このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2007年9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)
クエン酸合成酵素(上:反応後(PDB:1cts) 下:反応前(PDB:2cts))、赤はクエン酸、緑はコエンザイムA

我々の体内では、毎日大量の食べ物が燃やされている。とは言っても、暖炉のように燃えている訳ではない。食べ物の分子は、慎重制御された過程をいくつも経て、酸素分子とそれぞれ結びつく。このようにしてエネルギーは、ATPやNADHのように使いやすい形に取り込まれ、細胞の機能に欠かすことのできない力としてあらゆる場所で利用される。我々の細胞は、酸素とブドウ糖をつなげる長い一連の反応からエネルギーの大半を得ている。この反応の結果、二酸化炭素と水、そして多くのATPとNADHが作り出される。

結合を作る

クエン酸合成酵素(citrate synthase)は、この糖酸化過程において中心的な役割を果たす酵素の一つで、 クエン酸回路 (クレブス回路とも呼ばれる)の最初の段階に関わっている。ブドウ糖は、 解糖系 においてあらかじめ砕かれ、ブドウ糖1分子当たり2分子の二酸化炭素と2分子の酢酸誘導体(アセテート)になる。アセテートは特別な補因子分子(Coenzyme A)と結びつき活性型(アセチルCoA)となっている。クエン酸回路では、アセテートに残る炭素原子は完全に酸化されて二酸化炭素となる。クエン酸合成酵素は、アセテート分子を取り込み、それをオキサロ酢酸に接触させることによって反応を開始させる。これはクエン酸回路内において、酵素から酵素へと炭素原子を受け渡していく便利なハンドルとして働く。

完全にぴったりかみ合う

クエン酸合成酵素は、酵素反応においてぴったりとかみ合う典型的な例である。ここに示したのはブタから得られた酵素で、PDBエントリー 1cts2cts から得られたものである。ヒトや多くの動植物で見られるものもこれとよく似た構造をしている。この酵素は2つの同じサブユニットから構成されていて、それぞれが活性部位を持っている。最初に開いた構造をとり(右図上、前の反応でできた生成物であるクエン酸が赤で示されている)、反応物が結合すると閉じた構造に変わり、反応物を囲み込んで結合反応を実行に移す(右図下、それぞれのサブユニットに結合した反応物の一方(アセチルCoA)を緑で示している)。

停止と進行

大腸菌のクエン酸合成酵素6量体(PDB:1nxg)

多くの細菌は、ここに示したのは大腸菌の酵素(PDBエントリー 1nxg )のように我々よりも大きなクエン酸合成酵素を持っている。この酵素は6つの同じサブユニットから構成されているが、側面から見ると(上図下)2つずつ組となっているサブユニットが、それぞれ我々が持つものと同じようにZ型をしていることが分かる。細菌の酵素には、NADHが結合するための部位も存在している(上図では赤紫色で示した)。NADHが酵素に結合すると、酵素の活性は低下する。これによって細胞はエネルギー生産速度を調整している。NADHがたくさんあることは、エネルギーが豊富に存在することを意味し、そんな時はこれ以上糖を分解する必要がないのである。

構造を見る

好熱性古細菌のクエン酸合成酵素(PDB:2ibp)

クエン酸合成酵素はあらゆる生物細胞で見られるので、生物間の違いを比較するのに便利な酵素である。特に、極限環境に生息する細胞の普通みられない適応をどのようにして行っているかを研究するのに使われる。酵素の構造は、大変寒い環境に生息する生物(例:PDBエントリー 1a59 、ここには図示していない)や、熱い環境に生息する生物から得られている。ここに示したのはPDBエントリー 2ibp の構造で、高温に耐えることのできる興味深い構造的特徴を持っている。各鎖はジスルフィド結合を持っており、鎖を輪の中に近づけている。構造全体を見ると、2つの環状領域がつながっていることが分かる。もしこの構造が時々溶けるとしても、2つの環状領域はつながった状態を保つ。これは自然界で見られるタンパク質では滅多に見られない方法である。更に驚くべき事例として、HK97のウイルスカプシド(PDBエントリー 1ohg )があるが、これはつながった環状構造を多数持っているものである。

