ウレアーゼ – 日本語百科事典辞書

Urease

ウレアーゼ（EC 3.5.1.5）は、機能的には、アミドヒドロラーゼおよびホスホトリエステラーゼのスーパーファミリーに属しています。ウレアーゼは、土壌酵素として、土壌だけでなく、多くのバクテリア、菌類、藻類、植物、およびいくつかの無脊椎動物に見られます。それらは、高分子量のニッケル含有金属酵素です。
Klebsiella aerogenes のウレアーゼの3Dモデル
、2つの Ni2 +イオンが緑色の球として示されています。
識別子
EC番号
3.5.1.5
CAS番号
9002-13-5
データベース IntEnz IntEnzビュー
ブレンダ
BRENDAエントリー ExPASy NiceZymeビュー KEGG KEGGエントリー MetaCyc 代謝経路
プリアモス
プロフィール
PDB構造
RCSB PDB PDBe PDBsum
遺伝子オントロジー
AmiGO / QuickGO索 PMC
記事 PubMed 記事 NCBI タンパク質
これらの酵素は、尿素の二酸化炭素とアンモニアへの加水分解を触媒します。（NH ）
2 CO + H 2 O ウレアーゼCO
2 + 2NH 3 尿素の加水分解は2段階で起こります。最初の段階では、アンモニアとカルバメートが生成されます。カルバメートは、自発的かつ迅速に加水分解し、アンモニアと炭酸。ウレアーゼ活性は、塩基性であるアンモニアが生成されるにつれて、その環境のpHを上昇させます。

コンテンツ
1 歴史
2 構造
3 アクティビティ
3.1 活性部位 3.2 提案されたメカニズム
3.2.1 ブレイクリー/ザーナー
3.2.2 Hausinger / Karplus
3.2.3 Ciurli / Mangani
3.3 病因における作用
4 農業における発生と応用
4.1 バイオミネラリゼーション
5 診断テストとして
6 抽出
7 も参照してください
8 参考文献
9 外部リンク

歴史
その活動は、1876年にFrédéricAlphonseMusculusによって可溶性発酵物として最初に特定されました。 1926年、ジェームズB.サムナーは、結晶形を調べることにより、ウレアーゼがタンパク質であることを示しました。サムナーの研究は、タンパク質が酵素として機能できるという最初の実証であり、最終的にはほとんどの酵素が実際にはタンパク質であるという認識につながりました。ウレアーゼは最初に結晶化した酵素でした。この作品で、サムナーは1946年にノーベル化学賞を受賞しました。ウレアーゼの結晶構造は、1995年にPAKarplusによって最初に解明されました。

構造
以下からのウレアーゼに焦点を当てた1984年の研究ナタマメは、ことがわかった活性部位のペアが含まれたニッケルセンターを。ニッケルの代わりにマンガンとコバルトを使用することで、invitroでの活性化も達成されています。鉛塩は抑制しています。
分子量は、いずれかの480キロダルトンまたは545 kDaのジャックビーンウレアーゼため（アミノ酸配列から計算された質量）。分子あたり840アミノ酸、そのうち90はシステイン残基です。
最適pHは7.4、最適温度は60°Cです。基質には尿素とヒドロキシ尿素が含まれます。
細菌ウレアーゼは、3つの異なるサブユニットで構成されています。1つは大きい（α60–76kDa）、2つは小さい（β8–21 kDa、γ6–14 kDa）一般的に形成される（αβγ）3トリマー化学量論で2倍対称構造です（注上の画像は、真の生物学的集合体の3分の1である非対称ユニットの構造を示しています）、これらはシステインリッチ酵素であり、酵素のモル質量は190〜300kDaになります。
例外的なウレアーゼはヘリコバクター属から得られます。これらは2つのサブユニット、α（26–31 kDa）-β（61–66 kDa）で構成されています。これらのサブユニットは、超分子形成する12量体複合体を。繰り返しのα-βサブユニットのうち、サブユニットの結合された各ペアは、合計12の活性部位に対して活性部位を持っています。（ α12 β 12
{ alpha _ {12} beta _ {12}}
$alpha$
）。それは生存に不可欠な機能を果たし、尿素がプロトンゲート尿素チャネルを介してペリプラズムに入ることを可能にすることによって胃酸を中和します。ウレアーゼの存在は、ヘリコバクター種の診断に使用されます。
ヘリコバクターピロリの細胞質活性とともに宿主細胞との外部活性を有するものを除いて、すべての細菌ウレアーゼは細胞質のみである。対照的に、すべての植物ウレアーゼは細胞質です。
真菌および植物のウレアーゼは同一のサブユニット（それぞれ約90 kDa）で構成されており、最も一般的には三量体および六量体として組み立てられます。たとえば、タチナタマメのウレアーゼには、2つの構造サブユニットと1つの触媒サブユニットがαサブユニットには活性部位が含まれており、1分子あたり840アミノ酸（90システイン）で構成されており、Ni（II）イオンを含まない分子量は90.77kDaです。12個のニッケルイオンを含む六量体の質量は545.34kDaです。これは、細菌ウレアーゼの（αβγ）3三量体と構造的に関連しています。植物ウレアーゼのホモ六量体構造の他の例は、大豆、キマメ、ワタ種子酵素の構造です。
さまざまな種類のサブユニットで構成されていますが、細菌から植物や真菌に至るさまざまな供給源からのウレアーゼは、アミノ酸配列の高い相同性を示すことに注意することが重要です。

