グルタミン酸ラセマーゼのソースを表示

{{enzyme
| Name = Glutamate Racemase
| EC_number = 5.1.1.3
| CAS_number = 9024-08-2
| IUBMB_EC_number = 5/1/1/3
| GO_code = 0008881
| image = 
| width = 
| caption = 
}}'''グルタミン酸ラセマーゼ'''(Glutamate racemase、MurI、{{EC number|5.1.1.3}})は、以下の[[化学反応]]を[[触媒]]する[[酵素]]である。
:L-グルタミン酸 <math>\rightleftharpoons</math> D-グルタミン酸

従って、基質はL-[[グルタミン酸]]、生成物はD-グルタミン酸である。

この酵素は、[[異性化酵素]]、特に[[アミノ酸]]やその誘導体に作用する[[ラセマーゼ]]や[[エピメラーゼ]]に分類される<ref name="Kim_2007"/>。[[細菌]]の[[細胞壁]]生合成に必要な[[グルタミン酸]]の[[代謝]]に関与しているほか<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008">{{cite journal | author = Sengupta S, Ghosh S, Nagaraja V | title = Moonlighting function of glutamate racemase from Mycobacterium tuberculosis: racemization and DNA gyrase inhibition are two independent activities of the enzyme | journal = Microbiology (Reading, Engl.) | volume = 154 | issue = Pt 9 | pages = 2796-803 | year = 2008 | month = September | pmid = 18757813 | doi = 10.1099/mic.0.2008/020933-0 }}</ref>、[[DNA]]への[[DNAジャイレース]]の結合を妨げる役割も果たしている<ref name="Reece_1991">{{cite journal | author = Reece RJ, Maxwell A | title = DNA gyrase: structure and function | journal = Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. | volume = 26 | issue = 3-4 | pages = 335-75 | year = 1991 | pmid = 1657531 | doi = 10.3109/10409239109114072 | url = | issn = }}</ref>。

グルタミン酸ラセマーゼは、細胞壁合成<ref name=Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008 />とジャイレース阻害<ref name=Reece_1991 />の2つの役割を果たしている。グルタミン酸ラセマーゼのように、全く別の2つの役割を果たすタンパク質は、[[多機能タンパク質]](moonlighting protein)と呼ばれている。

==多機能性==
多機能タンパク質の発見まで、酵素は1つの機能しか持たないと考えられ、「1遺伝子1酵素」説が広く信じられていた。しかし、2つの機能を持つタンパク質が発見され、この説は否定された。これらの2つの機能は、単一の[[ポリペプチド鎖]]で見られる。複数機能を持つタンパク質は、遺伝子融合、相同タンパク質、スプライス変異等によるものではない。

==構造==
[[ファイル:2OHV.png|thumb|300px|活性部位に阻害剤γ-2-ナフチルメチル-D-グルタミン酸（炭素=白色、酸素=赤色、窒素=赤色）が結合した化膿レンサ球菌のグルタミン酸ラセマーゼの結晶構造（N末端側が青色、C末端側が赤色）<ref name="pmid17658548"> {{PDB|2OHV}}; {{cite journal | author = Kim KH, Bong YJ, Park JK, Shin KJ, Hwang KY, Kim EE | title = Structural basis for glutamate racemase inhibition | journal = J. Mol. Biol. | volume = 372 | issue = 2 | pages = 434–43 | year = 2007 | month = September | pmid = 17658548 | doi = 10.1016/j.jmb.2007.05.003 | url = }}</ref>
]]
MurIの大きさは、おおよそ35 A × 40 A × 45 Aであり、α/β構造を持つ2つのコンパクトな[[タンパク質ドメイン|ドメイン]]から構成されている<ref name="Kim_2007">{{cite journal | author = Kim KH, Bong YJ, Park JK, Shin KJ, Hwang KY, Kim EE | title = Structural basis for glutamate racemase inhibition | journal = J. Mol. Biol. | volume = 372 | issue = 2 | pages = 434-43 | year = 2007 | month = September | pmid = 17658548 | doi = 10.1016/j.jmb.2007.05.003 | url = }}</ref><ref name="Hwang_1999"/>。2つのドメインの間に[[活性部位]]があり、[[N末端]]ドメインは1から97番目の残基と207から264番目の残基、[[C末端]]ドメインは98から206番目の残基で形成されている<ref name="Kim_2007"/>。これにより、酵素は、D-グルタミン酸からL-異性体を作ることができる。また、N末端ドメインは5鎖の[[βシート]]、C末端ドメインは4鎖のβシートで構成されている<ref name="Kim_2007"/>。このような構造上の特徴は、異なる種のMurIで同一である訳ではない。[[化膿レンサ球菌]]や[[枯草菌]]は、ほぼ相同なMurIを持っている。二量体のMurIも珍しくない。