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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1a59 Structural adaptations of the cold-active citrate synthase from an Antarctic bacterium. (北極海に住む細菌から得られた低温活性のあるクエン酸合成酵素の構造的適応) Russell, R.J., Gerike, U., Danson, M.J., Hough, D.W., Taylor, G.L. 1998 Structure 6 351 9551556
1aj8 The crystal structure of citrate synthase from the hyperthermophilic archaeon pyrococcus furiosus at 1.9 A resolution,. (好熱性古細菌pyrococcus furiosusから得られた解像度1.9Åのクエン酸合成酵素の結晶構造) Russell, R.J., Ferguson, J.M., Hough, D.W., Danson, M.J., Taylor, G.L. 1997 Biochemistry 36 9983 9254593
1al6 Mechanisms of Enzyme-Catalyzed Deprotonation of Acetyl-Coenzyme A (アセチル補酵素Aの酵素に触媒された脱水素化の機構) Schwartz, B., Vogel, K.W., Usher, K.C., Narasimhan, C., Miziorko, H.M., Remington, S.J., Drueckhammer, D.G. n/a To be Published n/a n/a n/a
1amz
1csc 1.9-A structures of ternary complexes of citrate synthase with D- and L-malate: mechanistic implications. (クエン酸合成酵素3量体の解像度1,9Åでの構造とD体およびL体のリンゴ酸に関する機構的意味) Karpusas, M., Holland, D., Remington, S.J. 1991 Biochemistry 30 6024 2043640
2csc
3csc
4csc
1csh A very short hydrogen bond provides only moderate stabilization of an enzyme-inhibitor complex of citrate synthase. (非常に短い水素結合はクエン酸合成酵素と酵素阻害剤との複合体を適度に安定化させるだけである) Usher, K.C., Remington, S.J., Martin, D.P., Drueckhammer, D.G. 1994 Biochemistry 33 7753 8011640
1csi
1csr alpha-Fluoro acid and alpha-fluoro amide analogs of acetyl-CoA as inhibitors of citrate synthase: effect of pKa matching on binding affinity and hydrogen bond length. (クエン酸合成酵素阻害剤となるアセチルCoAのα-フルオロ酸とα-フルオロアミド類似物質:結合親和性に合ったpKaと水素結合長の影響) Schwartz, B., Drueckhammer, D.G., Usher, K.C., Remington, S.J. 1995 Biochemistry 34 15459 7492547
1css
1cts Crystallographic refinement and atomic models of two different forms of citrate synthase at 2.7 and 1.7 A resolution. (解像度2.7Åおよび1.7Åのクエン酸合成酵素の異なる2つの型に関する改良された結晶構造と原子モデル) Remington, S., Wiegand, G., Huber, R. 1982 J.Mol.Biol. 158 111 7120407
2cts
3cts
1iom Crystal structure of citrate synthase from Thermus thermophilus HB8 at 1.5 angstrom resolution (好熱性細菌Thermus thermophilus HB8 から得られたクエン酸合成酵素の解像度1.5Åの結晶構造) Kanamori, E., Kawaguchi, S., Tsuzuki, C., Nakagawa, N., Masui, R., Kuramitsu, S., Shibata, T., Inoue, Y., Yokoyama, S., Kouyama, T. n/a To be Published n/a n/a n/a
1ixe Structural comparison between the open and the closed forms of citrate synthase from Thermus themophilus HB8 (好熱性細菌Thermus thermophilusから得られたクエン酸合成酵素の開放型と閉じた型の構造的比較) Murakami, M., Kanamori, E., Kawaguchi, S., Kuramitsu, S., Kouyama, T. n/a To be Published n/a n/a n/a
1k3p Comparative analysis of folding and substrate binding sites between regulated hexameric type II citrate synthases and unregulated dimeric type I enzymes. (制御された6量体II型クエン酸合成酵素と、制御されない2量体I型酵素との折りたたみと基質結合部位の比較分析) Nguyen, N.T., Maurus, R., Stokell, D.J., Ayed, A., Duckworth, H.W., Brayer, G.D. 2001 Biochemistry 40 13177 11683626
1nxe Insights into the evolution of allosteric properties. The NADH binding site of hexameric type II citrate synthases. (拮抗的性質の進化に関する洞察:クエン酸合成酵素II型6量体のNADH結合部位) Maurus, R., Nguyen, N.T., Stokell, D.J., Ayed, A., Hultin, P.G., Duckworth, H.W., Brayer, G.D. 2003 Biochemistry 42 5555 12741811
1nxg
