亜硫酸オキシダーゼ

亜硫酸オキシダーゼ（EC 1.8.3.1）は、すべての真核生物のミトコンドリア膜間腔に局在するホモ二量体の金属酵素である。本酵素はシトクロムb5ファミリーの一員であり、モリブデン・オキソトランスフェラーゼ酵素スーパーファミリーにも属する。亜硫酸オキシダーゼの各サブユニットは、ヘム基およびモリブドプテリン結合ドメインから構成される。モリブドプテリン補因子は、本酵素にとって極めて重要であり、モリブデン中心が活性部位として機能し、電子伝達を担保する。亜硫酸オキシダーゼは、有害な亜硫酸を2電子酸化により硫酸へと変換し、酸素および／またはヘム配位鉄イオンを最終電子受容体として利用する。この反応は、含硫アミノ酸であるシステインおよびメチオニン等の含硫化合物の酸化的代謝における最終段階である。生成した硫酸は最終的に排泄される。本過程で生じた電子はシトクロムcを介して電子伝達系へ移送され、酸化的リン酸化によるATP産生を可能にする。哺乳類では、亜硫酸オキシダーゼは腎臓、肝臓、心臓で高発現し、脳、脾臓、血液、骨格筋では検出量はごく僅少である。亜硫酸オキシダーゼの点突然変異およびモリブデン補因子生合成の欠損は、最終的に致死性の遺伝性疾患である亜硫酸オキシダーゼ欠損症を引き起こし得る。

構造

異なる由来から単離された亜硫酸オキシダーゼの分子量は101～110 kDaの範囲にある。ホモ二量体として、亜硫酸オキシダーゼは、N末端ドメインとC末端ドメインを有する2つの同一サブユニットから構成され、両者は10アミノ酸からなるループによって連結されている。小さいN末端ドメインには、5本のαヘリックスと、隣接する3本の逆平行βシートからなるb5シトクロム補因子が含まれる。より大きいC末端ドメインには、3本のαヘリックスおよび13本のβシートに囲まれたモリブドプテリン補因子が存在する。モリブドプテリン補因子は、システイン由来の硫黄原子、ピラノプテリン由来のエン-ジチオレート、および2つの末端酸素に結合したモリブデン中心を提供する。亜硫酸の触媒的酸化は、このモリブデン中心で進行する。

図1．亜硫酸オキシダーゼの三次元構造。

作用機序

亜硫酸オキシダーゼの活性部位は、モリブデンが最高酸化状態であるMo⁶⁺をとることを可能にする。酵素が酸化状態にあるとき、モリブデンはシステインのチオラート、モリブドプテリンのジチオレン基、および2つの末端酸素原子により配位されている。亜硫酸と反応すると、酸素原子の一つが亜硫酸と結合して硫酸を生成し、その結果、モリブデン中心は2電子によりMo⁴⁺へ還元される。Mo⁴⁺からFe³⁺への分子内電子移動により、Fe²⁺およびMo⁵⁺が生じる。次いで、単電子の光化学的還元によりFe²⁺が外部シトクロムへ移動し、Fe³⁺が生成される。硫酸が水により置換され、さらに2つのプロトン（H⁺）および2つの電子（e⁻）が除去されることで、活性部位は元の状態に回復する。この酸素原子転移酵素の特徴は、転移される酸素原子が分子状O₂ではなく水に由来する点である。トリプトファンは電子移動に主要な役割を果たすため、本酵素において重要なアミノ酸である。酸化還元活性を有するアミノ酸側鎖が中間的な供与体または受容体として機能する多段階の電子トンネル機構が、電荷移動速度の向上に寄与する可能性が示唆されている。

図2．亜硫酸オキシダーゼの触媒機構。（D'Errico G；ほか．2006）

生物学的意義

すべての生物において、亜硫酸オキシダーゼは、強い求核性および還元性を有する有害化合物である亜硫酸を、より無害な硫酸へ酸化することにより、細胞の解毒において重要な役割を担う。すべての生細胞は、地質学的過程および工業プロセス等、ならびにその他の過程により生成される汚染物質である二酸化硫黄に由来する外因性の環境亜硫酸に曝露されている。亜硫酸はまた、含硫アミノ酸等の有機硫黄化合物が関与する代謝産物として細胞内に蓄積し得る。したがって、亜硫酸オキシダーゼは、外因性および内因性の亜硫酸の双方による有害作用から生体を強固に防御する。混合栄養、従属栄養、化学合成独立栄養、光栄養といった増殖様式を示す生物において、亜硫酸オキシダーゼを介した元素硫黄の酸化は、最も高いエネルギー収率をもたらす反応の一つである。実際、元素硫黄は好気性および通性好気性の古細菌における電子供与体として機能し、亜硫酸およびチオ硫酸を経由して、亜硫酸：受容体オキシダーゼが関与する経路により酸化される。この経路は近年、好気呼吸鎖との関連が実証されており、酸素還元と硫黄酸化の間に潜在的な連関が存在することを示唆している。

亜硫酸オキシダーゼ欠損症

亜硫酸オキシダーゼは、食品中の含硫アミノ酸であるシステインおよびメチオニンの分解に必須である。機能的な亜硫酸オキシダーゼが欠如すると、亜硫酸オキシダーゼ欠損症と呼ばれる疾患を引き起こす。これは、硫酸化アミノ酸の正常代謝に関する稀な常染色体遺伝性疾患である。亜硫酸オキシダーゼ欠損症は、モリブドプテリン補因子の欠如をもたらす遺伝学的欠陥および酵素の点突然変異に起因する。本疾患に罹患した個体は、多くの場合新生児期に、特徴的な形態異常、重度の知的障害、神経学的障害、身体奇形、脳の変性を呈し、最終的に死亡に至る。

参考文献