月例卓話

バイオキラリティー：左と右の世界
図１

C2, C3, C4, C5: 不斉中心
（D, L：C5の配置で決定）

左右田

アラニンとグルコースの鏡像異性体

1．はじめに健

次＊

アミノ酸の立体構造「バイオキラリティー」は生物を意味する英語の Bio- と，手や掌を意味するギリシャ語のceir（ケイル）に由来するドイツ語 Cheir（ヒャイル）から派生した Chirality との便宜的な合トレオニンの立体構造

シスチンの立体構造

成語であり，英語ではバイオカイラリティー，
ドイツ語ではビオキラリティーとなります．有機化学の教科書に描かれている片方の手と鏡に映ったその鏡像の関係，つまり両者を重ねあわすことができない構造の関係がキラリティーです．裏表が同じ軍手であれば，実像と鏡像は同図2

図２じであり，この関係をキラリティーが存在しな

アミノ酸の立体異性体

アミノ酸の立体異性体

いことを意味するアキラリティーと呼びます．

R，反時計回りの構造を S 異性体と呼び，ほと

具体的にいえば，図 1 のアラニンは実像と鏡像

んどのアミノ酸は S 異性体ですが，硫黄原子が異なる構造を持つ鏡像異性体 ( エナンチオを含むシステインだけが R 異性体となります．

マー）が存在する，つまりキラリティーを示す

この不便さを避けるためにを生化学分野では，

キラルな化合物です．有機化学の分野ではキラ

一般にグリセリンアルデヒドの構造を基にした

ル炭素に結合する原子の原子番号の大きい方か

D-, L- 表示を用いています．アラニンは一つのら順位をつけて，その方向が時計回りの構造を炭素（α- 炭素）に 4 種類の原子や原子団が結合しており，このような炭素を不斉炭素（一般的には不斉中心）と呼びます．グルコースなどの糖もキラルであり，グルコースには C2, C3,
C4, C5 が不斉炭素ですが，C5 の立体配置で D, Lを決めます．キラル分子には複数の不斉炭素をもつものがあり，図 2 のようにアミノ酸ではト
レオニンなどは 2 個の不斉炭素を持ち，4 個のC2, C3, C4, C5: 不斉中心
（D, L：C5の配置で決定）

立体異性体（L- トレオニン，D- トレオニン，
L- アロトレオニン，D- アロトレオニン）が存

図１在します．シスチンは 2 分子のシステインがス

アラニンとグルコースの鏡像異性体
図 1 アラニンとグルコースの鏡像異性体＊

京都大学名誉教授，一般財団法人海洋化学研究所評議員



アミノ酸の立体構造

第 289 回京都化学者クラブ例会（平成 26 年 7 月 5 日）講演
128
トレオニンの立体構造

シスチンの立体構造

海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月

ルフィド結合を介して結合しており，システイ
ン部分が LL, DD, DL の組み合わせがあり，D，
L- システインから構成されるシスチンはメゾ

Chemical Evolution Leading to Birth of Life
Primordial Atmosphere
CO2, CO, N2, H2O(H, He, etc.)体と呼ばれます．ワイン醸造の過程で副生するラセミ体は二つのエナンチオマーが等量存在している状態であって，アキラルではありません．
本誌の対象とする主要分野と本論文の内容にはHCN, HCHO, OCCCO, etc.

H 2S

酒石酸にも L 型，D 型とメゾ型が存在します．

UV, Cosmic Rays,
Electric Discharge

Protein (Enzyme),
RNA (Ribozyme), DNA,
Polysaccharides, etc.

L-Amino acids, Sugars,
Nucleic Acid Bases,
Organic Acids, etc.

Minerals
Primordial Soup
Cocervate

少し距離がありますので，基本的な説明を述べ

Primordial Organisms (Life)

ました．

図3
図３

2．生命の誕生とキラリティーの発現(40×106 years ago)

従来の化学進化の仮説

従来の化学進化の仮説

ミノ酸の選択的合成を提案しています．その他，

137 億年前に誕生した宇宙の片隅，「天の川ゲル状のアミノ酸を回転することにより L- ア

銀河」の端に地球を含む太陽系が生まれたのは

ミノ酸が優先的に生成するキラリティー発現の46 億 年 前 の こ と で す． 宇 宙 塵 と ガ ス の 塊 で仮説など，いくつかの報告が出されています．

あった地球が 40 億年前になると現在の形に近いずれにしても，これらの仮説においては原始づきました．他の惑星と違って地球は比較的温スープ中で，一度 L- アミノ酸が選択的に生成和で，気体，液体，固体の水の存在する特異なされた過程が前提となっており，その考えに基惑星です．この原始地球の大気は CO2，CO, N2，