1o7x Stepwise adaptations of citrate synthase to survival at life's extremes. From psychrophile to hyperthermophile. (生命の極限で生きるクエン酸合成酵素の段階的適応。低温菌から超好熱菌まで) Bell, G.S., Russell, R.J., Connaris, H., Hough, D.W., Danson, M.J., Taylor, G.L. 2002 Eur.J.Biochem. 269 6250 12473121
1owb Probing the roles of key residues in the unique regulatory NADH binding site of type II citrate synthase of Escherichia coli. (大腸菌クエン酸合成酵素II型に関するNADH結合部位の特有な制御に関与している重要な残基の役割探索) Stokell, D.J., Donald, L.J., Maurus, R., Nguyen, N.T., Sadler, G., Choudhary, K., Hultin, P.G., Brayer, G.D., Duckworth, H.W. 2003 J.Biol.Chem. 278 35435 12824188
1owc
1vgm Crystal Structures of two Isozymes of Citrate Synthase from Sulfolbus tokodaii strain7 (好酸好熱菌Sulfolbus tokodaii 系統7から得られた2種類のクエン酸合成酵素類似配列蛋白質の結晶構造) Murakami, M., Ihara, K., Kouyama, T. n/a TO BE PUBLISHED n/a n/a n/a
1vgp
2c6x Domain Closure in Citrate Synthases Adapted to the Range of Biological Temperatures (生物学的温度範囲に適応したクエン酸合成酵素のドメイン閉環) Vogl, C., Hough, D.W., Danson, M.J., Crennell, S.J. n/a To be Published n/a n/a n/a
2h12 Structure of a NADH-insensitive hexameric citrate synthase that resists acid inactivation. (酸不活性化に耐えるNADH不感性クエン酸合成酵素6量体の構造) Francois, J.A., Starks, C.M., Sivanuntakorn, S., Jiang, H., Ransome, A.E., Nam, J.W., Constantine, C.Z., Kappock, T.J. 2006 Biochemistry 45 13487 17087502
2ibp Discovery of a thermophilic protein complex stabilized by topologically interlinked chains. (形態的につながった鎖によって安定化された好熱性蛋白質複合体の発見) Boutz, D.R., Cascio, D., Whitelegge, J., Perry, L.J., Yeates, T.O. 2007 J.Mol.Biol. 368 1332 17395198
2ifc To be anounced Lehmann, C., Kurz, C., Ellenberger, E. n/a To be Published n/a n/a n/a
2p2w Crystal structure of citrate synthase from Thermotoga maritima MSB8 (好熱性細菌Thermotoga maritima MSB8株から得られたクエン酸合成酵素の結晶構造) Sugahara, M., Kunishima, N. n/a To be Published n/a n/a n/a
4cts Crystal structure analysis and molecular model of a complex of citrate synthase with oxaloacetate and S-acetonyl-coenzyme A (クエン酸合成酵素とオキサロ酢酸、S-アセトニル補酵素Aとの複合体の結晶構造分析と分子モデル) Wiegand, G., Remington, S., Deisenhofer, J., Huber, R. 1984 J.Mol.Biol. 174 205 6716477
5csc Crystal structure of an open conformation of citrate synthase from chicken heart at 2.8-A resolution (ニワトリの心臓から得られた解像度2.8Åのクエン酸合成酵素の開放型構造の結晶構造) Liao, D.-I., Karpusas, M., Remington, S.J. 1991 Biochemistry 30 6031 2043641
5cts Proposed mechanism for the condensation reaction of citrate synthase: 1.9-A structure of the ternary complex with oxaloacetate and carboxymethyl coenzyme A. (クエン酸合成酵素の濃縮反応に関して提案された機構:オキサロ酢酸とカルボキシメチル補酵素Aとの複合体の解像度1.9Åでの三次元構造) Karpusas, M., Branchaud, B., Remington, S.J. 1990 Biochemistry 29 2213 2337600
6cts
6csc Trifluoroacetonyl Coenzyme A, an Inhibitor of Citrate Synthase, Binds in a Combination of Productive and Nonproductive Modes (トリフルオロアセトニル補酵素A。クエン酸合成酵素の阻害剤で生産モードおよび非生産モードの組み合わせに結合する。) Usher, K.C., Branchaud, B., Remington, S.J. n/a To be Published n/a n/a n/a

クエン酸合成酵素についてさらに知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • G. Wiegand and S. J. Remington (1986) Citrate synthase: structure, control, and mechanism. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry 15



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2007-09-01 (last edited: 6 months ago)2016-09-09
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