GDH

多くの微生物は、嫌気的条件下で結合酸化還元経路を通じてグリセロールを炭素源として利用します。グリセロール脱水素酵素（glycerol:NAD⁺ 2-oxidoreductase, GlyDH, GDH, EC 1.1.1.6）は、グリセロールの脱水素化を触媒し、NAD⁺をNADHに還元しながらジヒドロキシアセトン（1,3-dihydroxypropanone）を形成する酵素です。ジヒドロキシアセトンはその後、ジヒドロキシアセトンキナーゼによってリン酸化され、解糖経路に入ってさらなる分解が行われます。

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のグループの一員です。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できます。最初のファミリーはZn²⁺依存性の「中鎖」アルコール脱水素酵素で、すべて約400残基を含むサブユニットサイズを持ち、馬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が含まれます。第二のファミリーは「短鎖」酵素で、約250残基のサブユニットに基づいており、Drosophilaの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、β-ケトレダクターゼが含まれます。第三のファミリーは「鉄含有」アルコールおよびグリセロール脱水素酵素で、細菌や酵母から分離されたポリオール脱水素酵素が含まれます。このファミリーの酵素は、触媒に二価金属イオンを必要とし、中鎖ポリオール脱水素酵素ファミリーと区別されます。

構造

グリセロール脱水素酵素のサブユニットは、約60 × 40 × 40 Åの寸法を持ち、370残基の単一ポリペプチド鎖から構成されています。N末端のα/βドメインは、6本の平行なβストランドからなるβシートで構成され、4本のαヘリックスと追加のβストランド（β1）に挟まれています。すべてのβストランドはαヘリックスを介して接続されていますが、β6およびβ9ストランドはβヘアピン（β7、β8ストランド）によって分離されています。C末端ドメインは、各々がαヘリックスの束から形成される2つのサブドメインで構成されています。ヘリックスα6、α7、α8は、束の共通軸の周りに約60°の左巻きのスーパーらせんツイストを持つ長い逆平行の上下ヘリックス束を形成します。ヘリックスα9–α14は、ヘリックスα9、α10、α11、α13、α14からなる逆平行のギリシャ鍵ヘリックス束を形成します。

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

構造の分析は、N末端およびC末端ドメインの間に深い裂け目が形成されていることを示しており、ギリシャ鍵ヘリックス束とN末端ドメインが裂け目の対向面を形成し、α6–α8束が裂け目の底を形成しています。Zn²⁺イオンは裂け目の奥深くに結合しており、アミノ酸残基Asp173、His256、His274および1つの水分子とのイオン-双極子相互作用を通じて四面体的に配位されています。

メカニズム

グリセロール脱水素酵素は、化学反応を触媒します：グリセロール + NAD⁺ « グリセオン + NADH + H⁺。酵素の正確なメカニズムはまだ特定されていませんが、動力学的研究は触媒が他のアルコール脱水素酵素と比較可能であることを支持しています。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つのヒドロキシル基と隣接する亜鉛イオンとの間に2つの配位相互作用を持つように配置されます。GlyDHは次に、C2ヒドロキシル基の塩基補助脱プロトン化を触媒し、アルコキシドを形成します。亜鉛原子はさらに、荷電酸素原子の周りの過剰電子密度がC2炭素原子との二重結合を形成するために移動する前に、アルコキシド中間体の負の電荷を安定化する役割を果たします。水素原子はその後、二次炭素から除去され、NAD⁺ニコチンアミド環への電子移動における求核剤として機能します。その結果、塩基によって除去されたH⁺は周囲の溶液中にプロトンとして放出され、次にGlyDHによって生成物グリセオンが放出され、その後NADHが放出されます。

図2. グリセロール脱水素酵素のメカニズム。

産業応用

グリセロールは、製薬、食品、化粧品産業など、多くの産業で一般的に使用されています。粗グリセロールの生成は、バイオディーゼル生産の増加に伴い増加しています。したがって、これらの産業での生産増加に伴い、粗グリセロールを精製して利用することは高価になっています。バイオテクノロジーの研究者は、低品質のグリセロール製品を利用するための新しい経済的な方法を見つけることに関心を持っています。グリセロールをグリセオンに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のために調査されている酵素の一つです。

参考文献