アクティビティ
K猫/ KとMの処理におけるウレアーゼの尿素が10である14の無触媒脱離反応の速度より倍大きい尿素。自然界でこの観察には多くの理由が尿素が活性部位の活性基に近接していることと、尿素の正しい配向により、加水分解が急速に起こります。尿素だけでも、採用できる共鳴形態のため、非常に安定しています。尿素の安定性は、30〜40 kcal / molと推定されている共鳴エネルギーによるものと理解されています。これは、双性イオン共鳴がすべての電子をカルボニル炭素に供与するため、求電子試薬が少なくなり、求核攻撃に対する反応性が低下するためです。

活性部位
ウレアーゼの活性部位はα（アルファ）サブユニットにこれは、原子間距離が約3.5Åのビス-μ-ヒドロキソ二量体ニッケル中心です。 > Ni（II）ペアは弱く反強磁性的に結合しています。 X線吸収分光法の（XAS）研究タチナタマメ（タチナタマメ）、クレブシエラアエロゲネスおよびスポロサルシナのパステウリイ（旧称バチルスパステウリイ）の確認5-6、排他的にO / N連結とニッケルイオン座標を含みますニッケルあたり2つのイミダゾール配位子。尿素基質は、アクア配位子を置き換えるために提案されています。
活性部位の開口部に向かって位置する水分子は、水素結合を介して空洞部位を満たす四面体クラスターを形成します。いくつかのアミノ酸残基は、基質のゲートとなる部位の可動フラップを形成するために提案されています。システイン残基は酵素のフラップ領域で一般的であり、活性部位に他の重要な残基を適切に配置することに関与しているものの、触媒作用に必須ではないと判断されています。にスポロサルシナパステウリイその閉じたコンホメーションが明らかに反応に必要とされている間、ウレアーゼ、フラップは、オープンコンフォメーションで発見されました。
比較すると、ヘリコバクターピロリウレアーゼおよび他の細菌ウレアーゼのαサブユニットは、タチナタマメウレアーゼと整列します。
ウレアーゼの活性部位への尿素の結合は観察され

提案されたメカニズム

ブレイクリー/ザーナー
ウレアーゼによるこの反応の触媒作用の1つのメカニズムは、BlakelyとZernerによって提案されました。それは、尿素分子のカルボニル酸素による5配位Ni（Ni-1）への求核攻撃から始まります。弱く配位した水配位子がその場所に置き換わります。上の窒素原子の一つから孤立電子対尿素分子は、中央の炭素と二重結合し、得られたNH作成2 -近くの正荷電基に配位基質相互作用のを。BlakeleyとZernerは、この近くのグループをカルボン酸イオンであると提案しましたが、脱プロトン化されたカルボン酸塩は負に帯電しています。
6配位Ni上の水酸化物配位子は塩基によって脱プロトン化されます。その後、カルボニル炭素は電気陰性酸素によって攻撃されます。窒素-炭素二重結合からの電子対が窒素に戻り、その電荷を中和します。一方、現在4配位の炭素は中間の四面体配向をとります。
次に、この中間体の分解は、活性部位の近くにあるシステインのスルフヒドリル基によって助けられます。窒素原子のいずれかの、炭素との結合を切断し、放出する水素結合NH 3分子。同時に、酸素と6配位ニッケルの間の結合が切断されます。これにより、5配位のNiに配位したカルバメートイオンが残り、水分子によって置換されて酵素が再生されます。
カルバメート次いで自発的に生成は、他のアンモニアと生成するために分解する炭酸を。

