導入
ヒドロゲナーゼは、次の反応に従って H +イオン (「プロトン」) の二水素への変換を可逆的に触媒する酵素です。
2H + + 2 e – = H 2
ヒドロゲナーゼには、[NiFe] ヒドロゲナーゼと鉄のみヒドロゲナーゼの 2 つの主要なクラスがあります。これらの酵素の活性部位は本質的に有機金属であり、特に酵素を構成する金属の性質によって互いに異なります。
一般的な
1887 年、ホッペ・セイラーは細菌がギ酸をH2とCO2に分解できることを発見しました。 「ヒドロゲナーゼ」という名前は、結腸細菌による水素の生成と基質を還元するための水素の使用を観察した後、1931 年にスティーブンソンとスティックランドによって命名されました。ヒドロゲナーゼは現在、プロトンから水素への変換を可逆的に触媒できる酵素のクラスを指します。
これらは、 熱力学的電位 (E°app= –413 mV、水中、 25 °C 、 0.1 barの H 2および pH 7 の下) に非常に近い電位でこの反応を触媒します。これらの生物において、水素は 2 つの機能を持つことができます。
最初の機能はエネルギー的なもので、過剰な還元力を水素の形で除去できます。
2 番目の代謝機能は、還元基質として水素を使用します。メタノバクテリウムでは CO 2からメタンへの還元、アセトバクテリウムではエタン酸への還元、 ビブリオサクシノゲネスではフマル酸塩の水素化、ラルストニア ユートロファではジアホラーゼヒドロゲナーゼでNAD(P)Hが生成されます。
ヒドロゲナーゼが 1世紀以上前から知られているとすれば、その構造、特にその活性部位の決定には長いプロセスが必要です。
1956 年に非ヘム鉄の存在が確認されました。 1970 年代、EPR 実験により、ヒドロゲナーゼにはフェレドキシンHiPIP (「高電位鉄硫黄タンパク質」) 鉄硫黄クラスターが含まれることが示されました。 1980 年、タウアーは特定のヒドロゲナーゼにニッケルの存在を検出し、活性部位の性質について多くの推測が生まれました。現在、ヒドロゲナーゼには、[NiFe] ヒドロゲナーゼと鉄ヒドロゲナーゼという 2 つの主要なクラスがあり、さらに非鉄硫黄クラスター ヒドロゲナーゼまたは Hmds と呼ばれる関連クラスがあることが確立されています。私たちは約40 の生物に約 100 のヒドロゲナーゼが分布していることを知っています。
ヒドロゲナーゼのクラス
ヒドロゲナーゼの 2 つの主要なクラスは、その活性と非常に独自の活性部位によって区別されます。実際、シアン化物およびカルボニル配位子を有する有機金属部位の存在は、生物学においてユニークな事実です。これらの補綴分子は一般に生体にとって有毒であると考えられているため、これはさらに注目に値します。
鉄ヒドロゲナーゼ
それらは真正細菌と真核生物にのみ存在します。機能的な鉄ヒドロゲナーゼの 3D 構造は、2 つの嫌気性細菌、 D. desulfuricansとC. pasturianumでほぼ同時に解析されました。これらの酵素の構造はまったく異なりますが、どちらも表面とタンパク質に深く埋め込まれた活性部位との間で電子を排出できる [Fe-S] クラスターを持っています。クラスター-Hと呼ばれる活性部位は、二核鉄クラスターに架橋システインを介して結合した[4Fe-4S]クラスターで構成されています（図2を参照）。この二核クラスターの鉄原子はシアン化物とカルボニル配位子を持ち、[1,3-プロパンジチオレート] タイプの架橋補欠分子配位子によって結合されています。この配位子と空洞の間の水素結合の分析、および結晶学者の直観は、中心原子が窒素原子であることを示唆している可能性があります（その場合、架橋配位子はジチオメチルアミンである）。中心原子の性質については依然として議論の余地がある。最近の結果は、それが酸素である可能性を示唆しています（架橋配位子はジチオメチルエーテルである可能性があります）。