づいて，生命の誕生にいたる化学進化が想定さ水蒸気などを主成分とし，分子状酸素 O2 はほれています（図 3）．

とんど含まれず，当然，オゾン O3 もオゾン層

図４も存在しませんでした．太陽からの強い紫外線，が生成されても，原始スープの環境を考えると，宇宙線，空中放電などによって大気成分は励起ラセミ化した可能性が高いと思います．アミノ

され，H2S の作用も与って，シアン化水素など

酸は側鎖にインドール環を持つトリプトファンの簡単な有機化合物が合成されました．これらなどの例外はあるにしても，化学的に安定な化もさらに反応しあって，やや複雑なアミノ酸，合物です．たとえば，アミノ酸のラセミ化に関糖，核酸塩基などが生成しました．この際に，する半減期は天然の状態で 105 から 106 年です．

アミノ酸のホモキラリティーの発現が起こった，

しかし，40 億年前，原始地球での化学進化につまり一旦，L- アミノ酸が選択的に合成され，おける時間の単位は 107～108 年であることをタンパク質に取り込まれたという考えが一般的考慮に入れると，この環境でアミノ酸は安定でです．そのメカニズムについては，いろいろなあったとはいえません．さらに原始スープには

1，2）

種々の金属イオンが高濃度に溶けていたと考え説が提出されています．たとえば，小城ら

しかし，私は，たとえ選択的に L- アミノ酸

金属イオン、アミノ酸とピりドキサルの反応並びにピりドキサルリン酸とアミノ酸のシッフ塩基におけるラセミ化機構

はラセミアミノ酸が生成した後，溶液中のアス

られ，当然，アミノ酸と錯体を形成しており，パラギン酸などいくつかのアミノ酸においてその金属の電子吸引性によってラセミ化は大きL- 型が優先的に結晶化する実験結果を報告しく促進されたはずです．また，当時の地球表面ています．井上ら

3）は光増幅反応による L- ア

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 2014の温度は 150℃前後であり，高い pH や強い紫129

Minerals
Primordial Soup
Cocervate

Primordial Organisms (Life)
図３(40×106 years ago)

従来の化学進化の仮説

Chemical Evolution Leading to Birth of Life
Primordial Atmosphere
CO2, CO, N2, H2O(He, He, etc.)

UV, Cosmic Rays,
Electric Discharge
HCN, HCHO, OCCCO, etc.

H 2S
Protein (Enzyme),
RNA (Ribozyme), DNA,
Polysaccharides, etc.

Sugars, Nucleic Acid Bases,
Organic Acids, Vitamins,
DL-Amino acids

Minerals
Primordial Soup

D-Amino Acids

Cocervate(40×106 years ago)

Primordial Organisms (Life)

図４
図
4 金属イオン、アミノ酸とピりドキサルの反応並びにピりドキサルリン酸とアミノ酸
金属イオン，アミノ酸とピリドキサルの反図 5 生命の誕生と化学進化の新しい仮説のシッフ塩基におけるラセミ化機構
応並びにピリドキサルリン酸とアミノ酸の図５ 生命の誕生と化学進化の新しい仮説
シッフ塩基におけるラセミ化機構える方が妥当と思います．
R

外線，γ- 線などによる励起や当然，溶けていた

PLP
また，化学進化の過程で，今まで等閑視され
COOH
O ,H O

ビタミンや補酵素，さらには論理的には存在しNAD , H O
2-Oxo acid
L-Amino acidてきたビタミンとビタミンから誘導される補酵
oxidase

H2N

2

2

C

Amino acid racemase

H

L-Amino acid+2

Amino aciddehydrogenase

L-Amino acidaminotransferase

FAD or FMN(Mammals,
Fungi, Venom)