N末端とC末端のちょうど間に存在する活性部位は、2つの[[システイン]]残基の間にもある。この部分は溶媒と接触し、いくつかの水分子が活性部位に入る。いくつかの種では、活性部位は[[硫酸イオン]]を持ち、アミド骨格や側鎖と[[水素結合]]を形成している<ref name="Kim_2007"/><ref name="Ruzheinikov_2005">{{cite journal | author = Ruzheinikov SN, Taal MA, Sedelnikova SE, Baker PJ, Rice DW | title = Substrate-induced conformational changes in Bacillus subtilis glutamate racemase and their implications for drug discovery | journal = Structure | volume = 13 | issue = 11 | pages = 1707-13 | year = 2005 | month = November | pmid = 16271894 | doi = 10.1016/j.str.2005.07.024 }}</ref>。

==機能==
===細菌細胞壁合成===
グルタミン酸ラセマーゼは、''murI''遺伝子でコードされる細菌の酵素である。この酵素は、細菌の細胞壁合成に必要であることが知られている。実験から、この酵素はラセミ化によってL-グルタミン酸からD-グルタミン酸を合成することによって、細胞壁を組み立てていることが明らかとなっている<ref name="Hwang_1999">{{cite journal | author = Hwang KY, Cho CS, Kim SS, Sung HC, Yu YG, Cho Y | title = Structure and mechanism of glutamate racemase from Aquifex pyrophilus | journal = Nat. Struct. Biol. | volume = 6 | issue = 5 | pages = 422-6 | year = 1999 | month = May | pmid = 10331867 | doi = 10.1038/8223 }}</ref>。D-グルタミン酸は、[[原核生物]]の細胞壁において、必須の構成成分である[[ペプチドグリカン]]層のモノマーとなる。ペプチドグリカン層は細胞壁の剛性にも関わっている<ref name="Schleifer_1972">{{cite journal | author = Schleifer KH, Kandler O | title = Peptidoglycan types of bacterial cell walls and their taxonomic implications | journal = Bacteriol Rev | volume = 36 | issue = 4 | pages = 407-77 | year = 1972 | month = December | pmid = 4568761 | pmc = 408328 | doi = | url = | issn = }}</ref>。MurIがグルタミン酸の[[エナンチオマー]]の相互変換を触媒する過程は、[[アロステリック部位]]に結合して触媒反応を開始させる[[補因子]]を必要としない<ref name="Glavas & Tanner 2001">{{cite journal | author = Glavas S, Tanner ME | title = Active site residues of glutamate racemase | journal = Biochemistry | volume = 40 | issue = 21 | pages = 6199-204 | year = 2001 | month = May | pmid = 11371180 | doi = 10.1021/bi002703z }}</ref>。MurIがグルタミン酸のエナンチオマーをD-グルタミン酸に変換する過程は、2つの段階からなる。第1段階では、基質が[[脱プロトン化]]され、[[アニオン]]となる<ref name="Glavas & Tanner 2001"/>。続いて、基質は再[[プロトン化]]される。グルタミン酸が酵素の活性部位に結合すると、ドメインの大きな構造変化が起きる。この変化により、触媒に関与する2つのシステイン残基Cys73とCys184が重ね合わされ、基質の両側に位置する。前述のドメインは対称的であり、この対称性は、このタンパク質が[[遺伝子重複]]により進化してきたことを示唆している<ref name="Ruzheinikov_2005"/>。この細胞壁生合成の機能により、MurIは[[抗菌剤]]としての利用が期待されている<ref name="pmid17568739">{{cite journal | author = Lundqvist T, Fisher SL, Kern G, Folmer RH, Xue Y, Newton DT, Keating TA, Alm RA, de Jonge BL | title = Exploitation of structural and regulatory diversity in glutamate racemases | journal = Nature | volume = 447 | issue = 7146 | pages = 817-22 | year = 2007 | month = June | pmid = 17568739 | doi = 10.1038/nature05689 }}</ref>。

