2-ホスホグリコール酸

2-ホスホグリコール酸
名前
	推奨IUPAC名カルボキシルメチルリン酸
識別子
CAS番号	酸: 13147-57-4;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像; 酸：インタラクティブ画像;
チェビ	チェビ:58033; 酸: CHEBI:17150;
ケムスパイダー	酸: 514;
ECHA 情報カード	100.032.789
EC番号	酸: 236-084-2;
PubChem CID	24916760; 酸: 529;
ユニイ	酸: H8593JOP13;
CompToxダッシュボード（EPA）	DTXSID60157064;
	InChI InChI=1S/C2H5O6P/c3-2(4)1-8-9(5,6)7/h1H2,(H,3,4)(H2,5,6,7)/p-3 キー: ASCFNMCAHFUBCO-UHFFFAOYSA-K; 酸: InChI=1S/C2H5O6P/c3-2(4)1-8-9(5,6)7/h1H2,(H,3,4)(H2,5,6,7) キー: ASCFNMCAHFUBCO-UHFFFAOYSA-N;
	笑顔 C(C(=O)[O-])OP(=O)([O-])[O-]; 酸: C(C(=O)O)OP(=O)(O)O;
プロパティ
化学式	C 2 H 2 O 6 P −3
モル質量	153.007 g·mol −1
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。情報ボックスの参照

化合物

2-ホスホグリコール酸（化学式 C ₂ H ₂ O ₆ P ^3-、ホスホグリコール酸、2-PG、またはPGとも呼ばれる）は、リブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ（RuBisCo）酵素によって媒介されるオキシゲナーゼ反応の天然代謝産物です。

合成

RuBisCoは、植物の葉緑体における大気中の二酸化炭素の固定を触媒する。^[^要出典^] RuBisCoは、リブロース1,5-ビスリン酸（RuBP）を基質として、エンディオレート中間体を経てC2炭素のカルボキシル化を促進する。2つの3炭素生成物（3-ホスホグリセリン酸）は、続いてカルビン回路に供給される。大気中の酸素はこの反応と競合する。光呼吸と呼ばれるプロセスにおいて、RuBisCoはRuBPのC2炭素への大気中の酸素の付加も触媒し、2-ホスホグリコレートと3-ホスホグリセリン酸に分解する高エネルギーヒドロペルオキシド中間体を形成する。 ^{[1]酸素化反応はカルボキシル化に比べて}エネルギー障壁が高いにもかかわらず、光呼吸はC3植物におけるRuBisCoの代謝回転の最大25%を占める。^[2]

生物学的役割

植物

植物において、2-ホスホグリコール酸は多くの代謝経路を阻害するため、潜在的な毒性作用を有する。 ^[3]葉緑体の中心炭素代謝における重要な酵素、例えばトリオースリン酸イソメラーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、セドヘプツロース1,7-ビスリン酸ホスファターゼの活性は、2-PGの存在下で著しく低下する。したがって、光呼吸中の2-PGの分解は細胞の恒常性維持にとって重要である。

光呼吸は葉緑体が2-PGを除去する主な方法です。^[4]しかし、この経路は、2-PGが複雑なサルベージ経路で3-ホスホグリセリン酸に変換されるため、NADHとATPをそれぞれ1当量消費し、投資収益率が低下します。さらに、このサルベージ経路では、2-PG1分子あたり、固定されていた二酸化炭素の1/2当量と毒性のあるアンモニアの1/2当量が失われます。これにより、光呼吸における炭素の純損失が生じ、カルビン回路よりもはるかに効率が低下します。

しかし、このサルベージ経路は細胞のエネルギーシンクとしても機能し、葉緑体の電子伝達系の過剰な還元を防ぎます。^{[4]この経路は植物の}非生物的ストレス応答を改善する役割も果たしていると考えられています。

細菌

2-PGも同様に細菌において毒性物質です。細菌はグリセリン酸経路を用いてこの物質を除去します。このより短い経路は、グリオキシル酸の生成後に光呼吸から分岐し、グリオキシル酸カルボキシラーゼとタルトロニックセミアルデヒド還元酵素を用いてグリセリン酸の生成に再び結合します。一部のシアノバクテリアは、光呼吸経路とグリセリン酸経路を組み合わせて利用することができます。^[5]

より短いグリセリン酸経路を植物の葉緑体へ導入し、葉緑体からのグリコール酸の輸出を停止することで、光合成効率が向上します。タバコではバイオマスが13%増加しましたが、設計された経路ほど良好な結果ではありません。^[6]

動物

2-PGは主に植物で産生されますが、哺乳類の代謝にも関与しています^[3]。しかし、哺乳類における2-PGの起源は未だ完全には解明されていません。DNA鎖の切断処理によって少量の2-PGが生成されると考えられていますが、他のプロセスでも2-PGが生成されることがあります。赤血球中に存在する酵素であるビスホスホグリセリン酸ムターゼのホスファターゼサブユニットは、2-PGの存在下で活性が最大3桁増加し、ヘモグロビンの酸素親和性を高めます。

農業上の重要性

RuBisCoは、農業用途におけるバイオエンジニアリングの潜在的なターゲットとなっています。RuBPの酸素化を低下させることで、イネや小麦などの作物における炭素同化効率が向上し、結果として純バイオマス生産量の増加につながる可能性があります。RuBisCoの触媒回転率を高めるために、RuBisCoのタンパク質構造を人工的に改変する試みが行われてきました。例えば、酵素のLサブユニットの変異は、触媒回転率とRuBisCoの二酸化炭素親和性の両方を高めることが示されている^[7]。