たはずのラセミ化酵素の作用を考えると，アミ素ならびに酵素が重要な役割を果たしたと思い
L-Amino acid
NADH, NH

ノ酸はラセミ体で存在した可能性は極めて高い

C O
ます（図 5）．この過程で残った
D- アミノ酸はと考えられます．特にピリドキサルリン酸など

同様な機構でラセミ化をうけ，そのL- 体が選NH , H O
D-Amino acidの補酵素とアミノ酸ラセマーゼはアミノ酸のラ

methylene blue
2,6-dichloro-phenyl
aminotransferaseoxidase
択的活性化反応によりタンパク質に取り込まれ，
dehydrognase
indophenol (DCIP)

3

R

NH3, H2O2

Reduced methylene blue

COOH

Reduced DCIP

2-Oxo acid3

D-Amino acid
FAD

セミ化を大きく促進したでしょう 4）．

D-Amino acid2

2

Amino acidO2, H2O

2-Oxo acid

D-Amino aciddehydrogenase

R(Pseudomonas)
DCIP
結果的にラセミアミノ酸の両異性体はともにH C NH
COOH

たとえば，ビタミン B6 の 1 種ピリドキサル

FAD

2

Methylene blue
D-Amino acidL- アミノ酸残基の形でタンパク質に取り込ま

2+は金属イオン（たとえば 2 価の M ）の存在下れます．
図６ L-アミノ酸代謝と D-アミノ酸代謝の関連酵素系

で図 4 に示すようにゼリンなどのアミノ酸と容糖など代謝上重要なキラル化合物のキラリ易に反応してシッフ塩基を形成します．さらにティーも化学進化の過程で生まれたはずです．

ピリドキサルリン酸はより効率高くシッフ塩基

ここでは，アミノ酸を例にとり生命の誕生にいを生成し，プロトン化しているピリジン環 N

たる最も重要なバイオキラリティー発現のメカとイミン N の電子吸引性によりアミノ酸部分

ニズムを述べました．一方，かつては現在の生の α- 炭素の周囲の電子密度は低下します．つ

物界は「L- アミノ酸のみから構成されるタン

まり，アミノ酸は極めてラセミ化されやすくな

パク質の世界」という認識のもとに，D- アミ

ります．また，類似のメカニズムによって，アノ酸は非天然型アミノ酸つまり「この世ならざ

ミノ基転移反応も起こります．これらのことをるアミノ酸」と解されていました．しかし，近考えると，図 3 において，原始スープ中で一度，年，キラル担体を利用したカラムクロマトグラ

選択的に L- アミノ酸ができて，そのままタンフィーの発展により，D- アミノ酸は微生物だ

パク質に取り込まれるのではなく，ラセミ体でけでなく，ほとんどすべての動物，植物に見い存在したアミノ酸のうち，L 体だけが選択的にだされるようになり，それぞれ微量で特異な生活性化されて（たとえばアミノアシルアデニ

理作用を示すことが明らかになっています．

レートとなり）タンパク質に取り込まれたと考130

海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月

Primordial Soup

D-Amino Acids

Cocervate(40×106 years ago)

Primordial Organisms (Life)
図５

生命の誕生と化学進化の新しい仮説
表２

H2N
O2, H2ORC

表2Amino acid racemase

H

COOH

NAD+, H2O

2-Oxo acid

Amino aciddehydrogenase

L-Amino acidaminotransferase

FAD or FMN(Mammals,
Fungi, Venom)

L-Amino acid

NADH, NH3R

NH3, H2O2

C

NH3, H2O2

D-Amino acidaminotransferase

Amino acidoxidase2-Oxo acid

FAD

Reduced DCIP

2-Oxo acid

D-Amino acid

D-Amino acidmethylene blue
dehydrognase

キラル化合物（Ｄ－アミノ酸） とアキラル化合物（α－ケト酸）の交換反応

O

COOH

Reduced methylene blue

H

R

C

O2, H2ONH2

D-Amino acid
2,6-dichloro-phenyl
indophenol (DCIP)
dehydrogenase

Ｄ－Ａｌａ ＋ αーＫＧA ＝ Ｐｙｒ ＋ Ｄ－Ｇｌｕ

FAD(Pseudomonas)

DCIP

補酵素：ピリドキサル リン酸（ＰＬP)

