ピルビン酸キナーゼ

概要

ピルビン酸キナーゼ（pyruvate kinase）は、生体の主要なエネルギー産生経路である解糖系の最終ステップを担う酵素です。この酵素は、高エネルギー分子であるホスホエノールピルビン酸（PEP）からアデノシン二リン酸（ADP）へリン酸基を移し、一分子のピルビン酸とアデノシン三リン酸（ATP）を一分子ずつ生成する反応を触媒します。酵素名の「ピルビン酸キナーゼ」は、かつてピルビン酸のリン酸化を直接触媒すると誤解されていた名残であり、生理的条件下では逆反応は起こりません。ピルビン酸キナーゼは、生物種や組織によって異なる複数のアイソザイムが存在し、それぞれの組織の代謝ニーズに合わせてその活性が精巧に制御されています。

アイソザイム

脊椎動物では、ピルビン酸キナーゼには主に4つの組織特異的なアイソザイムが存在します。これらはL型（肝臓）、R型（赤血球）、M1型（筋肉、脳）、M2型（初期胎児組織、多くの成体組織）と呼ばれます。L型とR型はPKLR遺伝子から、M1型とM2型はPKM遺伝子からそれぞれコードされます。

PKLR遺伝子由来のL型とR型は、基質親和性の高い「R状態」と低い「T状態」という二つの立体構造を取り得ます。高親和性のR状態は活性型として機能し、PEPやフルクトース-1,6-ビスリン酸（FBP）によって安定化され、解糖系を促進します。一方、低親和性のT状態は不活性型であり、ATPやアラニンによって安定化され、リン酸化を受けることで解糖系を抑制します。

PKM遺伝子からは、選択的スプライシングによってM1型とM2型が生じます。M1型がエクソン9を含むのに対し、M2型はエクソン10を含み、その結果、両者間でアミノ酸配列に違いがあります。M2型は四量体または二量体として存在し、四量体はPEPへの親和性が高い高活性型、二量体は親和性が低い不活性型です。PKM2の活性は、この四量体と二量体の間の平衡やリン酸化によって調節されます。M1型は常に高活性な四量体を形成する点でPKM2とは異なります。PKM遺伝子の発現は、hnRNPなどの因子によって制御されています。

細菌、特に大腸菌のような腸内細菌科の生物では、PykAとPykFという二種類のピルビン酸キナーゼアイソザイムが見られます。これらも真核生物と同様に解糖系の最終段階を触媒し、FBPによるアロステリック調節などを受け、細胞代謝において重要な役割を果たしています。

生化学反応

解糖系におけるピルビン酸キナーゼの触媒反応は、まずPEPからADPへのリン酸転移によるATPとピルビン酸エノラートの生成、続いてエノラートへのプロトン付加による安定なピルビン酸の生成という二段階で進行します。この反応は細胞内で不可逆であり、解糖系の全体的な方向性を決定する重要なステップです。

ピルビン酸キナーゼは、その基質が比較的単純な糖リン酸であり、産物が普遍的なエネルギー通貨であるATPであることから、生命進化の初期に誕生した最も古い酵素の一つである可能性が指摘されています。マグネシウムイオン（Mg2+）は、この反応の触媒において重要な補因子であり、その存在下で酵素活性が高まることが知られています。マンガンイオン（Mn2+）も同様の効果を示します。

ピルビン酸キナーゼが触媒する反応は、解糖系経路における三つの律速段階の一つです。律速段階は経路全体の進行速度を規定し、通常、大きなエネルギー障壁を伴う不可逆な反応です。ピルビン酸キナーゼによるステップは、エネルギー的に有利であり、細胞内における解糖系の不可逆性に寄与しています。産生されたピルビン酸は、酸素が存在すればTCA回路に入ってさらに大量のATPを生み出すか、酸素がなければ乳酸やエタノールに変換されます。

糖新生との関連

ピルビン酸キナーゼは、糖新生経路においても重要な制御ポイントとなります。糖新生は主に肝臓で行われ、ピルビン酸など非糖質からグルコースを合成する経路です。絶食時などグルコース供給が不足している状況では、脳や赤血球にグルコースを供給するため、ピルビン酸キナーゼの活性が抑制されます。これにより、PEPがピルビン酸に変換されずに糖新生経路へと進み、グルコース合成に利用されます。

糖新生は解糖系と一部共通の酵素を使いますが、解糖系の単なる逆反応ではなく、解糖系の不可逆段階を回避する独自の経路を含みます。また、細胞内では解糖系と糖新生が同時に進行することはありません。これは、両経路が細胞シグナル伝達によって相反するように厳密に調節されているためです。

調節機構

解糖系は、ヘキソキナーゼ、ホスホフルクトキナーゼ、そしてピルビン酸キナーゼが触媒する三つの律速段階で高度な調節を受けます。ピルビン酸キナーゼの活性調節は、アロステリック制御、共有結合修飾、ホルモンによる制御など、多様なメカニズムによって行われます。

