亜硫酸塩オキシダーゼ

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の膜間スペースに局在するホモ二量体型の金属酵素です。これは、シトクロムb5の一員であり、モリブデンオキソトランスフェラーゼの酵素スーパーファミリーにも属します。亜硫酸オキシダーゼの各サブユニットは、ヘム基とモリブドペリン結合ドメインで構成されています。モリブドペリン補因子は、モリブデン中心が活性部位として機能し、電子輸送を保証するため、酵素にとって重要です。亜硫酸オキシダーゼは、有害な亜硫酸を酸素および/またはヘム配位鉄イオンを最終電子受容体として硫酸に二電子酸化する反応を触媒し、これは硫黄含有化合物（システインやメチオニンなど）の酸化代謝の最終ステップです。生成された硫酸は最終的に排泄されます。この過程で生成された電子は、シトクロムcを介して電子伝達系に移され、酸化的リン酸化を通じてATPの生成を可能にします。哺乳類では、亜硫酸オキシダーゼは腎臓、肝臓、心臓で活発に発現しており、脳、脾臓、血液、骨格筋では非常に少量しか検出されません。亜硫酸オキシダーゼの点変異やモリブデン補因子の生合成の欠陥は、最終的に致死的な遺伝病である亜硫酸オキシダーゼ欠損症を引き起こす可能性があります。

構造

異なる供給源から分離された亜硫酸オキシダーゼの分子量は101-110 kDaの範囲です。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末端ドメインを持つ二つの同一サブユニットで構成されており、10個のアミノ酸からなるループで接続されています。小さいN末端ドメインは、5つのαヘリックスと3つの隣接する逆平行βシートを持つb5シトクロム補因子を含んでいます。大きいC末端ドメインは、3つのαヘリックスと13のβシートに囲まれたモリブドペリン補因子を持っています。モリブドペリン補因子は、システインからの硫黄原子、ピランオプテリンからのエン-ジチオラート、2つの末端酸素と結合したモリブデン中心を提供します。亜硫酸の触媒酸化はモリブデン中心で行われます。

図1. 亜硫酸オキシダーゼの三次元構造。

作用機構

亜硫酸オキシダーゼの活性部位は、モリブデンがその最高酸化状態であるMo⁶⁺を示すことをサポートします。酵素が酸化状態にあるとき、モリブデンはシステインチオレート、モリブドペリンのジチオレン基、2つの末端酸素原子と配位しています。亜硫酸と反応すると、1つの酸素原子が亜硫酸と結合して硫酸を得、モリブデン中心は2つの電子によってMo⁴⁺に還元されます。Mo⁴⁺からFe³⁺への分子内電子移動はFe²⁺とMo⁵⁺を生成します。次に、単一電子の光化学還元がFe²⁺を外部のシトクロムに移動させ、Fe³⁺を生成します。硫酸が水によって置換され、2つのプロトン（H⁺）と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します。この酸素原子を移動させる酵素の特異な特徴は、移動される酸素原子が水から来ることであり、分子O₂からではないことです。トリプトファンは、この酵素において電子移動に重要な役割を果たす重要なアミノ酸です。多段階電子トンネリングが電荷移動速度を向上させるのに役立つと考えられており、レドックス活性アミノ酸側鎖が中間的なドナーまたはアクセプターとして機能します。

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

生物学的重要性

すべての生物において、亜硫酸オキシダーゼは、強い核酸性、還元性および有害な化合物である亜硫酸をより無害な形である硫酸に酸化することによって細胞の解毒において重要です。すべての生きた細胞は、地質的および工業的プロセスやその他のプロセスによって生成される汚染物質である二酸化硫黄由来の外因性環境亜硫酸にさらされています。亜硫酸は、硫黄含有アミノ酸などの有機硫黄化合物に関与する代謝産物として細胞内に蓄積されることもあります。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からの有害な影響に対して私たちに強力な保護を提供します。混合栄養、従属栄養、化学自養、光合成成長パターン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、最もエネルギーを生み出す反応の一つです。実際、元素硫黄は好気性および選択的好気性古細菌において電子供与体として機能し、亜硫酸およびチオ硫酸を介して酸化され、亜硫酸:受容体オキシダーゼを含む経路で酸素還元と硫黄酸化の間の潜在的な関連を示しています。

亜硫酸オキシダーゼ欠損症

亜硫酸オキシダーゼは、食品中の硫黄含有アミノ酸であるシステインとメチオニンを分解するために不可欠です。機能的な亜硫酸オキシダーゼの欠如は、亜硫酸オキシダーゼ欠損症と呼ばれる病気を引き起こし、これは硫酸化アミノ酸の正常な代謝のまれな常染色体遺伝性障害です。亜硫酸オキシダーゼ欠損症は、モリブドペリン補因子の欠如と酵素の点変異を引き起こす遺伝的欠陥によって生じます。この病気にかかる個体は、特有の形態異常、重度の知的障害、神経障害、身体的変形、脳の劣化、最終的には死亡を伴う新生児期に最も一般的に存在します。

参考文献