アルコール脱水素酵素

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ADHの分類

ADH（E.C. 1.1.1.1）は酸化還元酵素であり、アルコールをアルデヒドまたはケトンへ可逆的に酸化する反応を触媒すると同時に、NAD⁺またはNADP⁺の還元を伴う。ADHは大きな酵素群であり、少なくとも3つの異なる酵素スーパーファミリー、すなわち中鎖（MDR）デヒドロゲナーゼ／レダクターゼ、短鎖デヒドロゲナーゼ／レダクターゼ、ならびに鉄活性化型ADHに分類される。MDRスーパーファミリーは350アミノ酸残基（2量体または4量体）からなり、各サブユニットは触媒ドメインと、補酵素NAD⁺またはNADP⁺に結合するヌクレオチド結合ドメインを有する。MDRファミリーの多くの酵素は活性部位に亜鉛を含み、亜鉛含有ADHシグネチャーとして知られる配列モチーフGHEX₂GX₅(G, A)X₂(I, V, A, C, S)を有する。古典的ADHをコードする遺伝子にはADH1, ADH2, ADH3, ADH4およびADH5が含まれる。その他の遺伝子として、SFA1、BDH1、BDH2、SOR1、推定SOR2、シンナミルADH、CDH1、XDH1、ADH6およびADH7が挙げられる。 

局在

真核細胞の膜系構造は、多様な生物学的機能を遂行するために複雑な区画へと組織化されている。これら細胞の微小環境におけるタンパク質の位置を把握することは、その機能および相互作用を理解する上で極めて重要である。1960年代後半には、パン酵母に少なくとも3種類のNAD依存性ADHが存在することが知られていた。これらのうち2つの酵素は細胞質（Adh1pおよびAdh2p）に局在し、Adh3pはミトコンドリアマトリックスに局在する。細胞質NADHのミトコンドリア酸化機構を検討する過程で、Overkamp（2000）およびBakker（2000）は、ADH3が唯一のミトコンドリアADHではないことを示す十分なエビデンスを得た。Huh（2003）の研究では、Adh5pが細胞質に局在すること、さらにAdh3pに加えてAdh4pもミトコンドリア酵素であることが示された。現時点では、Adh6pおよびAdh7pの局在は不明である。これは、これら2酵素の性状に関する利用可能な情報の大半がmRNAレベルでの発現モニタリングまたは過剰発現研究に由来するためである。

構造解析の概要

Saccharomyces cerevisiaeのアルコールデヒドロゲナーゼI（ADH1）は、グルコース発酵時にアセトアルデヒドをエタノールへ還元する構成的酵素である。ADH1の構造は、2.4 Å分解能のX線結晶構造解析により決定された。非対称単位には4つの異なるサブユニットが含まれ、ABおよびCDと呼ばれる類似した2量体として配置されており、ウマ肝臓ADHと類似している（図1）。2量体を構成する各サブユニットは典型的なRossmannフォールドの補酵素結合ドメイン、すなわち6本鎖の平行βシートを有し、シートの両側にそれぞれ2本のヘリックスが存在し、補酵素はカルボキシ末端側で結合する。2つの補酵素結合ドメイン間の広範な相互作用により、2量体内で拡張βシートが形成される。各サブユニットはさらに触媒ドメインを有し、アルコールが結合する亜鉛原子と、離れたループに存在する遠位の構造亜鉛リングを含む。AおよびCサブユニットは「閉鎖」コンフォメーションをとり、触媒亜鉛に「古典的」配位様式で結合したNADおよびTFEを含む。一方、BおよびDサブユニットは「開放」コンフォメーションをとり、代替的な配位様式を示し、補酵素は結合していない。単位格子には3つの生体分子が含まれ、それぞれがAB:ABおよびCD:CDサブユニットからなる2種類の異なる4量体で構成される。 

