ホルムアルデヒド脱水素酵素

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ホルムアルデヒド脱水素酵素（FADH）は、中程度の亜鉛鎖アルコール脱水素酵素ファミリーの一員です。これはほとんどの原核生物とすべての真核生物に存在します。主に微生物におけるホルムアルデヒドの解毒に使用される酵素です。近年のいくつかの研究では、ホルムアルデヒド脱水素酵素がS-ニトロソグルタチオン還元酵素（GSNOR）の活性も持ち、内因性NOの動的バランスを調整するために使用されることが明らかになっています。

図1. ホルムアルデヒド脱水素酵素の構造。

はじめに

ホルムアルデヒドは、タンパク質、核酸、脂質と非特異的に反応する活性化合物であり、すべての生物に対して非常に毒性があります。ホルムアルデヒドの供給源は非常に広範です。ホルムアルデヒドが生物に与える致死的および変異原的影響を防ぐために、生物はホルムアルデヒドを含む環境でより良く生存できるようにさまざまな修復メカニズムを確立しています。その中で、ホルムアルデヒドの酸化経路は微生物に広く存在し、解毒の一つの方法です。この経路で作用する重要な酵素であるホルムアルデヒド脱水素酵素は、中程度の亜鉛鎖アルコール脱水素酵素ファミリーの一員です。これはほとんどの原核生物とすべての真核生物に存在し、微生物のホルムアルデヒドの解毒に重要な役割を果たします。近年、FADHはホルムアルデヒドの解毒だけでなく、NO代謝とも何らかの関係があることが示され、S-ニトロソグルタチオン還元酵素活性を示しています。

ホルムアルデヒド脱水素酵素の生理的役割

• ホルムアルデヒドの解毒

FADHの微生物における主な機能の一つはホルムアルデヒドの解毒であり、ホルムアルデヒド酸化経路はホルムアルデヒドの変換において広く存在する酵素系です。ほとんどのFADHは通常、ホルムアルデヒドの酸化にNAD+とグルタチオン（GSH）の参加を必要とします。Pseudomonas putidaのホルムアルデヒド脱水素酵素（PFADH）は、GSHの参加なしにホルムアルデヒドを酸化できる唯一の酵素です。

• 内因性NOの動的バランスを調整する

NOは生物の多くの機能に関与する信号分子です。NO由来の反応性窒素種（RNS）は、主な細胞内抗酸化物質であるGSHと容易にS-ニトロソグルタチオン（GSNO）を形成します。GSNOの生体変換はNO代謝の主要な枝であり、内因性GSNOはNO恒常性の調整において重要な要素です。

生化学的特性

• 基質選好性

多くの研究により、異なる生物源からのGSH-FADHはn-オクタノールなどの長鎖アルコール、HMGSHなどのGSH付加体、GSNOおよびその他の大きな基質に対して高い活性を示す一方で、一部の小さなアルコールに対しては非常に低いか、全く活性を示さないことが示されています。

• 安定性

FADHは良好な熱安定性を持ち、最適温度は30°Cです。

• 反応速度論的メカニズム

FADHの反応はランダムなピンポン速度論的メカニズムに従い、ランダムなピンポン速度論の過程で還元的および酸化的初期複合体が生成されます。反応中の補酵素の結合により、酵素の触媒ドメインが補酵素結合ドメインに対して10度回転し、活性部位が狭くなり、酵素が小分子基質と結合する最適な位置に達します。

ホルムアルデヒド脱水素酵素の構造

SDS-PAGE分析により、FADHサブユニットの分子量はすべて約40 kDであり、ゲル濾過クロマトグラフィーでは二量体および四量体が存在することが示されました。研究により、大腸菌およびRhodobacter sphaeroidesのホルムアルデヒド脱水素酵素は通常二量体タンパク質であるのに対し、Pseudomonas putida、Paracoccus denitrificans、酵母およびSulfolobus sulphureusは四量体の形態で存在することがわかりました。GSH依存性FADHの単量体構造は、二量体であっても四量体であっても基本的に類似していますが、GSH非依存性FADHは異なる構造を持っています。

FADH遺伝子発現の調節

FADHをコードする遺伝子の転写は、ホルムアルデヒド代謝の過程で蓄積された中間体や経路内の還元力によって生成される信号分子によって活性化されることがあります。研究により、大腸菌およびインフルエンザ桿菌は、ホルムアルデヒド濃度が0.6-20 ppmのときにFADH酵素活性の生成を誘導できることがわかりました。同時に、グラム陰性菌であるParacoccus denitrificansでも、成長基質が一炭素化合物であるときにFADH酵素活性の生成を誘導できることがわかりましたが、基質がメタノールまたは蟻酸のときには誘導されないことが示され、FADHが誘導可能であることを示しています。

応用

• ホルムアルデヒド濃度の検出

ホルムアルデヒド脱水素酵素の触媒特性を利用したホルムアルデヒドの酵素的検出は、コストが低く、操作が簡単であり、職場での日常的な使用に適しています。

• CO2のリサイクル

CO2をメタノールに酵素的に触媒するには、ホルムアルデヒド脱水素酵素と他の2つの重要な酵素（フォルミル脱水素酵素およびアルコール脱水素酵素）の参加が必要です。

結論

ホルムアルデヒド脱水素酵素はほとんどの原核生物とすべての真核生物に存在します。異なる供給源からのホルムアルデヒド脱水素酵素は、高い配列類似性を示します。ホルムアルデヒド脱水素酵素の保存された存在は、生物におけるその重要な役割を示しています。ホルムアルデヒド脱水素酵素の作用によるホルムアルデヒド酸化経路は、生物に広く存在する解毒システムです。