Hausinger / Karplus
HausingerとKarplusによって提案されたメカニズムは、BlakelyとZernerの経路で明らかな問題のいくつかを修正しようとし、尿素結合ポケットを構成する側鎖の位置に焦点を当てています。 K. aerogenesウレアーゼの結晶構造から、ブレイクリーメカニズムで使用される一般的な塩基であるHis 320は、攻撃的な水酸化物部分を形成するために脱プロトン化するにはNi2結合水から離れすぎていると主張されました。さらに、尿素窒素をプロトン化するために必要な一般的な酸性配位子は特定されませんでした。 HausingerとKarplusは、逆プロトン化スキームを提案しています。このスキームでは、His 320リガンドのプロトン化型が一般的な酸の役割を果たし、Ni2結合水はすでに脱プロトン化状態になっています。メカニズムは同じ経路をたどりますが、一般的な塩基は省略され（必要がなくなったため）、His 320はそのプロトンを供与してアンモニア分子を形成し、それが酵素から放出されます。His 320リガンドと結合水の大部分は活性型ではありませんが（それぞれプロトン化と脱プロトン化）、総ウレアーゼ酵素の約0.3％が一度に活性化すると計算されました。論理的には、これは酵素があまり効率的ではないことを意味しますが、確立された知識に反して、逆プロトン化スキームの使用は、不利な点を相殺し、活性型の反応性を高めるという利点を提供します。メカニズムの必須成分としてHis320リガンドを配置することは、酵素の可動フラップ領域も考慮に入れます。このヒスチジンリガンドは可動フラップの一部であるため、触媒作用のための尿素基質の結合は、活性部位上のこのフラップを閉じ、ポケット内の他のリガンドからの尿素への水素結合パターンの追加により、ウレアーゼの選択性を示します尿素の酵素。

Ciurli / Mangani
CiurliとManganiによって提案されたメカニズムは、ウレアーゼのメカニズムに関する最近の、そして現在受け入れられている見解の1つであり、主に活性部位における2つのニッケルイオンの異なる役割に基づいています。一方は尿素に結合して活性化し、もう一方のニッケルイオンは求核性水分子に結合して活性化します。この提案に関して、尿素は、可動性の「フラップ」（尿素の活性部位への侵入を可能にする）が開いているときに活性部位の空洞に入る。尿素の活性部位への結合の安定性は、水素結合ネットワークを介して達成され、基質を触媒空洞に向けます。尿素は、カルボニル酸素原子で5配位ニッケル（Ni1）に結合します。それは、そのアミノ基の1つで6配位ニッケル（Ni2）に近づき、続いて2つのニッケル中心を橋渡しします。 NI1に尿素カルボニル酸素原子との結合は、彼のプロトン化状態を介して安定化されるα222 Nԑ。さらに、可動フラップの開状態から閉状態へのコンフォメーション変化は、その酸素原子がNi2を指すようにAlaα222カルボニル基の再配列を生成します。アラα170およびAla α366今ではカルボニル基がNH向かっ水素結合受容体として作用するように配向されている2ため、そのはのNi2に結合する補助、尿素基です。尿素は、NH 2基のルイス塩基特性が低いため、キレート配位子としては非常に貧弱です。しかしのAlaのカルボニル酸素α170およびAlaはα366 NHの塩基性強化2基とのNi2との結合を可能にします。したがって、この提案されたメカニズムでは、活性部位での尿素の配置は、Ni1の近くで水素結合ドナーとして、および近くでアクセプターとして機能するように配置された活性部位残基の構造的特徴によって誘導されます。 Ni2の。 Ciurli / Manganiメカニズムと他の2つのメカニズムの主な構造上の違いは、架橋水酸化物によって攻撃される窒素、酸素架橋尿素が組み込まれていることです。

