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補酵素依存性の酵素は、高分子であるタンパク質と低分子である補酵素からできた一つのシステムと考えられる。この酵素(蛋白質)-補酵素システムの成立と進化、すなわち蛋白質と補酵素のどちらが先に存在し、どのように両者が協調して働くようになったかという問題への知見を得るため、ビリドキサルリン酸(PLP)に依存する酵素の分子進化と酵素反応の立体化学について検討した。PLP酵素反応では、反応中間体として、基質アミノ酸とPLPのカルボニル基のC-4'の間にシッフ塩基が形成される。PLP酵素の多くは、この中間体の基質アミノ酸部分のC-2と補酵素のC-4'の間で、基質α-水素の転位反応を触媒する。水素転移は、α-水素が引き抜かれた結果生じるアニオン性中間体のπ-電子平面上で起こる。種々の酵素についてこの水素転移の立体特異性を解析した結果、(1)水素転移反応は、補酵素のピリジン環平面のどちらか片側で立体特異的に進行する場合と、非特異的に両面上で進行する場合の3つがあること、(2)アミノ基転移酵素とリアーゼのように異なる反応を触媒する酵素であっても、この水素転移反応の立体特異性を同じくする酵素のタンパク質は、一次構造上、三次構造上の相同性を示すことを見出した。水素転移の立体特異性は、転移反応の触媒基と補酵素の空間的位置関係など、酵素タンパク質と補酵素の結合様式を反映するものと考えられる。すなわちPLP酵素では、補酵素との結合様式が異なる少なくとも3種類の祖先酵素が存在し、それぞれが独自の分子進化を遂げたものと考えられた。さらに本研究では、反応性に富む低分子化合物に親和性を持つタンパク質を用いて、その化合物との結合様式を変異させ、新たな機能を持ったタンパク質-補酵素システムを作出するという構想のもとに、乳酸菌のグルタミン酸ラセマーゼとヘミンの結合について検討した。
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