GDH

多くの微生物は、嫌気条件下において酸化経路と還元経路が共役した代謝を介し、グリセロールを炭素源として利用する。グリセロール脱水素酵素（glycerol:NAD⁺ 2-oxidoreductase、GlyDH、GDH、EC 1.1.1.6）は、グリセロールを脱水素してジヒドロキシアセトン（1,3-ジヒドロキシプロパノン）を生成すると同時に、NAD⁺ をNADHへ還元する反応を触媒する酵素である。生成したジヒドロキシアセトンは、ジヒドロキシアセトンキナーゼによりリン酸化された後、解糖系に取り込まれてさらに分解される。

分類

グリセロール脱水素酵素は、多様なポリオール脱水素酵素群の一員である。ポリオール脱水素酵素は、3つのタンパク質ファミリーに分類される。第1のファミリーはZn²⁺依存性の「中鎖」アルコール脱水素酵素で、いずれも約400残基からなるサブユニットサイズを有し、ウマ肝アルコール脱水素酵素やヒトβ1β1アルコール脱水素酵素を含む。第2のファミリーは、約250残基のサブユニットを基盤とする「短鎖」酵素群であり、Drosophila由来アルコール脱水素酵素、リビトール脱水素酵素、哺乳類の11β-および17β-ヒドロキシステロイド脱水素酵素、ならびにβ-ケト還元酵素を含む。第3のファミリーは「鉄含有」アルコール／グリセロール脱水素酵素で、細菌および酵母から単離されたポリオール脱水素酵素を含む。このファミリーの酵素は触媒活性に二価金属イオンを必要とするように見受けられるが、同様に二価金属イオンを必要とする中鎖ポリオール脱水素酵素ファミリーとは区別される。

構造

グリセロール脱水素酵素のサブユニットはおよそ60 × 40 × 40 Åの大きさで、370残基からなる単一ポリペプチド鎖で構成される。N末端のα/βドメインは、平行6本鎖βシートからなり、4本のαヘリックスと追加のβストランド（β1）により挟まれている。β6およびβ9ストランドはβヘアピン（β7、β8ストランド）によって隔てられている点を除き、すべてのβストランドはαヘリックスを介して連結されている。C末端ドメインは2つのサブドメインからなり、各サブドメインはいずれもαヘリックス束により形成される。α6、α7、α8ヘリックスは、束の共通軸の周りに約60°の左巻き超らせんねじれを有する、長い逆平行の上下配列ヘリックス束を形成する。α9〜α14ヘリックスは、α9、α10、α11、α13、α14から構成される逆平行のギリシャ鍵（Greek key）型ヘリックス束を形成する。

図1．B. stearothermophilus由来GlyDHサブユニット（Ruzheinikov S N. et al. 2001）

構造解析により、N末端ドメインとC末端ドメインの間に深いクレフト（裂溝）が形成されていることが示される。ギリシャ鍵型ヘリックス束とN末端ドメインがクレフトの対向する面を形成し、α6〜α8ヘリックス束がクレフトの底部を形成する。Zn²⁺イオンはクレフト深部に結合しており、アミノ酸残基Asp173、His256、His274および1分子の水を介したイオン‐双極子相互作用により、四面体配位をとる。

機構

グリセロール脱水素酵素は、次の化学反応を触媒する：グリセロール + NAD⁺ « グリセロン（glycerone） + NADH + H⁺。酵素の厳密な反応機構は未だ十分に特性解析されていないものの、速度論的研究から、触媒様式は他のアルコール脱水素酵素と同様であることが支持されている。NAD⁺が酵素に結合した後、グリセロール基質は活性部位に結合し、隣接する2つのヒドロキシ基が近傍の亜鉛イオンと2点で配位相互作用する配置をとる。続いてGlyDHは、塩基補助によるC2位ヒドロキシ基の脱プロトン化を触媒し、アルコキシドを形成する。亜鉛原子は、アルコキシド中間体における負電荷を安定化し、さらに荷電酸素原子周辺の過剰電子密度が移動してC2炭素原子との二重結合形成へと至る。次いで二級炭素からヒドリドが引き抜かれ、電子移動における求核種としてNAD⁺のニコチンアミド環へ移動する。その結果、塩基により除去されたH⁺は周囲溶液中へプロトンとして放出され、その後、生成物グリセロン、続いてNADHがGlyDHから遊離する。

図2．グリセロール脱水素酵素の反応機構。

産業応用

グリセロールは、医薬品、食品、化粧品など多くの産業分野で一般的に使用されている。バイオディーゼル生産の増加に伴い、副生成物として粗グリセロールの生成量も増加している。そのため、これらの産業における生産増に伴い、粗グリセロールの精製および有効利用には高コストを要するようになっている。バイオテクノロジー分野の研究者は、低品位グリセロール製品を経済的に活用する新たな手法の探索に関心を寄せている。グリセロールをグリセロンへ変換する触媒として、グリセロール脱水素酵素は、この産業目的に向けて検討されている酵素の一つである。

参考文献