病因における作用
細菌のウレアーゼは、多くの場合、多くの病状の病因のモードです。それらは肝性脳症/肝性昏睡、感染症、消化性潰瘍に関連しています。
感染石
感染誘発される尿石の混合物であるスツルバイト（MgNH 4 PO 4 •6H 2 O）及び炭酸アパタイトの[Ca 10（PO 4）6•CO 3 ]。これらの多価イオンは可溶性ですが、尿素の加水分解中に微生物のウレアーゼからアンモニアが生成されると不溶性になります。これにより、周囲の環境のpHが約6.5から9に上昇します。結果として生じるアルカリ化により、石が結晶化します。ヒトでは、微生物ウレアーゼであるProteus mirabilisが、感染によって誘発される尿路結石で最も一般的です。
肝性脳症/肝性昏睡のウレアーゼ
研究によると、ヘリコバクターピロリは、肝硬変とともに肝性脳症と肝性昏睡を引き起こします。ヘリコバクターピロリは微生物のウレアーゼを胃に放出します。ウレアーゼは尿素を加水分解してアンモニアと炭酸を生成します。バクテリアは胃に局在しているので、生成されたアンモニアは胃の内腔から循環器系に容易に取り込まれます。これにより、血中のアンモニアレベルが上昇し、高アンモニア血症として知られる状態になります。ヘリコバクターピロリの根絶は、アンモニアレベルの著しい減少を示しています。
消化性潰瘍のウレアーゼ
ヘリコバクターピロリは消化性潰瘍の原因でもあり、55〜68％の症例でその症状が現れます。これは、病原体の根絶後の潰瘍出血の減少および潰瘍再発によって確認された。胃では、尿素の加水分解の結果として粘膜内層のpHが上昇し、胃腺と胃内腔の間の水素イオンの移動が妨げられます。さらに、高アンモニア濃度は、細胞間密着結合に影響を及ぼし、透過性を高め、胃の胃粘膜を破壊します。

農業における発生と応用
尿素は環境中に自然に存在し、人工的に導入されたもので、世界中で使用されているすべての合成窒素肥料の半分以上を占めています。尿素は微生物のウレアーゼによって急速に変換されるため、通常は持続しないという観察にもかかわらず、尿素の多用は富栄養化を促進すると考えられています。環境ウレアーゼ活性は、微生物群集の健康の指標として測定されることがよく植物が存在しない場合、土壌中のウレアーゼ活性は一般に従属栄養微生物に起因しますが、一部の化学合成独立栄養性アンモニウム酸化細菌は、炭素、窒素、およびエネルギーの唯一の供給源として尿素上で増殖できることが実証されています。
尿素ベースの肥料の急速な分解は無駄であり、環境に悪影響を与えるため、ウレアーゼの阻害は農業における重要な目標です。フェニルホスホロジアミデートおよびN-（n-ブチル）チオリン酸トリアミドは、そのような阻害剤の2つです。

バイオミネラリゼーション
炭酸カルシウムの形成を促進することにより、ウレアーゼはバイオミネラリゼーションに触発されたプロセスに潜在的に有用です。特に、微生物学的に誘発された炭酸カルシウムの形成は、バイオコンクリートの製造に使用することができます。

診断テストとして
迅速なウレアーゼテスト
多くの胃腸または尿路の病原体はウレアーゼを産生し、ウレアーゼの検出を病原体の存在を検出するための診断として使用できるようにします。
ウレアーゼ陽性の病原体は次のとおりです。 ProteusmirabilisとProteusvulgaris ウレアプラズマ・ウレアリチカム、マイコプラズマ属の近縁種。
ノカルディア Corynebacterium urealyticum 日和見真菌であるクリプトコッカス属
ヘリコバクター・ピロリ
プロテウス属、クレブシエラ属、モルガン菌、プロビデンシア、そしておそらくセラチア属を含む特定の腸内細菌。
ブルセラ
スタフィロコッカスサプロフィティカス
黄色ブドウ球菌

抽出
アセトン溶媒和と遠心分離を使用して、1926年にSumnerによって最初に結晶として分離されました。現代の生化学は、ウレアーゼの需要を増やしています。ジャックビーンミール、スイカの種、およびエンドウ豆の種はすべて、ウレアーゼの有用な供給源であることが証明されています。

も参照してください
尿素カルボキシラーゼ
アロファン酸ヒドロラーゼ
ウレアーゼテスト

参考文献
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外部リンク
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