COOH

D-Amino acid

Methylene blue

D- アミノ酸アミノトランスフェラーゼ反応

Ｄ－アミノ酸アミノトランスフェラーゼ（ＤＡＡＴ）PLP

L-Amino acid

L-Amino acidoxidaseD-アミノ酸アミノトランスフェラーゼ反応

図 6L-アミノ酸代謝と
L- アミノ酸代謝とD- アミノ酸代謝の関連
図６
D-アミノ酸代謝の関連酵素系

造の特徴とアミノ酸ラセマーゼの特異な点を述

酵素系

表３ べます．
ピりドキサル酵素の分子進化と水素転移反応の立体特異性

3．D- アミノ酸代謝の酵素

PLP酵素の分子進化と水素転移反応の立体特異性

3-1．D- アミノ酸アミノトランスフェラーゼ

このように広く存在が明らかになっている
D- アミノ酸の代謝と L- アミノ酸代謝を直接，

Fold-type

結びつけているのはアミノ酸ラセマーゼとアミアラニンなどの D- アミノ酸と α- ケトグルタルsi

ノ酸エピメラーゼです．後者も本質的にはラセ
L-DEX, DL-DEX 113 の推定反応機構
マーゼと変わりません．また，D- アミノ酸アsi
酸（α-KGA）やピルビン酸（Pyr）などのケト

L-DEX

H

-

-

H

+

O

- R

EnzymeStereochemistry

この酵素（DAAT）は表 2 に示すように Dsi
siAspartate aminotransferase
Ornithine aminotransferase
Tryptophanase
Phosphoserine aminotransferase
Serine hydroxymethyltransferasesiII
Tryptophan synthase β subunit
si酸の間のアミノ基（NH2-）の転移を触媒する

H

III

Alanine racemase

Both酵素であり，ピリドキサルリン酸（PLP）が補IV
D-Amino acid aminotransferase
re

HO:
O
ミノトランスフェラーゼ（DAAT）とO C L- アミ
Asp C
C X
R
COO-

Asp C

I

Branched-chain L-amino acid aminotransferase

re

OOC
Xノ酸アミノトランスフェラーゼなどにより生成O

酵素です． 私 た ち は
枯草菌の仲
4-Amino-4-deoxychorismate
lyase
re 間 で あ るO
す る ア キ ラ ル な ケ ト 酸（
オ+ キ ソH 酸，

Bacillus 属細菌の本酵素（2 量体）を研究しまRO
COOR-COCOOH）を介して，二つのキラルアミノ

した 5，6）（図 7）．この酵素は植物にも存在して

DL-DEX酸の世界がつながっています（図
6）
1は
H
R2
R．表
2

います．アミノトランスフェラーゼをはじめとC X

この中で私たちの研究グループが研究した
DR1 -R1OOC
X-するピリドキサル酵素（PLP 酵素，ビタミンアミノ酸代謝に関する酵素の一覧です．ここでB6 酵素）の一般的な反応機構は図 8 に示されは，中心的な重要性を示す
DAAT の性質と構
L-ハロ酸デハロゲナーゼと DL-ハロ酸デハロゲナーゼの反応機構

るように，ホロ酵素の触媒中心に存在するリジ

-

Asp

H O:

Enz

C

+ H + HO C

HO C

B:

COO

図１３
表１

表1

当研究室で研究した D-アミノ酸代謝関連酵素

 研究室で研究した D- アミノ酸代謝関連
当酵素

ENZYMES STUDIED in OUR LABORATORY
I： D-Amino Acid Aminotransferase (Bacillus sp. YM-1)
II ： Amino Acid Racemases(1): Amino Acid Racemase with Low Substrate Specificity (Pseudomonas putida)(2) : Arg Racemase (Pseudomonas putida)(3): Ala Racemase (Geobacillus stereothermophilus, B. psychrosacchrolyticus)(4): Glu Racemase (Lactoacillus pentosaceus)(5): α-Amino-ε-caprolactam Racemase (Achromobacter obae)
III：D-Selenocystine α、β-Lyase (Clostrdium sticklandii)
IV： Poly-γ-DL-Glu Synthetase (Bacillus subtilis)
IIV：D-Arginase (Arthrobacter sp.KUJ 8602)
図７7 D－アミノ酸アミノトランスフェラーゼ；反応と基本的性質
図D －アミノ酸アミノトランスフェラーゼ；反応と基本的性質

IIV：Others
Glutaminase acting on D-Gln
Chemical Synthesis & Enzymatic Hydrolysis of DD-,LD-&DD-Glutathione
23

Basic Reactions of PLP Enzymes
EnzymeProteinTransactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 2014131