参考文献

^ Tcherkez, Guillaume (2016). 「ルビスコ触媒による酸素化のメカニズム」. Plant, Cell & Environment . 39 (5): 983– 997. Bibcode :2016PCEnv..39..983T. doi : 10.1111/pce.12629 . ISSN 1365-3040. PMID 26286702.
^ Zelitch, Israel; Schultes, Neil P.; Peterson, Richard B.; Brown, Patrick; Brutnell, Thomas P. (2009年1月). 「トウモロコシが通常の空気中で生存するには、グリコレートオキシダーゼの高活性が必要である」. Plant Physiology . 149 (1): 195– 204. doi :10.1104/pp.108.128439. ISSN 0032-0889. PMC 2613714. PMID 18805949 .
^ ab Flügel, Franziska; Timm, Stefan; Arrivault, Stéphanie; Florian, Alexandra; Stitt, Mark; Fernie, Alisdair R.; Bauwe, Hermann (2017年10月). 「光呼吸代謝物2-ホスホグリコール酸はシロイヌナズナにおける光合成とデンプン蓄積を制御する」. The Plant Cell . 29 (10): 2537– 2551. Bibcode :2017PlanC..29.2537F. doi :10.1105/tpc.17.00256. ISSN 1040-4651. PMC 5774572. PMID 28947491 .
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^ Eisenhut, M; Kahlon, S; Hasse, D; Ewald, R; Lieman-Hurwitz, J; Ogawa, T; Ruth, W; Bauwe, H; Kaplan, A; Hagemann, M (2006年9月). 「シアノバクテリアにおけるホスホグリコール酸代謝において、植物型C2グリコール酸回路と細菌型グリセリン酸経路が協力する」. Plant Physiology . 142 (1): 333– 42. doi :10.1104/pp.106.082982. PMC 1557606. PMID 16877700 .
^ South PF, Cavanagh AP, Liu HW, Ort DR (2019年1月). 「合成グリコール酸代謝経路は圃場での作物の成長と生産性を刺激する」. Science . 363 (6422) eaat9077. doi : 10.1126/science.aat9077 . PMC 7745124. PMID 30606819 .
^ Greene, Dina N.; Whitney, Spencer M.; Matsumura, Ichiro (2007-06-15). 「人工的に進化させた Synechococcus PCC6301 Rubisco 変異体は、フォールディングと触媒効率の向上を示す」The Biochemical Journal . 404 (Pt 3): 517– 524. doi :10.1042/BJ20070071. ISSN 0264-6021. PMC 1896282. PMID 17391103 .

[1] Tcherkez, Guillaume (2016). 「ルビスコ触媒による酸素化のメカニズム」. Plant, Cell & Environment . 39 (5): 983– 997. Bibcode :2016PCEnv..39..983T. doi : 10.1111/pce.12629 . ISSN 1365-3040. PMID 26286702.

[2] Zelitch, Israel; Schultes, Neil P.; Peterson, Richard B.; Brown, Patrick; Brutnell, Thomas P. (2009年1月). 「トウモロコシが通常の空気中で生存するには、グリコレートオキシダーゼの高活性が必要である」. Plant Physiology . 149 (1): 195– 204. doi :10.1104/pp.108.128439. ISSN 0032-0889. PMC 2613714. PMID 18805949 .

[:1-3] Flügel, Franziska; Timm, Stefan; Arrivault, Stéphanie; Florian, Alexandra; Stitt, Mark; Fernie, Alisdair R.; Bauwe, Hermann (2017年10月). 「光呼吸代謝物2-ホスホグリコール酸はシロイヌナズナにおける光合成とデンプン蓄積を制御する」. The Plant Cell . 29 (10): 2537– 2551. Bibcode :2017PlanC..29.2537F. doi :10.1105/tpc.17.00256. ISSN 1040-4651. PMC 5774572. PMID 28947491 .

[:2-4] Timm, Stefan; Woitschach, Franziska; Heise, Carolin; Hagemann, Martin; Bauwe, Hermann (2019-12-02). 「光呼吸による2-ホスホグリコール酸の高速除去はシロイヌナズナの非生物的ストレス耐性を向上させる」. Plants . 8 (12): 563. Bibcode :2019Plnts...8..563T. doi : 10.3390/plants8120563 . ISSN 2223-7747. PMC 6963629. PMID 31810232 .

[5] Eisenhut, M; Kahlon, S; Hasse, D; Ewald, R; Lieman-Hurwitz, J; Ogawa, T; Ruth, W; Bauwe, H; Kaplan, A; Hagemann, M (2006年9月). 「シアノバクテリアにおけるホスホグリコール酸代謝において、植物型C2グリコール酸回路と細菌型グリセリン酸経路が協力する」. Plant Physiology . 142 (1): 333– 42. doi :10.1104/pp.106.082982. PMC 1557606. PMID 16877700 .

[6] South PF, Cavanagh AP, Liu HW, Ort DR (2019年1月). 「合成グリコール酸代謝経路は圃場での作物の成長と生産性を刺激する」. Science . 363 (6422) eaat9077. doi : 10.1126/science.aat9077 . PMC 7745124. PMID 30606819 .

[7] Greene, Dina N.; Whitney, Spencer M.; Matsumura, Ichiro (2007-06-15). 「人工的に進化させた Synechococcus PCC6301 Rubisco 変異体は、フォールディングと触媒効率の向上を示す」The Biochemical Journal . 404 (Pt 3): 517– 524. doi :10.1042/BJ20070071. ISSN 0264-6021. PMC 1896282. PMID 17391103 .