カルボキシペプチダーゼA
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 ウシ膵臓由来カルボキシペプチダーゼA | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 3.4.17.1 | ||||||||
| CAS番号 | 9031-98-5 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | ブレンダエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZymeビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイクル | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| 遺伝子オントロジー | アミゴー/クイックゴー | ||||||||
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カルボキシペプチダーゼAは通常、 C末端残基の芳香族または脂肪族側鎖を持つペプチド結合を加水分解する膵臓エキソペプチダーゼを指します。現在、この分野のほとんどの科学者はこの酵素をCPA1、関連する膵臓カルボキシペプチダーゼをCPA2と呼んでいます。
種類
さらに、CPA-3からCPA-6と呼ばれる4種類の哺乳類酵素が存在しますが、いずれも膵臓では発現しません。その代わりに、これらのCPA類似酵素は多様な機能を有しています。
- CPA3 (マスト細胞 CPA とも呼ばれる) は、マスト細胞によるタンパク質の消化に関与しています。
- CPA4 (以前は CPA-3 として知られていましたが、肥満細胞 CPA が CPA-3 と指定されたときに番号が変更されました) は腫瘍の進行に関与している可能性がありますが、この酵素は十分に研究されていません。
- CPA5 については十分に研究されていません。
- CPA6はマウスの発達期に多くの組織で発現しますが、成体では脳をはじめとするいくつかの組織に限定的に分布します。CPA6は細胞外マトリックスに存在し、そこで酵素活性を示します。ヒトにおけるCPA6の変異は、デュアン症候群（異常眼球運動）と関連付けられています。最近、CPA6の変異がてんかんと関連していることが明らかになりました。CPA6は、エンケファリンを分解する酵素の一つでもあります。
関数
CPA-1およびCPA-2（そしておそらく他のすべてのCPAも）は、タンパク質内の亜鉛イオンを利用して、アミノ酸残基のC末端にあるペプチド結合を加水分解します。亜鉛が失われると活性は失われますが、亜鉛は容易に置換でき、他の二価金属（コバルト、ニッケル）でも置換できます。カルボキシペプチダーゼAは膵臓で産生され、消化、タンパク質の翻訳後修飾、血液凝固、生殖など、人体の多くのプロセスに不可欠です。
アプリケーション
単一タンパク質でこれほど広範囲の機能性を示すことから、構造が未知である他の亜鉛プロテアーゼの研究モデルとして理想的である。コラーゲナーゼ、エンケファリナーゼ、アンジオテンシン変換酵素に関する最近の生物医学研究では、カルボキシペプチダーゼAを阻害剤の合成と速度論的試験に用いた。例えば、高血圧治療薬カプトプリルは、カルボキシペプチダーゼA阻害剤に基づいて設計された。カルボキシペプチダーゼAとカプトプリルの標的酵素であるアンジオテンシン変換酵素は、活性部位に亜鉛イオンを含むという非常に類似した構造を有する。このため、強力なカルボキシペプチダーゼA阻害剤を用いて酵素を阻害し、レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系を介して血圧を下げることが可能となった。[ 1 ]
構造
カルボキシペプチダーゼA（CPA）は、四面体構造の亜鉛（Zn 2+）金属中心を有し、その周囲にはアミノ酸残基が近接して配置され、触媒作用と結合を促進します。ペプチド鎖に結合した307個のアミノ酸のうち、グルタミン酸270番、アルギニン71番、アルギニン127番、アスパラギン酸144番、アルギニン145番、チロシン248番が触媒作用と結合に重要です。図1は、四面体構造の亜鉛複合体活性部位と、複合体を取り囲む重要なアミノ酸残基を示しています。[ 2 ]