(Transaldimination)
Apoenzyme

Aldorase Reaction

Internal Schiff Base

External Schiff Base

図７

図９

D－アミノ酸アミノトランスフェラーゼ；反応と基本的性質

D-アミノ酸の反応機構

Stereospecificity of H-transfer

Basic Reactions of PLP Enzymes
EnzymeProtein(Transaldimination)
Apoenzyme

Aldorase Reaction

Anionic Intermediate

Internal Schiff Base

External Schiff Base
Decarboxylation

図 10 ピリドキサル酵素反応における水素転移
図１０ ピりドキサル酵素反応における水素転移の立体特異性の立体特異性

Racemization
Transamination
-Elimination・Replacement
-Elimination・Replacement, etc.

おいて， アミノ酸の α-H は酵素活性中心の塩

図 8 ピリドキサルリン酸酵素の基本的反応機構
図８

ピりドキサルリン酸酵素の基本的反応機構

基に移ってからケトイミン中間体（ピリドキサ

ン残基と PLP の間に形成されたシッフ塩基（酵

ミンリン酸（PMP）－ケト酸シッフ塩基）の素内シッフ塩基）中間体が基質アミノ酸と反応

補酵素部分の 4’-C に移ります．この際，このし，シッフ塩基転移が起こって酵素外シッフ塩

水素転移がピリジン環平面のどちら側で起るか，基中間体ができます．図 4 においても示したよという立体化学的問題が生じます．

うにこの中間体のピリジン環 N とイミン N は

水素転移の立体化学的機構を図 10 に示してともにプロトン化しているので，その強い電子

います．ここで酵素外シッフ塩基中間体のピリ吸引性により基質の α-C の電子密度は大きく

ジン－イミンπ電子平面の上部または下部，つ低下し，それぞれの酵素の活性中心の構造に

まり re 面上，または si 面上のどちらで水素転

よって，α- 脱炭酸反応やアルドラーゼ反応が移が起こったか，という二つの可能性が問題に起こります．また，α- 水素が脱離すれば点線なります．当時，報告されていたアスパラギン

で囲んだカルバニオン中間体が生じ，これから酸アミノトランスフェラーゼ（AspAT）, アラ

ラセミ化，アミノ基転移，β- 脱離などの反応

ニンアミノトランスフェラーゼ（AlaAT）なが進みます（図 8）．基本的なアミノ基転移反どはいずれも si 面特異的でした．私たちは立応の機構は図 9 に示してあります．この機構に体 特 異 的 に 4’-3H 標 識 し た PMP を 利 用 し て，
この水素転移の立体特異性を調べました．そのMechanism of D-AAT

結果，オルニチン γ- アミノトランスフェラー
ゼ（OAT）7）は si 面特異的であり，DAAT と大腸菌の分岐鎖 L- アミノ酸アミノトランス
フェラーゼ（BCAT）は re 面特異的，すなわ
ちプロ -R 特異的であることを証明しました．
これはプロ -R 特異的な水素転移が明らかにされた最初のの例です 8）．さらにアラニンラセ
マーゼが副反応として触媒するアミノ基転移反応では，非立体特異的な，つまり両面上で水素

図 9 D- アミノ酸の反応機構
図９

D-アミノ酸の反応機構

Stereospecificity of H-transfer

132

海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月

Ｄ－Ａｌａ ＋ αーＫＧA ＝ Ｐｙｒ ＋ Ｄ－Ｇｌｕ
補酵素：ピリドキサル リン酸（ＰＬP)

表 3ピりドキサル酵素の分子進化と水素転移反応の立体特異性
ピリドキサル酵素の分子進化と水素転移反表３あるのに対し，AspAT では si 面側に存在して応の立体特異性います．DAAT では基質特異性が D 型でありPLP酵素の分子進化と水素転移反応の立体特異性

Fold-typeI

II

Enzymeながら，1 次構造が BCAT に類似し，水素転
si
si
si
si
si

Tryptophan synthase β subunit

si

III

Alanine racemaseIV

D-Amino acid aminotransferase
Branched-chain L-amino acid aminotransferase

4-Amino-4-deoxychorismate lyase移の立体特異性もともに re 面特異的であり，Stereochemistry

Aspartate aminotransferase
Ornithine aminotransferase
Tryptophanase
Phosphoserine aminotransferase
Serine hydroxymethyltransferase

