ピリドキサールリン酸
Pyridoxal phosphate/ja
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。
 理想化された骨格式
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| Names | |
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| 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
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| Identifiers | |
3D model (JSmol)
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| ChEBI | |
| ChEMBL | |
| MeSH | Pyridoxal+Phosphate |
PubChem CID
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| UNII | |
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| Properties | |
| 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 | |
| A11HA06 (WHO) | |
| Hazards | |
| Flash point | 296.0±32.9 °C |
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
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要素である。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要素である。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。
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。
Inhibitors
Several inhibitors of PLP enzymes are known.
One type of inhibitor forms an electrophile with PLP, causing it to irreversibly react with the active site lysine. Acetylenic compounds (e.g. propargylglycine) and vinylic compounds (e.g. vinylglycine) are such inhibitors. A different type of inhibitor inactivates PLP, and such are α-methyl and amino-oxy substrate analogs (e.g. α-methylglutamate). Still other inhibitors have good leaving groups that nucleophilically attack the PLP. Such is chloroalanine, which inhibits a large number of enzymes.
Examples of inhibitors:
- Levothyroxine In rats given only 10 µg of D, L-thyroxine daily for 15 days, liver cysteine desulfhydrase activity disappears and serine and threonine dehydrase and alanine glutamate transaminase activities decrease about 40%. Either in vivo feeding of pyridoxal-5-phosphate or in vitro addition of the coenzyme to the liver preparations restores full activity to all these enzymes, and the slight in vitro inhibition in the presence of 10−5 M thyroxine is also reversed by pyridoxal-5-phosphate.
- The inactive form pyridoxine competitively inhibits the active pyridoxal-5'-phosphate. Consequently, symptoms of vitamin B6 supplementation in the pyridoxine form can mimic those of vitamin B6 deficiency; an effect which perhaps might be avoided by supplementing with P5P instead.
- AlaP (alanine phosphonate) inhibits alanine racemases, but its lack of specificity has prompted further designs of ALR inhibitors.
- Gabaculine and Vigabatrin inhibit GABA aminotransferase
- Canaline and 5-fluoromethylornithine inhibit ornithine aminotransferase
- Amino-oxy SAM inhibits ACC synthase
Evolution
Pyridoxal-5-phosphate (vitamin B6)-dependent enzymes have multiple evolutionary origins. The overall B6 enzymes diverged into four independent evolutionary lines: α family (i.e. aspartate aminotransferase), β family (serine dehydratase),D-alanine aminotransferase family and the alanine racemase family. An example of the evolutionary similarity in the Beta family is seen in the mechanism. The β enzymes are all lyases and catalyze reactions where Cα and Cβ participate. Overall, in the PLP-dependent enzymes, the PLP in every case is covalently attached via an imine bond to the amino group in the active site.