岩本（木原） 昌子

ATP（アデノシン三リン酸）は食物のエネルギー（動物）や光エネルギー（植物）によって細胞で合成され、筋収縮、能動輸送、合成反応などの細胞で起こる生命過程にエネルギーを供給する“細胞のエネルギー通貨”である。ATP合成酵素は、ADP（アデノシン二リン酸）と無機リン酸からATP を合成する膜酵素であり、生体膜の内外に形成されたプロトン（H+）の電気化学的ポテンシャルによってプロトンが膜を横切って流れると、合成反応を行う。近年、本酵素は触媒反応と共に回転するナノサイズのモーターすなわち「ナノモーター」であることが明らかになった。我々は、このモーター分子の回転制御機構に興味を持って、大腸菌のATP合成酵素遺伝子に改変を加えている。変異酵素の回転を直接観察し、柔らかい分子モーターの回転方向や回転頻度が細胞の環境に応じて調節されることが明らかになれば、エネルギー代謝のきめ細かい調節が解明できると考えている。

虫歯の原因菌といわれるミュータンス菌は、ブドウ糖から生成した乳酸を排出し、歯牙のエナメル質を損壊している。この細菌にもATP 合成酵素と相同な分子が存在しており、我々は最近、その遺伝子を大腸菌で発現させて解析した。その結果、この酵素がプロトン排出ポンプとして働いていることを示唆することができた。すなわち、酸性の環境でミュータンス菌が生育するため、ATPを分解してプロトンを細胞外へ能動輸送することで、細胞内部の酸性化を防ぐと思われた。イオン輸送路には特徴があり、構成サブユニットであるc サブユニットには、中性でなく酸性pHでプロトンを輸送する機構が備わっていた。このサブユニットを標的とした特異的な阻害剤が見つかれば、虫歯の予防に役立つ他、ミュータンス菌の感染により悪化する可能性がある炎症性の病気を改善できるかもしれない。

ATP (adenosine 5′-triphosphate) is an “energy currency” of the cells from bacterium through human. ATP is synthesized utilizing energy included in food molecules or sun light, and is hydrolyzed in energy consuming cellular events, such as muscular contraction, active transport of ions and nutrient, anabolic reactions, etc. ATP synthase is ubiquitously distributed in biological membranes, in which proton motive force (electrochemical potential of H+) was converted to the chemical energy of ATP. When protons were transported through the H+ pathway of the enzyme, ATP is synthesized on the catalytic site from ADP and inorganic phosphate. Recently, direct observation with a fluorescent probe revealed that the enzyme was a nano-size molecular motor in the membranes. The enzyme shows continuous rotation to one direction by ATP hydrolysis. The proton motive force supposed to rotate the enzyme to the reverse direction for ATP synthesis. Although the rotation is suggested to essential for energy coupling between catalysis and H+ transport, the mechanism was not known. We are studying rotational properties of Escherichia coli mutant enzymes to demonstrate coupling mechanism through rotation.

＊Fig. 1 Schematic model of ATP synthase. A subunit complex of γεc10 forms the rotor that rotates against a complex of α3β3δab2, the stator.

Streptococcus mutans, one of oral microbes, causes dental caries by acidification of tooth surface to secret lactic acid. S. mutans has F-type H+-ATPase in the plasma membrane to maintain cellular pH and survive in acidic environment. The H+-ATPase is a homolog of the ATP synthase, whereas it does not physiologically synthesize ATP by the reverse reaction. Recently, we suggested that the enzyme transported H+ to avoid acidification of cytoplasm. The c subunit has a mechanism to transport H+ at acidic pH, but not at neutral. This subunit would be the drug target site to prevent dental caries.

＊Fig. 2 F-type H+-ATPase is located in the plasma membrane of S. mutans. The enzyme actively pumps H+ to maintain cellular pH.