さらに活性中心における触媒アミノ酸残基の立体配置も BCAT とともに re 面側であります．
この結果は，一般的な AspAT や AlaAT など，
一般的なアミノトランスフェラーゼとは対照的

Both
re
re
re

であることからも DAAT は極めて特色ある
PLP 酵素といえます．
3-2．アミノ酸ラセマーゼ

転移の起こることも明らかにしました 9）．アミノ酸代謝の中心に位置するいろいろなアミノト

私たちは Pseudomonas 属細菌から新規なア

ランスフェラーゼを一次構造に基づいて分子進

ルギニンラセマーゼと低基質アミノ酸ラセマー化の観点から Christen らは 4 種に分類しまし

ゼを発見し，それぞれの特性，構造を研究しま10）．これと水素転移の立体特異性との関連した．両者はともに基質特異性が低く，当時知を示したのが表 3 です．DAAT と基質が L 型られていたアミノ酸ラセマーゼとは対照的でしである BCAT は 1 次構造と水素転移の立体特た．Pediococcus pentosaceus の単量体酵素グル

異性の双方から同じグループに属する事実は分

タミン酸ラセマーゼも研究しました．このラセ子進化の面から興味深いと思います．われわれ

マーゼは補酵素を持たない代わりに，活性中心

11）

．

のシステイン残基のチオール基が重要な役割を

特に活性中心付近の酵素反応に関与するアミノもち，基質の α- 水素の脱離に関与することを酸残基の立体的配置を図 11 に示してあります．

証明しました 12）．アミノ酸ラセマーゼは基質結合している PLP のピリジン環の面に対してアミノ酸の両異性体に作用し，種類によって補DAAT では酵素反応に重要な残基が re 面側に酵素要求性と非要求性の双方があり，基質が生たは DAAT の 3 次構造を明らかにしました

成物，生成物が基質である点や副反応としてアミノ基転移も触媒する点で，酵素の中でも極めAspAT & D-AATて異例な存在といえます．
4．ハロ酸代謝酵素のキラリティー
アミノ酸以外にキラルなカルボン酸としては
乳酸などのヒドロキシ酸とハロ酸が存在します．
私たちは当時，ほとんど注目されていなかった
ハロ酸代謝関連酵素をキラリティーとの関係に

図 11

 スパラギン酸アミノトランスフェラー
ア
立って研究しました．ハロ酸，つまりハロアル
図１１ アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼと D－アミノ酸アミノトランスフェラ
ゼと D －アミノ酸アミノトランスフェーゼの活性中心カン酸は海藻中など，天然にも存在し，一方，ラーゼの活性中心Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 2014

133

表４

ハロ酸デハロゲナーゼの分類

表 4 ハロ酸デハロゲナーゼの分類
L-DEX, DL-DEX 113 の推定反応機構
L-DEX
Asp

H

O-

C

O

- R

HO:-

C X
X-

OOC

Asp

DL-DEX

H
H O:

Enz

図 13
図１３

B:

Asp C

C

H
O+ H++ HO C
R
O
COOR2

C X

OOC

R
COO-

O

R2
- R1

H
H+
O C

HO C
-

X

R1
COO-

 - ハロ酸デハロゲナーゼと DL- ハロ酸デL
ハロゲナーゼの反応機構

L-ハロ酸デハロゲナーゼと DL-ハロ酸デハロゲナーゼの反応機構

表１ 当研究室で研究した D-アミノ酸代謝関連酵素

工業原料として大量に化学合成されています．

しました．その後，私たちが研究した結果，こアミノ酸と同様にキラルであり，D 体と L 体の考えは誤りで立体反転で反応は進行し，以前
ENZYMES STUDIED in OUR LABORATORYが存在します．私たちはハロ酸の脱ハロゲンを私たちが発見した III の DL-DEX と同じである
I： D-Amino Acid Aminotransferase (Bacillus sp. YM-1)

II ： Amino Acid Racemases(1): Amino Acid Racemase with Low Substrate Specificity (Pseudomonas putida)(2) : Arg Racemase (Pseudomonas putida)(3): Ala Racemase (Geobacillus stereothermophilus, B. psychrosacchrolyticus)(4): Glu Racemase (Lactoacillus pentosaceus)(5): α-Amino-ε-caprolactam Racemase (Achromobacter obae)