機能的に H2 を生成する Fe ヒドロゲナーゼは、現在、嫌気性代謝を行う生物にのみ存在します。一方、データベースの体系的な検索により、好気性代謝を行う真核生物（菌類、植物、動物）における相同タンパク質をコードする遺伝子の存在が明らかになりました。好気性真核生物におけるこれらのタンパク質の機能はまだ完全には解明されていませんが、好気性真核生物では H2 生成が観察されていないため、ヒドロゲナーゼ型の活性は除外できます。これらは、少なくとも酵母および植物において、Fe/S クラスターに結合するタンパク質です。 出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）では、ScNar1pタンパク質は細胞質および核のFe/Sクラスタータンパク質の成熟に関与すると考えられる。人間には、ヒドロゲナーゼなどをコードする遺伝子が 2 つあります。最初の遺伝子は、ヒトにおける HIF1 分解の制御と Fs/S クラスタータンパク質の成熟に関与する IOP1 というタンパク質をコードしています。 2 番目の遺伝子は、プレラミン A のファルネシル化された未成熟末端を認識する IOP2 (以前は NARF) と呼ばれるタンパク質をコードしています。植物には遺伝子が 1 つだけ存在し、シロイヌナズナにおけるこの遺伝子の不活化は、この遺伝子が発生に関与していることを示しています。突然変異株は矮性表現型を示し、この株が 5% O2 で生育すると逆転します。 O2 とのこの関係は、線虫や酵母でも示されており、中程度の低酸素環境での増殖により、観察された変異表現型が逆転します。
ヒドロゲナーゼ [NiFe] および [NiFeSe]
[NiFe]ヒドロゲナーゼは、ヒドロゲナーゼの中で最も数が多いです。それらは、メタン生成性、酢酸生成性、窒素固定性、硫酸塩還元性真正細菌、シアノバクテリア（藍藻類）などの多くの微生物に存在するだけでなく、古細菌にも存在します。一方、ヒドロゲナーゼ [NiFeSe] はほとんどありません。これら 2 種類のヒドロゲナーゼは、細胞機能に基づいて 4 つの大きなグループに分類できます。配列アラインメントの比較、特に 2 つの保存領域 (活性部位のシステインの周囲と N および C 末端ゾーンの近く) の比較により、これら 4 つのクラスを見つけることが可能になります。グループ 1 は、エネルギー源として水素を使用する膜結合型 [NiFe] ヒドロゲナーゼで構成されます。 2 番目のグループはヘテロ二量体の細胞質ヒドロゲナーゼで構成されており、古細菌には存在しません。 3 番目のグループは、補因子 ( F420 、NAD、または NADP) に結合して可逆的に機能するヘテロ多量体の細胞質ヒドロゲナーゼで構成されています。 4 番目の最後のグループには、水素を生成する膜関連ヒドロゲナーゼが含まれます。これらは、水素の生成および酸化（毎秒最大 1000 触媒サイクル）において、鉄ヒドロゲナーゼよりも活性が 50 ～ 100 倍低いです。
[NiFe]ヒドロゲナーゼは、鉄原子とニッケル原子を含むヘテロバイメタル活性部位を特徴としています。これらの酵素の結晶構造は 5 つの生物で知られており、[NiFeSe] ヒドロゲナーゼとカルボニル配位子を持つ [NiFe] ヒドロゲナーゼの 2 つのタイプがあります。ヒドロゲナーゼ [NiFeSe] は硫酸塩還元細菌に存在し、細胞質周囲または細胞質に存在する可能性があります。
ヒドロゲナーゼ [NiFe]
これらは、その結晶構造が知られた最初のヒドロゲナーゼです。彼らは最も研究されているものでもあります。 Desulvibrio (D.) gigas由来のヒドロゲナーゼ [NiFe] は、60 kDa と 28 kDa の 2 つのサブユニットで構成されるヘテロ二量体のペリプラズムタンパク質です。これには 3 つの [Fe-S] クラスターがあり、1 つは [3Fe-4S] 1+/0クラスター、2 つは [4Fe-4S] 2+/1+クラスターです。それらは、 12 Åの長さにわたって小サブユニット内にほぼ直線的に分布しています。活性部位に最も近いクラスターは活性部位から13 Åの位置にあり、近位クラスターまたは p クラスターと呼ばれます。活性部位から最も遠いクラスター (遠位クラスターまたはクラスター d) は、タンパク質のほぼ表面に位置します。したがって、これらのクラスターは、タンパク質外供与体と活性部位の間に電子の「経路」を形成します。 [NiFe]ヒドロゲナーゼは、C末端ドメインにマグネシウム原子を持っています。一方、疎水性チャネルは、外部から活性部位、より正確には空のニッケル末端部位近くへの水素の循環を可能にします。活性部位には、強く歪んだ四面体を形成する4 つのシステイネートによって配位されたニッケル原子が含まれています (図 4 および図 6 を参照)。これらのシステイネートのうち 2 つは鉄原子にも配位します。この鉄原子には、2 つのシアン化物配位子と 1 つのカルボニル配位子もあります。シアン化物配位子は空洞残基の側鎖と水素相互作用します。したがって、鉄上の配位部位は空いており、鉄配位球を完成させるために別の配位子が存在する可能性があります。最近の結晶学的結果は、タンパク質が酸化されたときにニッケルと鉄の間を架橋する、酸素化された水酸化物またはヒドロペルオキシド配位子の存在を示唆しています。他の結晶学的および電気化学的結果は、この配位子が硫化物である可能性があることを示唆しています。
ヒドロゲナーゼ [NiFeSe]
[NiFeSe]ヒドロゲナーゼは、[NiFe]ヒドロゲナーゼのサブクラスを形成します。タンパク質ごとにセレン原子が 1 つ含まれています。 D.baculatumのペリプラズムヒドロゲナーゼを結晶化した。これは、26 kDa と 49 kDa の 2 つのサブユニットからなるヘテロ二量体です。 3 つの [4Fe-4S] クラスターが小サブユニットに位置していますが、大サブユニットには活性サイト「のみ」が含まれています。それは、[NiFe] ヒドロゲナーゼのそれによく似ています。この酵素の主な独創性は、活性部位のセレノシステインリガンドによる末端システインの置換である。セレノシステイネートはシステイネートよりも容易にプロトン化する可能性があります。これは反応性の違いを説明するでしょう。結晶化したヒドロゲナーゼの活性部位では、ニッケルと鉄の間の距離は2.5オングストロームです。 [NiFe]ヒドロゲナーゼは、C末端ドメインにマグネシウム原子を持っています。 [NiFeSe]ヒドロゲナーゼの場合、この原子は鉄原子に置き換えられます。
鉄硫黄クラスターを含まないヒドロゲナーゼ
これらは、水素の生成に陽子を使用しないため、ヒドロゲナーゼについて話すのは適切ではありません。しかし、ヒドロゲナーゼとの類似点が数多くあるため、この名前が付けられています。長い間メタルフリーヒドロゲナーゼと呼ばれていましたが、この酵素の補因子内の鉄モチーフの発見を受けて、2000 クラスターフリーヒドロゲナーゼ [Fe-S] と改名されました。この鉄は非ヘム鉄であり、2 つのカルボニル配位子を持っています。補因子は光によって不活性化され、それに結合している鉄カルボニル単位が失われます。
これらは、H- 2形成メチレンテトラヒドロメタノプテリン デヒドロゲナーゼの Hmd としても知られています。特定のメタン生成古細菌のみがそれらを持っています。これらのヒドロゲナーゼは、[Fe-S] クラスターを含まず、同じ反応性を持たないため、他の 2 つとは大きく異なります。実際、それらは、水素の存在下で、 N 5 , N 10 – メテニルテトラヒドロメタノプテリンからN 5 , N 10 – メテニレンテトラヒドロメタノプテリンへの還元反応を可逆的に触媒します。これは、基板上への水素化物の移動と溶液中のプロトンの放出に対応します。これらのヒドロゲナーゼは、 H2によるメチルビオロゲンの還元を触媒することができず、 H2からのプロトンと重水からの重水素との交換を触媒することもできません。これが、厳密に言えば、それらがヒドロゲナーゼではない理由です。しかし、水素を利用する能力があるため、「ヒドロゲナーゼ」という名前が付けられています。
これらの酵素の活性は pH に強く依存します。塩基性 pH はメテニル-H 4 MPT+ の形成に有利ですが、酸性 pH と水素の存在はメチレン-H 4 MPT の生成に有利です。例えば、メタノピルス・カンドレリの場合、脱水素反応は、ｐＨ４．５未満、 ９０ ℃以上で、タンパク質１ｍｇ当たり２７００μｍｏｌ／分／ｍｇの最大速度で行うことができる。