酸化還元酵素は、電子供与体（還元剤）から電子受容体（酸化剤）分子への電子の移動を触媒する大きなクラスの酵素であり、一般的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADP）またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）を補因子として使用します。多くの化学的および生化学的変換が酸化/還元プロセスを含むため、酸化還元酵素の実用的なバイオ触媒応用を開発することは、バイオテクノロジーにおける重要な目標の一つです。過去数年間で、酸化還元酵素に基づく診断テストや改良されたバイオセンサーの開発、必須コエンザイムの再生のための革新的なシステムの設計において重要なブレークスルーが達成されました。汚染物質の生物分解やバイオマス処理のためのバイオリアクターの構築に関する研究、ポリマーや機能化有機基質の合成のための酸化還元酵素に基づくアプローチの開発も大きな進展を遂げています。酸化還元酵素の正式名称は「供与体:受容体酸化還元酵素」の形をとりますが、ほとんどの場合「供与体脱水素酵素」が一般的です。一般名は時折「受容体還元酵素」として現れ、例えばNAD⁺還元酵素のように使用されます。「供与体酸化酵素」は、O₂が受容体として機能する特別なケースです。

分類

酸化還元酵素は酸化酵素または脱水素酵素のいずれかです。酸化酵素は一般的に分子酸素が水素または電子の受容体として機能する場合に関与します。しかし、脱水素酵素は基質を酸化することによって、NAD/NADPまたはフラビン酵素に水素を転送します。ペルオキシダーゼ、ヒドロキシラーゼ、酸素化酵素、還元酵素も酸化還元酵素に属します。ペルオキシダーゼはペルオキシソームに配置されており、過酸化水素の還元を触媒することができます。ヒドロキシラーゼは基質にヒドロキシル基を与えます。酸素化酵素は分子酸素から有機基質に酸素を取り込むことができます。ほとんどの場合、還元酵素は酸化酵素のように機能しますが、還元を触媒します。

酸化還元酵素は酵素のEC番号分類においてEC 1に分類され、さらに22のサブクラスに分類されます。

反応

触媒反応は、図1の以下の反応に似ており、ここでAは還元剤、Bは酸化剤です。 生化学反応では、赤ox反応は時折観察が難しいことがあります。例えば、解糖系からのこの反応： Pi + グリセルアルデヒド-3-リン酸 + NAD⁺ → NADH + H⁺ + 1,3-ビスホスホグリセリン酸、ここでNAD⁺は酸化剤（電子受容体）であり、グリセルアルデヒド-3-リン酸は還元剤（電子供与体）として機能します。

図1. 赤ox反応。

機能

酸化還元酵素は、好気的および嫌気的代謝の両方で重要な役割を果たします。解糖系、TCAサイクル、酸化的リン酸化、アミノ酸代謝などの生物学的プロセスで見られます。解糖系では、酵素グリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素がNAD⁺のNADHへの還元を促進します。しかし、生成されたNADHの再酸化は、細胞の赤ox状態を維持するために酸化的リン酸化経路で行われます。TCAサイクルでは追加のNADH分子が生成されます。解糖系の生成物であるピルビン酸は、アセチル-CoAの形でTCAサイクルに参加します。嫌気的解糖系では、NADHの酸化はピルビン酸を乳酸に還元することによって達成され、乳酸は筋肉および肝細胞でピルビン酸に酸化されます。さらに、ピルビン酸はTCAサイクルでさらに酸化されます。ロイシンとリジンを除くすべての20のアミノ酸は、TCAサイクルの中間体に分解されることができ、これによりアミノ酸の炭素骨格がオキサロ酢酸に変換され、その後ピルビン酸に変換されます。グルコネオゲン経路は、形成されたピルビン酸を利用することができます。

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