B: Description of the Protein Structure n/a 1 n/a
1gpy Crystallographic binding studies on the allosteric inhibitor glucose-6-phosphate to T state glycogen phosphorylase b. L.N.Johnson, P.Snape, J.L.Martin, K.R.Acharya, D.Barford, N.G.Oikonomakos 1993 J. Mol. Biol. 232 253 8331662
1h5u The 1.76 A resolution crystal structure of glycogen phosphorylase B complexed with glucose, and CP320626, a potential antidiabetic drug. N.G.Oikonomakos, S.E.Zographos, V.T.Skamnaki, G.Archontis 2002 Bioorg. Med. Chem. 10 1313 11886794
1k06 Binding of N-acetyl-N '-beta-D-glucopyranosyl urea and N-benzoyl-N '-beta-D-glucopyranosyl urea to glycogen phosphorylase b: kinetic and crystallographic studies. N.G.Oikonomakos, M.Kosmopoulou, S.E.Zographos, D.D.Leonidas, L.Somsak, V.Nagy, J.P.Praly, T.Dosca, B.Toth, P.Gergely 2002 Eur. J. Biochem. 269 1684 11895439
1k08
1k0q
1noi Ternary complex crystal structures of glycogen phosphorylase with the transition state analogue nojirimycin tetrazole and phosphate in the T and R states. E.P.Mitchell, S.G.Withers, P.Ermert, A.T.Vasella, E.F.Garman, N.G.Oikonomakos, L.N.Johnson 1996 Biochemistry 35 7341 8652510
1noj
1nok
1pyg Structural basis for the activation of glycogen phosphorylase b by adenosine monophosphate. S.R.Sprang, S.G.Withers, E.J.Goldsmith, R.J.Fletterick, N.B.Madsen 1991 Science 254 1367 1962195
1ygp A protein phosphorylation switch at the conserved allosteric site in GP. K.Lin, V.L.Rath, S.C.Dai, R.J.Fletterick, P.K.Hwang 1996 Science 273 1539 8703213
2amv The structure of glycogen phosphorylase b with an alkyldihydropyridine-dicarboxylic acid compound, a novel and potent inhibitor. S.E.Zographos, N.G.Oikonomakos, K.E.Tsitsanou, D.D.Leonidas, E.D.Chrysina, V.T.Skamnaki, H.Bischoff, S.Goldmann, K.A.Watson, L.N.Johnson 1997 Structure 5 1413 9384557
2ecp The crystal structure of the Escherichia coli maltodextrin phosphorylase-acarbose complex. M.O'Reilly, K.A.Watson, L.N.Johnson 1999 Biochemistry 38 5337 10220320
2gpa Allosteric inhibition of glycogen phosphorylase a by the potential antidiabetic drug 3-isopropyl 4-(2-chlorophenyl)-1,4-dihydro-1-ethyl-2-methyl-pyridine-3,5,6-tricarbo xylate. N.G.Oikonomakos, K.E.Tsitsanou, S.E.Zographos, V.T.Skamnaki, S.Goldmann, H.Bischoff 1999 Protein Sci. 8 1930 10548038
3amv
2gpb Comparison of the binding of glucose and glucose 1-phosphate derivatives to T-state glycogen phosphorylase b. J.L.Martin, L.N.Johnson, S.G.Withers 1990 Biochemistry 29 10745 2125493
3gpb
4gpb
5gpb
2pri The binding of 2-deoxy-D-glucose 6-phosphate to glycogen phosphorylase b: kinetic and crystallographic studies. N.G.Oikonomakos, S.E.Zographos, L.N.Johnson, A.C.Papageorgiou, K.R.Acharya 1995 J. Mol. Biol. 254 900 7500360
2prj N-acetyl-beta-D-glucopyranosylamine: a potent T-state inhibitor of glycogen phosphorylase. A comparison with alpha-D-glucose. N.G.Oikonomakos, M.Kontou, S.E.Zographos, K.A.Watson, L.N.Johnson, C.J.Bichard, G.W.Fleet, K.R.Acharya 1995 Protein Sci. 4 2469 8580837
2skc Activator anion binding site in pyridoxal phosphorylase b: the binding of phosphite, phosphate, and fluorophosphate in the crystal. N.G.Oikonomakos, S.E.Zographos, K.E.Tsitsanou, L.N.Johnson, K.R.Acharya 1996 Protein Sci. 5 2416 8976550
2skd
2ske
6gpb Refined crystal structure of the phosphorylase-heptulose 2-phosphate-oligosaccharide-AMP complex. L.N.Johnson, K.R.Acharya, M.D.Jordan, P.J.McLaughlin 1990 J. Mol. Biol. 211 645 2106586
9gpb The allosteric transition of glycogen phosphorylase. D.Barford, L.N.Johnson 1989 Nature 340 609 2770867

グリコーゲンホスホリラーゼについて更に知りたい方へ

以下の文献も参照してください。

  • Louise N. Johnson and David Barford 1990 Glycogen Phosphorylase. Journal of Biological Chemistry 265 2409-2412
  • Michelle F. Browner and Robert J. Fletterick 1992 Phosphorylase: a Biological Transducer. Trends in Biochemical Sciences 17 66-71



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2001-12-01 (last edited: 6 months ago)2016-09-09
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