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、中鎖亜鉛含有アルコール脱水素酵素ファミリーに属する酵素である。ほとんどの原核生物およびすべての真核生物に存在する。微生物において主としてホルムアルデヒドの解毒に用いられる酵素である。近年、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）活性も有し、内因性NOの動的恒常性の調節に関与することが示されている。

図1．ホルムアルデヒド脱水素酵素の構造。

概要

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し得る反応性化合物であり、あらゆる生物に対して高い毒性を示す。ホルムアルデヒドの発生源は極めて広範である。生物は、ホルムアルデヒドによる致死性および変異原性の影響を回避するため、ホルムアルデヒドを含む環境下でも生存し得るよう、多様な修復機構を確立してきた。その中でも、ホルムアルデヒドの酸化経路は微生物に広く存在する解毒手段である。この経路に作用する鍵酵素であるホルムアルデヒド脱水素酵素は、中鎖亜鉛含有アルコール脱水素酵素ファミリーの一員である。ほとんどの原核生物およびすべての真核生物に存在し、微生物におけるホルムアルデヒド解毒に重要な役割を果たす。近年、FADHはホルムアルデヒド解毒にとどまらず、NO代謝とも関連し、S-ニトロソグルタチオン還元酵素活性を示すことが、より多くの研究により示されている。

ホルムアルデヒド脱水素酵素の生理学的役割

• ホルムアルデヒドの解毒

微生物におけるFADHの主要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変換に関与する広範な酵素系である。多くのFADHは通常、ホルムアルデヒドの酸化にNAD+およびグルタチオン（GSH）を必要とする。Pseudomonas putida由来のホルムアルデヒド脱水素酵素（PFADH）は、GSHの関与なしにホルムアルデヒドを酸化できる唯一の酵素である。

• 内因性NOの動的恒常性の調節

NOは生体内で多様な機能に関与するシグナル分子である。NO由来の反応性窒素種（RNS）は、細胞内主要抗酸化物質であるGSHと容易に反応してS-ニトロソグルタチオン（GSNO）を形成し得る。GSNOの生体内変換はNO代謝の主要分岐であり、内因性GSNOはNO恒常性の調節における重要因子である。

生化学的特性

• 基質選好性

多くの研究により、異なる生物由来のGSH依存性FADHは、n-オクタノールなどの長鎖アルコール、HMGSH、GSNOなどのGSH付加体を含む高分子基質に対して高い活性を示す一方、一部の低分子アルコールに対しては活性が極めて低い、または活性を示さないことが示されている。

• 安定性

FADHは良好な熱安定性を有し、至適温度は30℃である。

• 反応速度論的機構

FADHの反応はランダム・ピンポン型の速度論的機構に従い、この過程で還元的および酸化的な初期複合体が形成される。反応中の補酵素結合により、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、活性部位が狭くなることで、低分子基質の結合に最適な位置へと酵素が到達する。

ホルムアルデヒド脱水素酵素の構造

SDS-PAGE解析により、FADHサブユニットの分子量は概ね40 kDであることが示され、ゲルろ過クロマトグラフィーにより二量体および四量体の存在が示された。研究により、Escherichia coli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一方、Pseudomonas putida、Paracoccus denitrificans、酵母、ならびにSulfolobus sulphureusでは四量体として存在することが示されている。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るが、GSH非依存性FADHは異なる構造を有する。

FADH遺伝子発現の制御

FADHをコードする遺伝子の転写は、ホルムアルデヒド代謝過程で蓄積する中間体および経路内の還元力により生成されるシグナル分子によって活性化され得る。研究により、Escherichia coliおよびHaemophilus influenzaeでは、ホルムアルデヒド濃度0.6～20 ppmでFADH酵素活性の産生が誘導されることが示されている。同時に、グラム陰性菌Paracoccus denitrificansにおいては、増殖基質が一炭素化合物である場合にFADH酵素活性の産生が誘導されるが、基質がメタノールまたはギ酸である場合には誘導されないことも報告されており、FADHが誘導性であることを示唆している。

応用

• ホルムアルデヒド濃度の測定

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法測定は、低コストで操作が簡便であり、職場における日常的な使用に適している。

• CO2リサイクル

CO2をメタノールへ酵素触媒的に変換するには、ホルムアルデヒド脱水素酵素および他の2つの鍵酵素（ギ酸脱水素酵素、アルコール脱水素酵素）の関与が必要である。

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およびすべての真核生物に存在する。由来の異なるホルムアルデヒド脱水素酵素は高い配列相同性を示す。ホルムアルデヒド脱水素酵素が保存的に存在することは、生物におけるその重要な役割を示唆する。ホルムアルデヒド脱水素酵素が作用す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ある。