Pyridoxal phosphate/ja

Pyridoxal phosphate/ja

理想化された骨格式
結晶構造に基づくボールアンドスティックモデル。リン酸基とピリジン基が反応して双性イオンを形成し、アルデヒド基が水和物になっていることに注意。
Names
Preferred IUPAC name (4-Formyl-5-hydroxy-6-methylpyridin-3-yl)methyl dihydrogen phosphate
Other names Pyridoxal 5-phosphate, PAL-P, PLP, Vitamin B6 phosphate
Identifiers
CAS Number	54-47-7 Y
3D model (JSmol)	Interactive image
ChEBI	CHEBI:18405
ChEMBL	ChEMBL82202 N
IUPHAR/BPS	5249
MeSH	Pyridoxal+Phosphate
PubChem CID	1051
UNII	F06SGE49M6 Y
SMILES O=Cc1c(O)c(C)ncc1COP(O)(O)=O
Properties
Chemical formula	C8H10NO6P
Molar mass	247.142 g/mol
Density	1.638±0.06 g/cm3
Melting point	139 to 142 °C (282 to 288 °F; 412 to 415 K)
Acidity (pKa)	1.56
Pharmacology
ATC code	A11HA06 (WHO)
Hazards
Flash point	296.0±32.9 °C

ピリドキサールリン酸（PLP、ピリドキサール5'-リン酸、P5P）は、ビタミンB₆の活性型であり、様々な酵素反応における補酵素である。国際生化学分子生物学連合は140以上のPLP依存性活性をカタログ化しており、分類された全活性の約4%に相当する。PLPの多用途性は、基質と共有結合した後、親電子触媒として作用し、様々なタイプのカルバニオン反応中間体を安定化させる能力から生じる。

補酵素としての役割

PLPはすべてのトランスアミノ化反応、および特定の脱炭酸、脱アミノ化、アミノ酸のラセミ化反応において補酵素として働く。 PLPのアルデヒド基は、アミノトランスフェラーゼ酵素の特定のリジン基のε-アミノ基とシッフ塩基結合（内部アルジミン）を形成する。アミノ酸基質のα-アミノ基は、活性部位リジン残基のε-アミノ基を転位脱離として知られるプロセスで置換する。結果として生じる外部アルジミンは、プロトン、二酸化炭素、アミノ酸側鎖を失ってキノノイド中間体となり、いくつかの反応経路で求核剤として働くことができる。

トランスアミノ化では、脱プロトン化後にキノノイド中間体が別の位置でプロトンを受け入れ、ケチミンとなる。得られたケチミンは加水分解され、アミノ基が複合体上に残る。さらに、PLPはペルオサミンやデソサミンのような珍しい糖に作用するアミノトランスフェラーゼ（またはトランスアミナーゼ）によっても利用される。これらの反応では、PLPはグルタミン酸と反応し、そのα-アミノ基をPLPに転移させてリン酸ピリドキサミン（PMP）を作る。 PMPはその後、窒素を糖に転移させ、アミノ糖を作る。

PLPは、セリンデヒドラターゼやGDP-4-ケト-6-デオキシマンノース-3-デヒドラターゼ（ColD）が行う反応など、様々なβ-脱離反応にも関与している。

また、ヘム合成における縮合反応でも活性を示す。

PLPは、レボドパからドーパミンへの変換に関与し、興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸から抑制性神経伝達物質であるGABAへの変換を促進し、SAMを脱炭酸させてポリアミンの前駆体であるプロピルアミンを形成させる。

人体における役割

詳細は「ビタミンB6」を参照

ピリドキサールリン酸は人体内で数多くの役割を担っている。以下にいくつか例を挙げる：

• セロトニンの代謝と生合成 ピリドキサールリン酸は芳香族L-アミノ酸脱炭酸酵素の補因子である。これにより、5-ヒドロキシトリプトファン（5-HTP）からセロトニン（5-HT）への変換が可能になる。この反応はセロトニン作動性ニューロンで起こる。
• ヒスタミンの代謝と合成 ピリドキサールリン酸はL-ヒスチジン脱炭酸酵素の補因子である。これにより、ヒスチジンからヒスタミンへの変換が可能になる。この反応は肥満細胞や好塩基球のゴルジ装置で起こる。次に、ヒスタミンは、肥満細胞ではヘパリンプロテオグリカンの酸残基との複合体として、好塩基球ではコンドロイチン硫酸との複合体として顆粒状に貯蔵される。
• オルニチンの代謝 ピリドキサールリン酸はオルニチンカルボキシラーゼの補酵素である。
• トランスアミネーション ピリドキサールリン酸はアミノ酸、脂肪、糖質の分解と合成、ホルモン、神経伝達物質、ヘムの生合成に関与する。

PLPの非古典的な例

PLPは肝臓のグリコーゲンホスホリラーゼ上にも存在し、グルカゴンやエピネフリンのシグナルを受けてグリコーゲン分解でグリコーゲンを分解するのに使われる。しかし、この酵素は反応性のアルデヒド基を利用せず、代わりにPLP上のリン酸基を利用して反応を行う。

