ヒドロゲナーゼ

ヒドロゲナーゼ (hydrogenase) は、分子ぶんし型がた水素すいそ (H₂) の可逆かぎゃく的てきな酸化さんか還元かんげん反応はんのうを触媒しょくばいする酵素こうそである。この酵素こうそは嫌気いやけ性せい代謝たいしゃにおいて重要じゅうような役割やくわりを果はたしている。

概要がいよう

ヒドロゲナーゼが触媒しょくばいする水素すいそ酸化さんか反応はんのう（2 H⁺ 生成せいせい） (1) は、酸素さんそ、硝酸しょうさん、硫酸りゅうさん、二酸化炭素にさんかたんそ、フマル酸さんなどの電子でんし受容じゅよう体たいの還元かんげんと対応たいおうする反はん応おうである。一方いっぽう、プロトン還元かんげん反応はんのう（H₂ 生成せいせい） (2) は、解かい糖とう系けいにおけるピルビン酸さんの発酵はっこうや、過剰かじょう電子でんしを処理しょりする過程かていで不可欠ふかけつな反応はんのうである。ヒドロゲナーゼに対たいして生理学せいりがく上じょうの電子でんし供与きょうよ体たい (D) もしくは受容じゅよう体たい (A) として作用さようすることが可能かのうである物質ぶっしつには、フェレドキシンやチトクロムc₃、チトクロムc₆ などのタンパク質たんぱくしつや低てい分子ぶんし化合かごう物ぶつがある。これらの関係かんけいを反応はんのう式しきに表あらわすと以下いかのようになる。

H₂ + A_ox → 2 H⁺ + A_red (1)

2 H⁺ + D_red → H₂ + D_ox (2)

ここに、添字そえじoxは添字そえじの付つけられた物質ぶっしつの酸化さんか体たいを、また、redは還元かんげん体たいを表あらわす。

ヒドロゲナーゼが初はじめて発見はっけんされたのは1930年代ねんだいのことであった。水素すいその酸化さんか還元かんげん反応はんのうを触媒しょくばいするこの酵素こうそ群ぐんは多おおくの研究けんきゅう者しゃの関心かんしんを集あつめた。ヒドロゲナーゼによる触媒しょくばい作用さようのメカニズムは現在げんざい、水素すいそ分子ぶんしを生産せいさんするクリーンな生物せいぶつ学がく的てきエネルギー源みなもと（藻類そうるいなど）を科学かがく者しゃがデザインする際さいの手助てだすけとして期待きたいされている。2014年ねんには燃料ねんりょう電池でんちの白金はっきんの637倍ばいの活性かっせいを示しめす水素すいそ酵素こうそヒドロゲナーゼS–77が阿蘇山あそさんで発見はっけんされ、燃料ねんりょう電池でんちのアノード触媒しょくばいとして開発かいはつに成功せいこうした。

生化学せいかがく上じょうの分類ぶんるい

EC 1.12.1.2 脱だつ水素すいそ酵素こうそ（水素すいそ：NAD⁺ 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + NAD⁺ → H⁺ + NADH

EC 1.12.1.3 脱だつ水素すいそ酵素こうそ (NADP) （水素すいそ：NADPH⁺ 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + NADP⁺ → H⁺ + NADPH

EC 1.12.2.1 チトクロム-c₃ヒドロゲナーゼ（水素すいそ：フェリチトクロム-c₃ 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

2H₂ + ferricytochrome c₃ → 4 H⁺ + ferrocytochrome c₃

EC 1.12.7.2 フェレドキシンヒドロゲナーゼ（水素すいそ：フェレドキシン 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + oxidized ferredoxin → 2 H⁺ + reduced ferredoxin

EC 1.12.98.1 コエンザイム F₄₂₀ ヒドロゲナーゼ （水素すいそ：コエンザイム F₄₂₀ 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + coenzyme F₄₂₀ → reduced coenzyme F₄₂₀

EC 1.12.99.6 ヒドロゲナーゼ （受容じゅよう体たい）（水素すいそ：受容じゅよう体たい 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + A → AH₂

EC 1.12.5.1 （水素すいそ：キノン 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + menaquinone → menaquinol

EC 1.12.98.2 5,10-メテニルテトラヒドロメタノプテリンヒドロゲナーゼ （水素すいそ：5,10-メテニルテトラヒドロメタノプテリン 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + 5,10-methenyltetrahydromethanopterin → H⁺ + 5,10-methylenetetrahydromethanopterin

EC 1.12.98.3 Methanosarcina（メタン生成せいせい古こ細菌さいきん）のフェナジンヒドロゲナーゼ （水素すいそ：2-(2,3-ジヒドロペンタプレニロキシ)フェナジン 酸化さんか還元かんげん酵素こうそ）

