酸化還元酵素（Oxidoreductases）は、電子供与体（還元剤）から電子受容体（酸化剤）分子へ電子を移動させる反応を触媒する酵素の大きなクラスであり、一般に補酵素として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）を利用します。多くの化学的・生化学的変換が酸化／還元過程を含むことから、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分野における長年の重要課題でした。近年、酸化還元酵素に基づく診断検査および高性能バイオセンサーの開発、ならびに必須補酵素の再生（リジェネレーション）に向けた革新的システム設計において、顕著なブレークスルーが得られています。汚染物質の生分解およびバイオマス処理のためのバイオリアクター構築に関する研究、さらにポリマーや官能基化有機基質の合成に向けた酸化還元酵素ベースのアプローチの開発も大きく進展しています。酸化還元酵素の正式名称は「供与体：受容体 酸化還元酵素（donor:acceptor oxidoreductase）」の形式をとりますが、多くの場合「供与体デヒドロゲナーゼ（donor dehydrogenase）」の名称がより一般的です。一般名として「受容体レダクターゼ（acceptor reductase）」が用いられることもあり、例としてNAD⁺レダクターゼが挙げられます。受容体としてO₂が機能する場合は特殊例として「供与体オキシダーゼ（donor oxidase）」と呼ばれます。

分類

酸化還元酵素は、オキシダーゼまたはデヒドロゲナーゼに大別されます。オキシダーゼは一般に、分子状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。一方、デヒドロゲナーゼは、NAD/NADPまたはフラビン酵素を受容体として水素を移動させることにより基質を酸化します。ペルオキシダーゼ、ヒドロキシラーゼ、オキシゲナーゼ、レダクターゼも酸化還元酵素に含まれます。ペルオキシダーゼはペルオキシソームに局在し、過酸化水素の還元を触媒し得ます。ヒドロキシラーゼは基質にヒドロキシ基を付加します。オキシゲナーゼは分子状酸素由来の酸素を有機基質へ取り込みます。多くの場合、レダクターゼはオキシダーゼ様に作用しつつ、還元反応を触媒します。

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

反応

触媒される反応は、図1に示す反応に類似しており、Aが還元剤、Bが酸化剤です。 生化学反応では、解糖系における以下の反応のように、酸化還元反応が観察しにくい場合があります。 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。この反応では、NAD⁺が酸化剤（電子受容体）であり、グリセルアルデヒド-3-リン酸が還元剤（電子供与体）として機能します。

図1. 酸化還元反応。

機能

酸化還元酵素は好気性および嫌気性代謝の双方において重要な役割を担います。解糖系、TCA回路、酸化的リン酸化、アミノ酸代謝などの生体プロセスで認められます。解糖系では、グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼがNAD⁺のNADHへの還元を促進します。一方、生成したNADHは、細胞の酸化還元状態を維持するため、酸化的リン酸化経路においてNAD⁺へ再酸化されます。TCA回路では追加のNADHが産生されます。解糖系産物であるピルビン酸は、アセチルCoAとしてTCA回路に取り込まれます。嫌気的解糖では、NADHの酸化はピルビン酸の乳酸への還元を介して達成され、乳酸は筋細胞および肝細胞でピルビン酸へ酸化されます。さらに、ピルビン酸はTCA回路で追加的に酸化されます。また、ロイシンおよびリシンを除く20種類のアミノ酸はTCA回路中間体へ分解され得るため、アミノ酸の炭素骨格はオキサロ酢酸へ、続いてピルビン酸へと変換されます。糖新生経路は、生成したピルビン酸を利用することができます。

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酸化還元酵素（Oxidoreductases）