大多数のPLP依存性酵素は、活性部位のリジン残基を介してPLPと内部アルジミンを形成するが、一部のPLP依存性酵素はこのリジン残基を持たず、代わりに活性部位にヒスチジンを持つ。このような場合、ヒスチジンは内部アルジミンを形成することができないため、補酵素は酵素に共有結合しない。GDP-4-ケト-6-デオキシマンノース-3-デヒドラターゼ（ColD）はそのような酵素の例である。 ヒトのセリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ2は、アミノ酸とヌクレオチドの代謝に必要な一炭素移動反応を制御しており、二量体と四量体が存在する。二量体のSHMT2変異体は、免疫ベースの細胞シグナル伝達を制御するBRISC脱ユビキチラーゼ酵素複合体の強力な阻害剤である。最近の研究で、SJMT2の四量体化はPLPによって誘導されることが示された。これにより、BRISC脱ユビキチラーゼ複合体との相互作用が阻害され、ビタミンB6レベルと代謝が炎症に関連する可能性がある。

触媒メカニズム

ピリドキサール-5′-リン酸依存性酵素（PLP酵素）は無数の反応を触媒する。PLPが触媒する反応の範囲は膨大に見えるが、統一的な原理は、内部のリジン由来のアルジミンの形成である。アミノ基質が活性部位と相互作用すると、一般に外部アルジミンと呼ばれる新しいシッフ塩基が生成する。このステップの後、それぞれのPLP触媒反応の経路は分岐する。

メカニズムの例：アラニンのラセミ化とシステインの除去。

特異性

特異性は、アミノ酸アルジミン状態のα-炭素の4つの結合のうち、ピリジン環に垂直な結合が切断されるという事実によって与えられる（デュナサン立体電子仮説）。その結果、特異性は酵素が基質とどのように結合するかによって決まる。 特異性においてさらに重要な役割を果たすのが、ピリジン環窒素のプロトン化のしやすさである。

PLP-酵素

PLPは、リジンだけでなく、リン酸基とリン酸結合ポケットとの相互作用によって活性部位に保持され、さらに、ピリジン環と張り出した芳香族残基、一般的にはチロシン（チロシンも酸塩基触媒反応に関与することがある）との塩基のスタッキングによって、活性部位に保持される。PLP結合ポケットの要件は限られているにもかかわらず、PLP酵素は5つの異なるファミリーに属している。これらのファミリーは特定のタイプの反応とはあまり相関しない。5つのファミリーはフォールドタイプとして分類され、その後にローマ数字が続く。

• フォールドタイプI  - アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼファミリー
• フォールドタイプII - トリプトファン合成酵素ファミリー
• フォールドタイプIII - アラニンラセマーゼファミリー（TIM-バレル）
• フォールドタイプIV - D-アミノ酸アミノトランスフェラーゼファミリー
• フォールドタイプV  - グリコーゲンホスホリラーゼファミリー

生合成

ビタミンBから

動物はこの酵素補酵素のアホトロフィーであり、補うためにはそれか中間体を必要とする。そのため、例えばMoCoやCoQ10とは異なり、ビタミンB₆として分類される。PLPは、酵素ピリドキサールキナーゼによってピリドキサールから合成され、1個のATP分子を必要とする。PLPは肝臓で代謝される。

プロトトロフィー

一方はデオキシルロース5リン酸（DXP）を必要とし、もう一方は必要としないため、DXP依存性およびDXP非依存性と呼ばれている。これらの経路は、それぞれ大腸菌と枯草菌で広く研究されてきた。出発化合物が異なり、必要な工程数が異なるにもかかわらず、この2つの経路には多くの共通点がある。

DXP依存の生合成

DXP依存的な生合成経路はいくつかの段階と2つの分岐の収束を必要とし、一方はエリスロース4-リン酸から3-ヒドロキシ-1-アミノアセトンリン酸を産生し、もう一方（単一酵素）はグリセルアルデヒド3-リン酸（GAP）とピルビン酸からデオキシルロース5-リン酸（DXP）を産生する。3-ヒドロキシ-1-アミノアセトンリン酸とデオキシルロース5-リン酸の縮合物はピリドキシン5'-リン酸である。この縮合はpdxJにコードされるPNP合成酵素によって触媒され、PNP（ピリドキシン5'リン酸）を生成する。最後の酵素はPNPオキシダーゼ（pdxH）で、ジオキシゲンを用いて4'水酸基をアルデヒドに酸化し、過酸化水素を生成する。

最初の分岐は、大腸菌ではepd、pdxB、serCおよびpdxAにコードされる酵素によって触媒される。これらは、セリン生合成の3つの酵素（serA（pdxBのホモログ）、serC、serB-ただし、epdはgapのホモログ）と機構的な類似性と相同性を共有しており、2つの経路の進化的起源を共有している。いくつかの生物種では、大腸菌のserC遺伝子のホモログが2つ存在し、一般的に1つはserオペロン（serC）に、もう1つはpdxオペロンに存在し、その場合はpdxFと呼ばれる。