H₂ + 2-(2,3-dihydropentaprenyloxy)phenazine → 2-dihydropentaprenyloxyphenazine

構造こうぞうによる分類ぶんるい

2004年ねんまでヒドロゲナーゼは酵素こうその活性かっせい中心ちゅうしんである金属きんぞくの種類しゅるいによって分類ぶんるいされていた。この分類ぶんるい法ほうでは、ヒドロゲナーゼは鉄てつのみを含ふくむ群ぐん（鉄てつヒドロゲナーゼ、Fe-only）、ニッケル・鉄てつを含ふくむ群ぐん（ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼ、NiFe）、メタルフリーの群ぐん（メタルフリーヒドロゲナーゼ、金属きんぞくを含ふくまないもの）の3種類しゅるいに分わけられていたが、2004年ねんにタウアー(Thauer)らによってメタルフリーヒドロゲナーゼが実質じっしつ的てきに鉄てつを含ふくむことが示しめされた。そのため従来じゅうらいメタルフリーと呼よばれていたヒドロゲナーゼ群ぐんは、現在げんざいでは鉄てつ・硫黄いおうフリーヒドロゲナーゼと呼よばれている。これは、鉄てつ・硫黄いおうフリーヒドロゲナーゼを鉄てつヒドロゲナーゼと比較ひかくした場合ばあい、鉄てつ・硫黄いおうフリーヒドロゲナーゼには無機むき硫化りゅうか物ぶつが全まったく含ふくまれていないためである。

数すう種しゅのニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼでは、ニッケルとシステイン残ざん基もととの結合けつごうの1つがセレノシステインへと置おき換かえられている。しかしながら、配列はいれつ類似るいじ性せいに基もとづいて考かんがえた場合ばあい、ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼとニッケル・鉄てつ・セレンヒドロゲナーゼは同一どういつのスーパーファミリーと判断はんだんするべきである。ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼは、大だいサブユニット (L) と小しょうサブユニット (S) から構成こうせいされるヘテロ二に量りょう体からだタンパク質たんぱくしつである。小しょうサブユニットは3つの鉄てつ・硫黄いおうクラスタを含ふくんでいるのに対たいし、大だいサブユニットはニッケル・鉄てつクラスタを中央ちゅうおう部ぶに含ふくんでいる。ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼは、2 H⁺ 生成せいせいと H₂ 生成せいせいの両りょう反応はんのうを触媒しょくばいすることが知しられているが、この触媒しょくばい作用さようはチトクロムc₃ などの低てい電位でんいなマルチヘム (multihaem) チトクロムが、酸化さんか状態じょうたいに応おうじて電子でんし供与きょうよ体たいか受容じゅよう体たいのいずれかとして機能きのうすることで発現はつげんする。なお、現在げんざいまでに、周辺しゅうへん質しつ、細胞さいぼう質しつ、細胞さいぼう質しつ膜まくに結合けつごうするニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼが発見はっけんされている。

鉄てつ以外いがいの金属きんぞくを含ふくまないヒドロゲナーゼは鉄てつヒドロゲナーゼ（Fe-Hases もしくは Fe-only hydrogenases）と呼よばれている。 この群ぐんは大おおきく分わけて3つに分類ぶんるいされている。

1. Clostridium pasteurianum や Megasphaera elsdenii などの嫌気いやけ性せい菌きんから発見はっけんされた細胞さいぼう質しつに存在そんざいする水溶すいよう性せいで単たん量りょう体たいの鉄てつヒドロゲナーゼ。これらの菌きんは酸素さんそ (O₂) による不ふ活性かっせい化かに対たいして非常ひじょうに敏感びんかんである。この鉄てつヒドロゲナーゼは 2 H⁺ 生成せいせいと H₂ 生成せいせいの両りょう反応はんのうを触媒しょくばいする。
2. Desulfovibrio 種たねから発見はっけんされた周辺しゅうへん質しつに存在そんざいするヘテロ二に量りょう体からだ鉄てつヒドロゲナーゼ。この種たねの菌きんは偏へん性せい嫌気いやけ性せい細菌さいきんである。この鉄てつヒドロゲナーゼは主おもに H₂ 酸化さんか反応はんのうを触媒しょくばいする。
3. 緑藻りょくそう Scenedesmus obliquus の葉は緑みどり体たいから発見はっけんされた水溶すいよう性せいで単たん量りょう体たいの鉄てつヒドロゲナーゼ。このヒドロゲナーゼは H₂ 生成せいせい反応はんのうを触媒しょくばいする。なお、[Fe₂S₂] フェレドキシンは酸化さんか還元かんげん電位でんいが低ひくいため、光合成こうごうせいの際さいにヒドロゲナーゼに電子でんし伝達でんたつを行おこなう電子でんし供与きょうよ体たいとして機能きのうする。

ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼと鉄てつヒドロゲナーゼには構造こうぞう上じょういくつかの共通きょうつうする特徴とくちょうがある。この両りょう酵素こうそには活性かっせい中心ちゅうしんがあり、また、タンパク質たんぱくしつの中なかに若干じゃっかんの鉄てつ・硫黄いおうクラスタを持もっている。活性かっせい中心ちゅうしんは金属きんぞくクラスタで構成こうせいされており、このクラスタ部分ぶぶんで触媒しょくばい作用さようが起おこると考かんがえられている。なお、これらの金属きんぞくは一酸化いっさんか炭素たんそ (CO) やシアン化物ばけものイオン (CN⁻) が配はい位い子ことなることで安定あんてい化かされている。

5,10-メテニルテトラヒドロメタノプテリンヒドロゲナーゼ (EC 1.12.98.2) は、メタン生成せいせい古こ細菌さいきんから発見はっけんされた。このヒドロゲナーゼはニッケルも鉄てつ・硫黄いおうクラスタも含ふくまれておらず、代かわりにピリドンGMP派生はせい物ぶつである鉄てつ含有がんゆう補助ほじょ因子いんしが含ふくまれると推測すいそくされている。

参考さんこう文献ぶんけん

• Volbeda, A., Charon, M.-H., Piras, C., Hatchikian, E.C., Frey, M. and Fontecilla-Camps, J.C. (1995). “Crystal structure of the nickel-iron hydrogenase from Desulfovibrio gigas”. Nature 373: 580–587. 
• Peters, J.W., Lanzilotta, W.N., Lemon, B.J. and Seefeldt, L.C. (1998). “X-ray crystal structure of the Fe-only hydrogenase (CpI) from Clostridium pasteurianum to 1.8 Å resolution”. Science 282: 1853–1858. 
• Adams, M.W.W. and Stiefel, E.I. (1998). “Biological hydrogen production: Not so elementary”. Science 282: 1842–1843. 
• Nicolet, Y., Piras, C., Legrand, P., Hatchikian, E.C. and Fontecilla-Camps, J.C. (1999). “Desulfovibrio desulfuricans iron hydrogenase: the structure shows unusual coordination to an active site Fe binuclear center”. Structure Fold. Des. 7: 13–23. 
• Nicolet, Y., Lemon, B.J., Fontecilla-Camps, J.C. and Peters, J.W. (2000). “A novel FeS cluster in Fe-only hydrogenases”. Trends Biochem.Sci. 25: 138–143. 
• Vignais, P.M., Billoud, B. and Meyer, J. (2001). “Classification and phylogeny of hydrogenases”. FEMS Microbiol. Rev. 25: 455–501. 
• Florin, L., Tsokoglou, A. and Happe, T. (2001). “A novel type of iron hydrogenase in the green alga Scenedesmus obliquus is linked to the photosynthetic electron transport chain”. J. Biol. Chem. 276: 6125–6132. 
• Frey, M. (2002). “Hydrogenases: hydrogen-activating enzymes”. ChemBioChem 3: 153–160. 
• Lyon, E.J., Shima, S., Boecher, R., Thauer, R.K., Grevels, F.-W., Bill, E., Roseboom, W. and Albracht, S.P.J. (2004). “Carbon monoxide as an intrinsic ligand to iron in the active site of the iron-sulfur-cluster-free hydrogenase H₂-forming methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase as revealed by infrared spectroscopy”. J. Am. Chem. Soc. 126: 14239–14248. 

外部がいぶリンク

• 2B0J - PDB Methanothermococcus jannaschii から得えられた鉄てつ・硫黄いおうフリーヒドロゲナーゼのアポ酵素こうその構造こうぞうについて（英語えいご）
• 1HFE - PDB Desulfovibrio desulfuricans から得えられた鉄てつヒドロゲナーゼの構造こうぞうについて（英語えいご）
• 1C4A - PDB Clostridium pasteurianum から得えられた鉄てつヒドロゲナーゼの構造こうぞうについて（英語えいご）
• 1UBR - PDB Desulfovibrio vulgaris から得えられたニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼの構造こうぞうについて（英語えいご）
• 1CC1 - PDB Desulfomicrobium baculatum から得えられたニッケル・鉄てつ・セレンヒドロゲナーゼの構造こうぞうについて（英語えいご）
• Animation - ニッケル・鉄てつヒドロゲナーゼの構造こうぞうについて
• 九州大学きゅうしゅうだいがく大学院だいがくいん工学こうがく研究けんきゅう院いん　小江こえ研究けんきゅう室しつ