アロステリック調節

アロステリック調節では、酵素の活性部位とは異なる場所にエフェクター分子が結合することで、酵素の立体構造が変化し、活性が変動します。ピルビン酸キナーゼは、解糖系の中間体であるフルクトース-1,6-ビスリン酸（FBP）によってアロステリックに活性化されることが最も重要です。FBPはピルビン酸キナーゼのCドメインに結合し、高活性なコンフォメーションを誘導します。これは、解糖系の上流で FBP が多く生成されると下流のピルビン酸キナーゼが活性化されるというフィードフォワード制御の一例です。逆に、ATPやアラニンはピルビン酸キナーゼに結合してアロステリックに不活性化させます。

共有結合修飾とホルモン制御

ピルビン酸キナーゼは、リン酸化や脱リン酸化といった共有結合修飾によっても調節されます。肝臓では、グルカゴンやアドレナリンによって活性化されたプロテインキナーゼA（PKA）がピルビン酸キナーゼをリン酸化し、不活性化します。これにより解糖系が抑制され、糖新生が促進されます。一方、インスリンはプロテインホスファターゼ1（PP1）を活性化してピルビン酸キナーゼを脱リン酸化し、活性化します。このような調節は、解糖系と糖新生が無駄に競合しないようにする「無益回路」の回避に寄与しています。

全身的なホルモンによる制御も重要です。グルカゴン、cAMP、アドレナリンはピルビン酸キナーゼを阻害し、解糖系を止めると同時に糖新生を促進します。インスリンはこれらの作用に拮抗し、ピルビン酸キナーゼを活性化して解糖系を促し、糖新生を抑制します。

遺伝子調節

ピルビン酸キナーゼのアイソザイムの発現量も調節されています。例えば、L型ピルビン酸キナーゼ遺伝子の転写は、炭水化物応答配列結合タンパク質（ChREBP）によって制御され、高グルコース濃度で活性化され、cAMPで阻害されます。PKM遺伝子由来のM1/M2アイソフォームの発現比率は、hnRNPによって制御され、特に低酸素条件下ではPKM2の発現が促進されます。ホルモンもM2型の発現に影響を与え、インスリンは促進し、トリヨードサイロニンやグルカゴンは抑制します。

メトホルミンによる影響

2型糖尿病治療薬として用いられるメトホルミンは、直接的な阻害剤ではありませんが、糖新生の抑制を介して間接的にピルビン酸キナーゼに影響を及ぼします。メトホルミンは細胞内のATP濃度を低下させる効果があり、これによりピルビン酸キナーゼへのATPによるアロステリック阻害が弱まり、結果的にピルビン酸キナーゼの活性を刺激し、代謝フラックスを解糖系寄りにシフトさせることが示唆されています。

臨床的意義

ピルビン酸キナーゼ欠損症

ピルビン酸キナーゼをコードする遺伝子に変異があると、ピルビン酸キナーゼ欠損症と呼ばれる遺伝性疾患を引き起こします。これは常染色体劣性遺伝形式をとります。特に赤血球はミトコンドリアを持たないため、解糖系が主要なATP供給源であり、ピルビン酸キナーゼの機能不全はATP不足を招き、溶血（赤血球の破壊）を引き起こします。これにより、慢性非球状溶血性貧血（CNSHA）を発症します。この疾患は主にPKLR遺伝子の変異によって生じ、250種類以上の変異が確認されています。

阻害

特定の分子によるピルビン酸キナーゼの阻害も、生理的および病理的な意義を持ちます。例えば、活性酸素種（ROS）は肺細胞のPKM2を特定のシステイン残基の酸化を介して不活性化します。これにより、グルコースの流れが解糖系からペントースリン酸経路へと迂回され、ROSの無毒化に必要なNADPHが供給され、細胞が酸化ストレスに耐えられるようになります。がん細胞におけるPKM2の調節も、酸化ストレス耐性や腫瘍形成に関与している可能性が示されています。

また、フェニルアラニンは脳においてピルビン酸キナーゼの競合的阻害剤として作用します。遺伝性疾患であるフェニルケトン尿症（PKU）では、血中フェニルアラニン濃度の上昇がPKM2の機能低下と関連しており、脳細胞の障害に関与していると考えられています。

がんとの関連

がん細胞は旺盛な増殖を支えるために代謝を亢進させており、ピルビン酸キナーゼ、特にPKM2が深く関与していると考えられています。多くのがん細胞では、低活性型のPKM2二量体のレベルが健康な細胞に比べて高まっています。これによりPEPが蓄積し、他の解糖系中間体と共に腫瘍の成長を支える嫌気性代謝経路に利用されます。また、PKM2のリン酸化は、酵素の細胞内局在や解糖系関連遺伝子の発現調節にも影響を与え、腫瘍形成に寄与することが報告されています。PKM1からPKM2へのアイソフォームシフトが、がん化の過程で起こるという説もあります。腫瘍微小環境の低酸素状態なども、PKM2の発現を促進する要因となります。

代替酵素

一部の細菌や嫌気性真核生物には、ピルビン酸リン酸ジキナーゼ（PPDK）という、ピルビン酸キナーゼと類似の機能を持つ可逆的な酵素が存在します。これは水平伝播によって広く分布したと考えられています。生物によっては、ピルビン酸キナーゼとPPDKの両方を持つ場合もあります。

出典

Pyruvate kinase - Wikipedia (英語版)
ピルビン酸キナーゼ - Wikipedia (日本語版)

外部リンク

- Pyruvate kinase - MeSH・アメリカ国立医学図書館・生命科学用語シソーラス（英語）

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