大腸菌において、pdxB（エリスロン酸4リン酸脱水素酵素をコードする）の欠失によって引き起こされる補助栄養を抑制することができる「セレンディピタス経路」が過剰発現ライブラリーから発見された。セレンディピタス経路は非常に非効率的であったが、様々な酵素のプロミスキューティ活性のおかげで可能であった。この経路は3-ホスホヒドロキシピルビン酸（セリン生合成のserAコード酵素の産物）から始まり、エリスロネート-4-リン酸を必要としなかった。3PHPは脱リン酸化され、その結果、不安定な中間体が生じ、この中間体は自発的に脱炭酸し（それゆえ、セリン生合成経路にはリン酸が存在する）、グリカルデヒドになる。グリカルデヒドはグリシンと縮合し、リン酸化された生成物は4-ホスホヒドロキシスレオニン（4PHT）であり、4-PHTデヒドロゲナーゼ（pdxA）の正規の基質である。

DXP非依存的生合成

DXP非依存的なPLP生合成経路は、2つのサブユニットからなる酵素、PLP-シンターゼによって触媒されるステップからなる。PdxSはリブロース5-リン酸、グリセルアルデヒド-3-リン酸、アンモニアの縮合を触媒し、この後者の分子はグルタミンからアンモニアの生成を触媒するPdxTによって生成される。PdxSは(β/α)8バレル（TIMバレルとも呼ばれる）で、12量体を形成している。

生物学的合成

中枢代謝、特にアミノ酸の生合成においてPLPが広く利用されていること、また酵素がない状態でも活性を示すことから、PLPは「プレバイオティック」化合物、すなわち有機生命体の起源よりも前に存在した化合物である可能性が示唆される（プレバイオティック化合物と混同しないように、有益なバクテリアの餌となる物質）。 実際、|NH3とグリコールアルデヒドを加熱すると、ピリドキサールを含む様々なピリジンが自然に形成される。特定の条件下では、シアノアセチレン、ジアセチレン、一酸化炭素、水素、水、リン酸からPLPが生成する。

阻害剤

PLP酵素の阻害剤がいくつか知られている。

阻害剤の一種はPLPと求電子体を形成し、活性部位リジンと不可逆的に反応させる。アセチレン系化合物（プロパルギルグリシンなど）やビニル系化合物（ビニルグリシンなど）がそのような阻害剤である。 別のタイプの阻害剤はPLPを不活性化し、α-メチルおよびアミノ-オキシ基質アナログ（例えばα-メチルグルタミン酸）がそのようなものである。 さらに他の阻害剤は、PLPを求核的に攻撃する優れた脱離基を持つ。クロロアラニンは、多くの酵素を阻害する。

阻害剤の例：

• レボチロキシンは、肝臓のシステイン脱硫酵素活性を消失させる。D,L-チロキシンを毎日10 μgだけ15日間ラットに投与すると、肝臓のシステイン脱硫脱水酵素活性は消失し、セリン・スレオニン脱水酵素活性とアラニン・グルタミン酸トランスアミナーゼ活性は約40％低下する。生体内にピリドキサール-5-リン酸を与えるか、試験管内で肝臓の調製物に補酵素を添加すると、これらの酵素の活性がすべて回復し、10^-5 Mのチロキシン存在下での試験管内でのわずかな阻害もピリドキサール-5-リン酸によって逆転する。
• 不活性型ピリドキシンは活性型ピリドキサール-5'-リン酸を競合的に阻害する。その結果、ピリドキシン型のビタミンB6を補給すると、ビタミンB6欠乏症のような症状が現れる。
• AlaP（アラニンホスホン酸塩）はアラニンラセマーゼを阻害するが、その特異性の欠如がALR阻害剤のさらなる設計を促している。
• ガバクリンとビガバトリンはGABAアミノトランスフェラーゼを阻害する。
• カナリンと5-フルオロメチルオルニチンはオルニチンアミノトランスフェラーゼを阻害する。
• アミノオキシSAMはACC合成酵素を阻害する。

進化

ピリドキサール-5-リン酸（ビタミンB6）依存性酵素には複数の進化的起源がある。全体のB6酵素は4つの独立した進化系統に分岐した：αファミリー（すなわちアスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ）、βファミリー（セリンデヒドラターゼ）、D-アラニンアミノトランスフェラーゼファミリー、およびアラニンラセマーゼファミリー。βファミリーの進化的類似性の一例は、そのメカニズムに見られる。β酵素はすべてリアーゼであり、CαとCβが関与する反応を触媒する。全体として、PLP依存性酵素では、どの場合もPLPは活性部位のアミノ基にイミン結合を介して共有結合している。

こちらも参照

• Aromatic-L-amino-acid decarboxylase/ja
• Ornithine decarboxylase/ja

外部リンク

• A11HA06 (WHO)