触媒して，ヒドロキシ酸を生成する反応を行う

こ と が 実 証 さ れ ま し た． 私 た ち は I 型 の

ハロ酸デハロゲナーゼ（DEX) をスクリーニン
AspAT & D-AAT
グして，Pseudomonas，Moraxella などの細菌

L-DEX と III 型の DL-DEX の反応機構を研究しました．
III：D-Selenocystine α、β-Lyase (Clostrdium sticklandii)に高い活性を見い出し，性質や構造，反応機構を調べましたDEX の反応機構については，図 12 に示すよ

IV： Poly-γ-DL-Glu Synthetase (Bacillus subtilis)

13，14）．DEX は基質と立体特異性

うに二つの可能性が考えられます．一つは活性IIV：D-Arginase (Arthrobacter sp.KUJ 8602)に基づいて，表 4 のように分類されていました．
I, II, III 型の酵素，つまり L- ハロ酸，D- ハロ酸，

IIV：Others

Glutaminase acting on D-Gln
中心のカルボキシル基とハロ酸が反応して脱ハ
Chemical Synthesis & Enzymatic Hydrolysis of DD-,LD-&DD-Glutathione

ロゲンが起こるとともにエステル中間体が生成
23

D, L- 両異性体に作用する 3 種の DEX はいず

し，活性化された水分子による加水分解の結果，れも立体反転で , 対応するヒドロキシ酸を生成

ヒドロキシ酸が生じる機構です．他は酵素の活

し ま す．Wales 大 学 の Slator ら15）

は IV の 酵性中心の塩基により活性化された水分子が直接，

図１１ アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼと D－アミノ酸アミノトランスフェラ
素は立体保持での脱ハロゲンを触媒すると報告
ハロ酸を攻撃してハライドイオンとヒドロキシーゼの活性中心酸が生成する機構です．18O 標識水中で，酵素が基質に比して極めて少なく，次々反応が進む
マルティプルターンオーバ－，つまり一般の酵
素反応の条件と，酵素が基質より圧倒的に多く，酵素反応が 1 回だけで終わるシングルターン
オーバーの条件で反応を行い，生成する乳酸の質量分析を行いました．L-DEX 反応では，シングルターンオーバー条件では 10％以下の 18Oの取り込みであったのに，マルティプルターン
オーバ - の条件下では 95％以上が取り込まれていました．この結果は，エステル中間体が生成

図１２ 図
デハロゲナーゼの推定反応機構
12 デハロゲナーゼの推定反応機構

134

海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月

し，次々反応が進み 18O が乳酸に取り込まれた

百瀬慎太郎の詩「山を想えば人恋し，人を想えことを示しています．一方，DL-DEX 反応では， ば山恋し」を記して，皆さんへの感謝の言葉にシングルターンオーバー条件下で，圧倒的に多

代えます．

18

くの O が乳酸に取り込まれ，水分子の直接的攻撃による脱ハロゲンが起こることが証明され参考文献ました（図 13）．

1）	Kojo. S., Tanaka.K. (2001) Enantioselective
Crystallization of D,L-Amino Acids

5．終わりにInduced by Spontaneous Asymmetric

私たちは，上記以外にもバイオキラリティー，
特に表 1 に示すような D- アミノ代謝に関するResolution of D,L-Asparagine, Chem.
Commun., 16,1980-1981.

いくつかの酵素化学的研究をしました．たとえ2）	K o j o . S . , U c h i n o . H . , Y o s h i m u r a . M . ,ば，Bacillus 属細菌によるポリ -γ- グルタミン

Tanaka.,K. (2004) Racemic D,L-Asparagine

酸合成を触媒するポリ -γ- グルタミン酸シンセ

Causes Enantiometric Excess of Other

ターゼは D- および，L- グルタミン酸をアトラ

Coexisiting Racemic D,L-Amino Acids

ンダムに重合する反応を触媒します．しかし，During Recrystallization: a Hypothesis

D 体，L 体の配列は酵素でなく，基質グルタミ

Accounting for the Origin of L-Amino

ン酸の DL 比など反応液の状態，反応条件にAcids in the Biosphere, Chem.

よって決められる点で，他に例のない酵素であCommun.,19,2146-2147.

ります．生成物ポリ -γ- グルタミン酸は数万か3）	E veritt. S.R.L.,Inoue,Y.(1999) “Organic

ら数十万の分子量を示し，高い保水性と安全性

Molecular Photochemistry”, Marcelのために化粧品原料などに利用され，また，マDekker, New York, pp.71-130.