===ジャイレース阻害===
細胞壁生合成の機能とともに、このタンパク質はジャイレース阻害の機能も独立に持っている<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。ある種の細菌の持つMurIは、DNAジャイレースのDNAへの結合を阻害し、DNAジャイレースの活性を減少させる<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。DNAジャイレースがDNAに結合すると、DNAジャイレースはDNAの螺旋をゆるめ、[[超螺旋]]の状態にする<ref name="Sengupta_Shah_Nagaraja_2006">{{cite journal | author = Sengupta S, Shah M, Nagaraja V | title = Glutamate racemase from Mycobacterium tuberculosis inhibits DNA gyrase by affecting its DNA-binding | journal = Nucleic Acids Res. | volume = 34 | issue = 19 | pages = 5567-76 | year = 2006 | pmid = 17020913 | pmc = 1635304 | doi = 10.1093/nar/gkl704 }}</ref>。これは、細菌細胞の複製に先だって起こるDNA複製に必須のステップである<ref name="Sengupta_Nagaraja_2008"/>。この過程にグルタミン酸ラセマーゼが存在すると、DNAジャイレースの活性部位を変形させ、DNAに効率的に結合できないようにする。これにより、DNAジャイレースはDNAの螺旋構造をほどくことができなくなる<ref name="Sengupta_Nagaraja_2008">{{cite journal | author = Sengupta S, Nagaraja V | title = Inhibition of DNA gyrase activity by Mycobacterium smegmatis MurI | journal = FEMS Microbiol. Lett. | volume = 279 | issue = 1 | pages = 40-7 | year = 2008 | month = February | pmid = 18177305 | doi = 10.1111/j.1574-6968.2007.01005.x }}</ref>。

MurIのこの機能は、実験的に発見された。DNAジャイレースをMurIと一緒にインキュベートし、DNAのサンプルに加えると、MurIが存在している時に超螺旋活性が阻害された<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。MurIの細胞壁合成の機能は、このもう一つの機能には直接関わっておらず、独立していた<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。これは、逆にDNAジャイレースはMurIのラセミ化の作用には影響を及ぼしていないことを意味し、実験でも確かめられている<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。実験によって、ラセマーゼの基質であるL-グルタミン酸が離れたDNAジャイレース阻害の活性部位に含まれていることが明らかとなり、MurIは2つの機能に対して、2つの異なる活性部位を用いていることが発見された。DNAジャイレース阻害作用は、ラセマーゼの基質が存在しても開始し、全く変わらないことが示された<ref name="Sengupta_Nagaraja_2008"/>。この発見により、2つの機能は、重なりのない活性部位においてそれぞれ独立に実行され、MurIを真の多機能タンパク質としていることが明らかとなった<ref name="Sengupta_Ghosh_Nagaraja_2008"/>。ラセマーゼ活性を持たないMurIの変異体が、変異のないMurIと同程度にDNAジャイレース阻害活性を持つことも示された<ref name="Sengupta_Nagaraja_2008"/>。

==活性調整==
この酵素は、アロステリック制御のモデルとして用いられている<ref name=pmid22182754>{{cite journal | author = T. Selwood and E. K. Jaffe. | title = Dynamic dissociating homo-oligomers and the control of protein function. | journal =  Arch. Biochem. Biophys. | volume =  519| issue =  2| pages =  131-43| year = 2011 | pmid = 22182754 | url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=PubMed&dopt=Citation&list_uids=22182754 | doi=10.1016/j.abb.2011.11.020 | pmc=3298769}}</ref>。

==応用==
グルタミン酸ラセマーゼの生成物であるD-グルタミン酸は細菌の細胞壁の必須の構成成分であることから、この酵素の抗菌剤としての利用が期待されている。この酵素の活性を阻害することで、細菌の細胞壁の形成を止め、最終的には[[浸透圧]]によって[[溶菌]]させることができる。さらに、[[ほ乳類]]にはグルタミン酸ラセマーゼもその生成物のD-グルタミン酸も存在しないことから、この酵素の阻害は、宿主のほ乳類には毒性とならない<ref name="Ruzheinikov_2005"/>。MurIの阻害剤となる可能性がある物質としては、触媒部位のシステインを[[アルキル化]]する働きを持つアジリジノグルタミン酸や、グルタミン酸のアミノ基への[[結合水]]と競合する働きを持つN-ヒドロキシグルタミン酸<ref name="Ruzheinikov_2005"/>、基質と競合する働きを持つ、D-グルタミン酸の4位がアリル基、ヘテロアリル基、シンナミル基、ジアリル-メチル基で置き換わった物質等がある<ref name="Ruzheinikov_2005"/>。

==出典==
{{reflist|2}}

==関連文献==
{{refbegin}}
* {{cite journal | author = Glaser L | year = 1960 | title = Glutamic acid racemase from Lactobacillus arabinosus | journal = J. Biol. Chem. | volume = 235 | pages = 2095&ndash;8 | pmid = 13828348 }}
{{refend}}

{{デフォルトソート:くるたみんさんらせまあせ}}
[[Category:EC 5.1.1]]