グルタミンシンテターゼ
グルタミンシンテターゼまたはグルタミン合成酵素 (グルタミンごうせいこうそ、Glutamine synthetase、GS、 EC 6.3.1.2) は、窒素の代謝に必須の役割を果たす酵素で、グルタミン酸とアンモニアの縮合によってグルタミンを合成する反応を触媒する。
グルタミン酸 (Glutamate) + ATP + アンモニア (NH3) → グルタミン (Glutamine) + ADP + リン酸 (Pi)
グルタミンシンテターゼ (GS) は硝酸イオンの還元、アミノ酸の分解、光呼吸によって生じたアンモニアを利用する。グルタミンのアミド基が、グルタミンを経由するの代謝産物を合成する際の窒素源となる。
アンモニウムイオンと水分子の競合、それらの結合親和性、アンモニウムイオンの濃度は、グルタミンの合成と加水分解に影響を与える。アンモニウムイオンがアシル-リン酸中間体を攻撃したときにはグルタミンが形成され、水分子が攻撃したときにはグルタミン酸が再形成される。カチオンと負に帯電したポケットの間の静電的な力のため、アンモニウムイオンは水分子よりも強くGSへ結合する。他の反応としては、アンモニウムイオン (NH4) ではなくヒドロキシルアミン (NH2OH) がGSに結合し、γ-グルタミルヒドロキサム酸 (γ-glutamylhydroxamate) が生じる反応が考えられる。
ホスフィノスリシンはグルタミン酸結合部位に結合する阻害剤で、除草剤として用いられている。ホスフィノスリシン処理された植物は、アンモニアが蓄積し光合成が停止するため枯死する。
今日では多くの合成阻害剤が利用可能である。
大腸菌を用いた研究によって、GSは遺伝子発現も調節されていることが明らかにされた。GSのサブユニットをコードする遺伝子はglnAである。glnAの転写はエンハンサー領域に結合する特異的転写因子NRI (NtrC) に依存し、NRIがリン酸化型のとき転写は活性化される。NRIのリン酸化は、プロテインキナーゼであるNRII (NtrB) によって触媒される。NRIIがPIIAと複合体を形成しているときはホスファターゼとして機能し、NRIは脱リン酸化されてglnAの転写は止まる。
シアノバクテリアには全く異なる調節機構が存在する。
GSは主に脳、腎臓、肝臓に存在する。脳のGSはグルタミン酸の代謝調節、アンモニアの解毒・同化、神経伝達物質によるシグナルの終結と再生に関与している。GSは脳の中で、主にアストロサイトに見つかる。アストロサイトは余剰のアンモニアとグルタミン酸を取り込み、神経を興奮毒性から保護する。高アンモニア環境では、アストロサイトの腫脹が生じる。ある研究では、アストロサイトの形態の変化によってグルタミン酸作動性領域の周辺でGSの発現が上昇し、高レベルのグルタミン酸とアンモニアを減少させる適応が起こることが示されている。また他の研究では、アストロサイトの腫脹はグルタミンの蓄積によるものとされ、高アンモニアによる皮質組織の水分量の増加は、L-メチオニン-S-スルホキシイミンによってGSを阻害することで抑制された。