ルチアニオンとしての特性に基づき徐放性をも4）
	S oda, K., (2007) An Assay on D-Amino

つ金属イオンの保持剤として使われています．

Acids: Retrospection and Perspective, in

ホモキラリティーは生物界の示す大きな特徴で“D-Amino Acids: A New Frontier in

す．しかし，一方では微量ながら D- アミノ酸

Amino Acids and Protein Research” ed.

の普遍的に近い所在やこの合成酵素にみられる

by Konno,R., Bruecker, H., D’Aniello.A.,

ように酵素としての重要な特性である立体特異

Fischer, G., Fujii, N., Homma, H., Nova性を示さない例もあり，生物界には「ホモキラBiomedical Books, New York, pp3-14.

リティーの破れ」が見られます．さらに，この5）	Tanizawa, K., Masu, Y., Asano, S., Tanaka,「ホモキラリティーの破れ」は生命活動に重要

H., Soda, K. (1989) Thermostable D-Amino

な役割を果たしており，バイオキラリティーのAcid Aminotransferase from a

研究は大きな可能性を秘めている未知の分野と

Thermophilic Bacillus Species. J. Biol.

いえます．

Chem., 264, 2445-2449.

ここに述べた内容は吉村徹先生（名古屋大学），

6）	B hatia, M., B., Futaki, S., Ueno, H.,

芦内誠先生（高知大学）をはじめとする多くのManning, J. M., Ringe, T., Yoshimura, T.,

方々との協同研究の結果であります．終わりに，

Soda, K. J. Biol. Chem.,268, 6932-6938.

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 27 No. 2, Nov., 20141357）	J h e e , K . , - H . , Y o s h i m u r a , T . , E s a k i ,11）	Sugio, S., Petsko, G., A., Manning, J.,M.,

N.,Yonaha, K., Soda, K. (1995)

Soda., K., Ringe, D. (1995) Crystal-structure

Thermostable Ornithine Aminotransferaseof a D-Amino Acid Aminotransferase-How

from Bacillus sp. YM-2: Purification and

the Protein Controls Stereoselectivity,

Characterization. J. Biochem.,118, 101-108.

Biochemistry, 34, 9661-9669.

8）	Y oshimura,T., Nishimura, K., Ito, J.,12）	Choi, S., Esaki, N., Yoshimura, T., Soda, K.

Esaki,N., Kagamiyama, H., Manning, J. M.,(1992) Reaction Mechnsim of Glutamate

Soda, K. (1993) Unique Stereospecificity ofRacemase, a Pyridoxal-independent Amino

D-Amino Acid Aminotransferase andRacemase, J. Biochem., 112, 139-142.

Branched-Chain L-Amino Acid13）	Liu, J., -Q., Kurihara, T., Miyagai, N., Esaki,

Aminotransferase for C-4’ HydrogenN., Soda, K. (1995) Reaction Mechanism oftransfer of the Coenzyme. J. Am. Chem.

L-2-Haloacid Dehalogenase of

Soc., 115, 3897-3900.

Pseudomonas sp. YL, J. Biol. Chem., 270,

9）	Soda, K., Yoshimura, T., Esaki, N. (2001)  

18309-18312.

Stereospecificity for the Hydrogen14）	Nardi-dei, V., Kurihara, T., Park, C.,Esaki,N.,

Transfer of Pyridoxal Enzyme Reaction.

Soda,K. (1997) Bacterial DL-Haloacid

The Chemical Record, 1, 373-384.

Dehalogenase from Pseudomonas sp.

10）	Mehta, P., K., Hale, T., I., Christen, P. (1989)

Strain 113: Gene Cloning and Structural

Evolutionary Relationship among

Comparison with D- and L-2-Haloacid

Aminotransferases -Tyrosine

Dehalogenases. J. Bacteril. 179, 4232-4238.

Aminotransferase, Histidnol-phosphate15）	S later. J., H.(1994) in Biochemistry of

Aminotransferase, and Aspartate

Microbial Degradation, ed. by Ratledge C.

Aminotransferase are Homologous(Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,

Proteins. Eur. J. Biochem., 186, 249-253.

The Netherlands), pp 379–421.

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海洋化学研究第27巻第 2 号

平成26年11月