図1. 1つの非対称単位、AB二量体、および背中合わせ配向の生体AB:AB四量体の立体視図（Raj, S.B.; et al. 2014）

亜鉛含量および配位

酵母ADH1の結晶構造において、各サブユニットは「触媒」亜鉛と「構造」亜鉛を含み、後者の機能は現時点では不明である。酵母ADH1に含まれる亜鉛原子数を決定する生化学的実験では結果にばらつきがあったものの、結晶構造解析では各サブユニットに2個の亜鉛が存在し、いずれも正四面体配位であることが明確に示された。閉鎖コンフォメーションでは、各非対称二量体の一方のサブユニット（AまたはC）がNADおよびTFEを結合し、触媒亜鉛はCys-43、His-66、Cys-153およびTFEの酸素により「古典的」様式で配位される。開放コンフォメーションでは、他方のサブユニット（BまたはD）において触媒亜鉛は代替的に配位され、Cys-43、His-66、Glu-67およびCys-153により配位され、TFEの酸素は第二配位圏に位置する。サブユニットAおよびBの触媒ドメインを重ね合わせると、亜鉛がGlu-67から約2.6 Å移動する際に、亜鉛の配位が反転し、亜鉛配位子のわずかな移動を伴うことが示される。ヒトADH3の構造は、補酵素結合後かつ基質結合前の機構における中間体を示し得る。代替配位は一般的であり、活性部位亜鉛の配位は柔軟であることから、亜鉛結合水の代わりにアルコールまたはアルデヒドを用いる機構が提唱されている。

図2. 触媒亜鉛の2種類の配位様式（Raj, S.B.; et al. 2014）

性状

アルコールデヒドロゲナーゼは分子量80 kDaの二量体であり、エタノールをアセトアルデヒドへ変換し得る一連のアイソザイムを含む。哺乳類においては、補酵素ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD⁺）が関与する酸化還元反応である。アルコールデヒドロゲナーゼは、第一級および第二級アルコールの酸化によりアルデヒドおよびケトンを生成する反応を触媒し、逆反応にも影響を及ぼし得る。ただし第一級アルコールに対する触媒作用は強くない一方、第二級アルコールおよび環状アルコールに対しては触媒作用が強い。アルコールデヒドロゲナーゼの至適pHは7.0～10.0で、pH 8.0で酵素活性が最大となり、pH 7.0では比較的安定である。ADHの至適温度は37℃であり、30～40℃では酵素活性は比較的安定であるが、45℃を超えると酵素活性は急激に低下する。

応用

• 疾患診断

ヒト体内のADHは主として肝臓で産生されるため、肝疾患は血清ADH活性と関連する可能性がある。分光光度法により血清中ADH活性を測定し、本指標の臨床的有用性を検討することは、肝疾患の診断において重要な意義を有する。

• アルコール濃度

日常の社会生活において、人は不可避的にアルコールへ曝露される。飲酒運転による交通事故は稀ではない。さらに過度の飲酒はアルコール依存症を引き起こし得る。飲酒事故およびアルコール依存症の重大な帰結を踏まえると、血漿中エタノール濃度の迅速測定は、事故予防ならびに急性アルコール中毒の早期診断・治療において極めて重要な臨床的価値を有する。

• 触媒

化学工業では、ADHの触媒特性を利用して多くの原料および中間体が製造されている。二酸化炭素をメタノールへ変換するプロセスにおいて、ADHは酵素触媒として機能する。

臨床的意義

• アルコール依存症

研究により、アルコールデヒドロゲナーゼが患者におけるアルコール依存症の発症に関与し得ることが示唆されている。研究者は当初、アルコール依存症に関連し得るいくつかの遺伝子を同定した。これらの遺伝子多型によりコードされるADH2およびADH3が低代謝型となる場合、アルコール乱用のリスクが増加する可能性がある。変異型ADH2およびADH3がアジア人集団におけるアルコール乱用と関連することが報告されているが、これが実際に因果的であるかどうかは、さらなる研究を要する。

• 薬物依存

薬物依存もアルコールデヒドロゲナーゼに関連する別の課題であり、研究者はアルコール依存症との関連がある可能性を指摘している。ある特定の研究では、薬物依存がアルコールデヒドロゲナーゼ関連の7遺伝子と関連することが示された。これらの結果は、当該特定遺伝子を標的とした治療戦略に資する可能性があるが、より詳細な検討が必要である。