亜鉛金属は強力な求電子性ルイス酸触媒であり、配位水分子を安定化させるだけでなく、加水分解反応中に生じる負の中間体も安定化させます。配位水分子と負の中間体の両方の安定化は、活性部位に近接する極性残基によって促進され、水素結合を促進します。[ 2 ]
活性部位は、S 1 'およびS 1と呼ばれる2つのサブサイトに分類されます。S 1 'サブサイトは酵素の疎水性ポケットであり、基質または阻害剤が結合した後、Tyr-248は疎水性ポケットを「キャップ」する役割を果たします（SITE）。[ 2 ] Tyr-248のヒドロキシル基からの水素結合は、結合する基質の末端カルボキシル基との相互作用により、この立体構造の形成を促進します。この酵素には大きな運動が必要であり、誘導適合モデルによってこの相互作用がどのように起こるかが説明されます。
3つの残基が水素結合を介してC末端カルボキシレートと相互作用する。
- 正に帯電したArg-145との塩結合
- Tyr-248からの水素結合
- Asn-144アミドの窒素からの水素結合
機構
メタロエキソペプチダーゼに分類されるカルボキシペプチダーゼAは、亜鉛イオンに結合した単一のポリペプチド鎖から構成されています。この特徴的な金属イオンは、基質結合に関与する5つのアミノ酸残基（Arg-71、Arg-127、Asn-144、Arg-145、Tyr-248、およびGlu-270）とともに、酵素の活性部位内に位置しています。X線結晶構造解析により、このタンパク質には5つのサブサイトが存在することが明らかになっています。これらのアロステリック部位は、ほとんどの生理活性酵素に見られるリガンド-酵素特異性の形成に関与しています。これらのサブサイトの一つは、主活性部位に基質分子が結合すると、Tyr-248の構造変化を引き起こします。チロシンのフェノール性水酸基は、リガンドの末端カルボキシル基と水素結合を形成します。さらに、チロシンと、より長いペプチド基質のペプチド結合との間にも、2つ目の水素結合が形成されます。これらの変化により、酵素とリガンド（基質であれ阻害剤であれ）間の結合は著しく強固になります。カルボキシペプチダーゼAのこの特性は、ダニエル・E・コシュランド・ジュニアによる「誘導適合」仮説の第一項につながりました。
CPAにおいて触媒作用が起こるのはS 1サブサイトであり、亜鉛イオンはグルタミン酸72番、ヒスチジン69番、ヒスチジン196番の酵素残基によって配位されている。活性部位の溝を二分する平面が存在し、グルタミン酸270番とアルギニン127番残基は亜鉛-水結合複合体の反対側に位置する。亜鉛はグルタミン配位子によって配位されているため電子豊富である。これは、基質が結合する前はグルタミン配位子が二座配位子であるが、基質が結合した後には一座配位子に変化するためである。その結果、亜鉛は配位した水分子を脱プロトン化してヒドロキシル求核剤を形成することができない。[ 2 ]
図2に示すように、グルタミン酸270とアルギニン127は触媒反応において重要な役割を果たします。アルギニン127は、フェニルアラニンのアミノ基に結合した基質のカルボニル基を安定化させる働きがあります。同時に、亜鉛に配位した水分子はグルタミン酸270によって脱プロトン化され、アルギニン127によって安定化されたカルボニル基と相互作用します。これにより、図2に示すように、負に帯電した酸素が亜鉛に配位した中間体が生成されます。そして、グルタミン酸270とイオン化した生成物との間の不利な静電相互作用により、触媒反応の終了時に生成物が放出されます。[ 2 ]
最近の計算研究では、触媒のメカニズムは類似しているものの、脱プロトン化された水分子がカルボニル基の炭素に結合するのに対し、図2に示すように水酸基は亜鉛に配位したままであるという点が異なっています。その後、タンパク質分解が起こり、水分子が活性部位に戻って亜鉛に配位します。[ 3 ]
カルボキシペプチダーゼAと基質との結合の詳細と、それが加水分解速度に及ぼす影響について、いくつかの研究が行われてきました。1934年、速度論的実験によって、基質が結合するためには、加水分解されるペプチドが末端の遊離水酸基に隣接していなければならないことが初めて発見されました。また、C末端残基が分岐した脂肪族または芳香族であれば、加水分解速度を高めることができます。しかし、基質が遊離アミノ基を持つジペプチドである場合、加水分解は遅くなります。しかし、アミノ基をN-アシル化によってブロックすれば、この加水分解を回避できます。[ 4 ]
