トランスケトラーゼ

トランスケトラーゼ（Transketolase）

トランスケトラーゼは、生物がエネルギー代謝や物質合成を行う上で中心的な役割を担う酵素の一つです。この酵素は、細胞内の重要な代謝経路であるペントースリン酸経路と、植物や藻類が行う光合成におけるカルビン回路の両方に関与しています。トランスケトラーゼの特筆すべき機能は、これらの経路において、炭素数が異なる糖リン酸の間で炭素骨格の一部（特に2炭素単位）を転移させる反応を触媒することです。興味深いことに、この酵素はペントースリン酸経路とカルビン回路では、基本的に逆向きの反応を触媒するという対照的な働きをします。

ペントースリン酸経路は、グルコース代謝の代替経路であり、主にNADPH（還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）の生成と、ヌクレオチド合成に必要な五炭糖（ペントース）の供給を目的としています。この経路の非酸化的段階において、トランスケトラーゼは二つの重要な反応を触媒します。

最初の反応では、五炭糖のケトースであるD-キシルロース-5-リン酸から、二つの炭素断片が切り出されます。この切り出された断片は、同じく五炭糖のアルドースであるD-リボース-5-リン酸へと転移されます。この転移反応の結果、七炭糖のケトースであるセドヘプツロース-7-リン酸と、三炭糖のアルドースであるグリセルアルデヒド-3-リン酸が生成されます。この反応の進行には、補酵素としてチアミンピロリン酸（TTP）が不可欠です。

ペントースリン酸経路におけるもう一つのトランスケトラーゼ反応では、再びD-キシルロース-5-リン酸が基質となり、二つの炭素断片が切り出されます。今回は、この断片が四炭糖のアルドースであるエリトロース-4-リン酸に転移されます。これにより、六炭糖であるフルクトース-6-リン酸と、最初の反応でも生成されたグリセルアルデヒド-3-リン酸が生成されます。この反応もまた、チアミンピロリン酸を補酵素として必要とします。

一方、光合成を行う生物の葉緑体で行われるカルビン回路は、大気中の二酸化炭素を固定して糖を合成する経路です。カルビン回路では、ペントースリン酸経路でトランスケトラーゼが触媒する反応とは逆向きの反応が起こります。すなわち、セドヘプツロース-7-リン酸とグリセルアルデヒド-3-リン酸からD-リボース-5-リン酸とD-キシルロース-5-リン酸を生成する反応、およびフルクトース-6-リン酸とグリセルアルデヒド-3-リン酸からD-キシルロース-5-リン酸とエリトロース-4-リン酸を生成する反応を触媒します。これらの逆反応は、カルビン回路における炭素骨格の複雑な再編成において中心的な役割を果たし、最終的にリブロース-1,5-ビスリン酸の再生に寄与します。カルビン回路においては、後者の反応がトランスケトラーゼによって触媒される最初の炭素骨格転移反応となります。

特に哺乳動物の体内において、トランスケトラーゼは重要な生理的役割を担っています。この酵素は、ペントースリン酸経路と、主要なエネルギー産生経路である解糖系との間を結びつける橋渡し役として機能します。これにより、過剰となった特定の糖リン酸を解糖系に供給したり、あるいは逆に解糖系からペントースリン酸経路へ代謝中間体を導いたりすることで、細胞の代謝バランスを調整しています。

哺乳類におけるトランスケトラーゼの最も重要な機能の一つは、ペントースリン酸経路を介したNADPHの生産への貢献です。NADPHは、脂肪酸合成、コレステロール合成、ステロイドホルモン合成といった還元的な生合成反応において、還元剤として不可欠な補酵素です。また、細胞を酸化ストレスから守る抗酸化システム（例えばグルタチオン還元の維持）においても重要な役割を果たします。したがって、トランスケトラーゼは、これらの生合成や酸化防御が活発に行われる組織、例えば肝臓、脂肪組織、副腎、乳腺などで特に高い活性を示します。酵素が適切に機能するためには、既に述べたチアミンピロリン酸に加え、カルシウムイオンも必須の補因子として必要とされます。

さらに、哺乳動物の眼の角膜において、トランスケトラーゼが角膜角質細胞によって多量に発現していることが知られています。角膜の透明性を維持するために重要な役割を果たすタンパク質群をクリスタリンと呼びますが、トランスケトラーゼはこの角膜クリスタリンの一つを構成している可能性が示唆されており、その生理的な意義について研究が進められています。

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