酵素の構造、特に活性部位は、反応機構を理解する上で非常に重要であることは明らかです。そのため、リースらは酵素-リガンド複合体を研究し、亜鉛イオンの役割について明確な答えを得ました。これらの研究により、遊離酵素では亜鉛の配位数は5であり、金属中心は2つのイミダゾールNδ1窒素、グルタミン酸72の2つのカルボキシル酸素、そして水分子と配位し、歪んだ四面体を形成することがわかりました。しかし、リガンドがカルボキシペプチダーゼAの活性部位に結合すると、この配位数は5から6まで変化します。ジペプチドグリシル-L-チロシンに結合すると、ジペプチドのアミノ窒素とカルボニル酸素が水リガンドを置換します。これにより、カルボキシペプチダーゼA-ジペプチドグリシル-L-チロシン複合体中の亜鉛の配位数は6となります。電子密度マップは、アミノ窒素がグルタミン酸270番付近の2番目の位置を占めていることを証明した。これら2つの残基の近接性は立体障害を引き起こし、水配位子が亜鉛と配位結合するのを妨げる。その結果、配位数は5となる。どちらの場合もデータは豊富であり、どちらの状況も自然界で起こることを示唆している。[ 5 ]
カルボキシペプチダーゼAの触媒機能については、2つのメカニズムが提唱されている。1つ目は、活性部位にグルタミン酸270塩基を含む共有結合型アシル酵素中間体を介した求核経路である。この無水物中間体に関する証拠は複雑であり、Suhらはアシル中間体と考えられるものを単離した。しかし、アシル酵素の確認はトラップ実験なしで行われたため、結論は弱いものとなっている。[ 1 ]
2番目に提案されているメカニズムは、促進された水経路である。このメカニズムでは、基質の切断可能なペプチド結合に水分子が攻撃する。このプロセスは亜鉛イオンによって促進され、グルタミン酸残基270によって補助される。[ 1 ]
参照
参考文献
- ^ a b c Christianson DW , Lipscomb WN (1989年2月). 「カルボキシペプチダーゼA」. Accounts of Chemical Research . 22 (2): 62–9 . doi : 10.1021/ar00158a003 .
- ^ a b c d e Christianson, D., W., および Lipscomb, W., N. (1989)カルボキシペプチダーゼ A.アメリカ化学会, Vol (22): 62-69.
- ^ Valdez CE, Morgenstern A, Eberhart ME, Alexandrova AN (2016年11月). 「計算金属酵素再設計のための予測手法 - カルボキシペプチダーゼAを用いたテストケース」(PDF) . Physical Chemistry Chemical Physics . 18 (46): 31744– 31756. Bibcode : 2016PCCP...1831744V . doi : 10.1039/c6cp02247b . PMID 27841396. S2CID 3545851 .
- ^ Lipscomb WN (1970年3月). 「カルボキシペプチダーゼAの構造と酵素活性のメカニズム、および化学配列との関係」. Accounts of Chemical Research . 3 (3): 81–9 . doi : 10.1021/ar50027a001 .
- ^ Rees DC, Lewis M, Honzatko RB, Lipscomb WN, Hardman KD (1981年6月). 「1.75Å分解能におけるカルボキシペプチダーゼAの亜鉛環境とシスペプチド結合」. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 78 (6): 3408–12 . Bibcode : 1981PNAS...78.3408R . doi : 10.1073/pnas.78.6.3408 . PMC 319577. PMID 6943549 .
外部リンク
- ペプチダーゼとその阻害剤に関するMEROPSオンラインデータベース：M14.001
- 米国国立医学図書館医学件名表（MeSH）のカルボキシペプチダーゼ+A
