ヒドロゲナーゼ

ヒドロゲナーゼ

ヒドロゲナーゼは、水素分子（H₂）の生成と分解を触媒する酵素群です。これらの酵素は、特に酸素の存在しない嫌気的な環境下での生物の代謝活動において、極めて重要な働きを担っています。

触媒する反応と生理的な役割

ヒドロゲナーゼが触媒するのは、主に二つの可逆的な酸化還元反応です。

一つは、水素分子をプロトン（H⁺）と電子に分解する「水素酸化反応」です。この反応は、酸素や硝酸、硫酸、二酸化炭素、フマル酸といった様々な電子受容体を還元するプロセスと連動して起こります。

H₂ + A(酸化型) → 2 H⁺ + A(還元型) (1)

もう一つは、プロトンと電子から水素分子を作り出す「プロトン還元反応」です。これは、解糖系で生じるピルビン酸の発酵過程や、細胞内に蓄積した過剰な電子を処理する際に不可欠なプロセスです。

2 H⁺ + D(還元型) → H₂ + D(酸化型) (2)

ここで、Aは電子受容体、Dは電子供与体を示し、それぞれ酸化型(ox)または還元型(red)で存在します。これらの反応において、生理的な電子供与体や受容体として機能する物質には、フェレドキシンやチトクロムc₃、チトクロムc₆といったタンパク質や、その他の低分子化合物があります。

歴史と応用への期待

ヒドロゲナーゼの存在が初めて確認されたのは1930年代のことです。水素の酸化還元を触媒するというそのユニークな性質は、発見当初から多くの研究者の関心を集めてきました。

現在では、これらの酵素が持つ触媒メカニズムは、クリーンなエネルギー源として注目される水素を生物学的に生産する技術（例えば、特定の藻類などを用いたシステム）を設計する上で重要な手がかりとなると期待されています。また、2014年には、阿蘇山で非常に高い活性を持つヒドロゲナーゼ（S–77株）が発見され、従来の燃料電池に使用される白金触媒を大幅に上回る活性が確認されました。この酵素を燃料電池のアノード触媒として応用する研究開発も成功しています。

生化学的分類（EC分類）

酵素の機能に基づくEC分類では、ヒドロゲナーゼは主に以下のグループに分けられています。それぞれの分類は、水素から電子を受け渡す相手（電子供与体/受容体）によって定義されます。

• - EC 1.12.1.2 水素：NAD⁺酸化還元酵素 (H₂ + NAD⁺ → H⁺ + NADH)
• - EC 1.12.1.3 水素：NADP⁺酸化還元酵素 (H₂ + NADP⁺ → H⁺ + NADPH)
• - EC 1.12.2.1 水素：フェリチトクロムc₃酸化還元酵素 (2H₂ + ferricytochrome c₃ → 4 H⁺ + ferrocytochrome c₃)
• - EC 1.12.7.2 水素：酸化型フェレドキシン酸化還元酵素 (H₂ + oxidized ferredoxin → 2 H⁺ + reduced ferredoxin)
• - EC 1.12.98.1 水素：コエンザイムF₄₂₀酸化還元酵素 (H₂ + coenzyme F₄₂₀ → reduced coenzyme F₄₂₀)
• - EC 1.12.99.6 水素：受容体酸化還元酵素 (H₂ + A → AH₂)
• - EC 1.12.5.1 水素：キノン酸化還元酵素 (H₂ + menaquinone → menaquinol)
• - EC 1.12.98.2 水素：5,10-メテニルテトラヒドロメタノプテリン酸化還元酵素 (H₂ + 5,10-methenyltetrahydromethanopterin → H⁺ + 5,10-methylenetetrahydromethanopterin)
• - EC 1.12.98.3 水素：2-(2,3-ジヒドロペンタプレニロキシ)フェナジン酸化還元酵素 (H₂ + 2-(2,3-dihydropentaprenyloxy)phenazine → 2-dihydropentaprenyloxyphenazine)

構造による分類

ヒドロゲナーゼは、その活性中心に含まれる金属の種類によって構造的に分類されています。

かつては、活性中心に鉄のみを含む「鉄ヒドロゲナーゼ（Fe-only）」、ニッケルと鉄を含む「ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼ（NiFe）」、そして金属を含まないとされた「メタルフリーヒドロゲナーゼ」の三つに大別されていました。しかし、2004年にメタルフリーとされていたグループにも実際には鉄が含まれることが明らかになり、現在では「鉄・硫黄フリーヒドロゲナーゼ」と呼ばれています。これは、他の鉄ヒドロゲナーゼとは異なり、無機硫化物が存在しないことに由来します。

ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼの中には、ニッケルと結合するシステイン残基の一つがセレノシステインに置き換わっているものも存在しますが、アミノ酸配列の類似性から、これらはニッケル・鉄・セレンヒドロゲナーゼとしてニッケル・鉄ヒドロゲナーゼと同一のスーパーファミリーに属すると見なされています。

ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼは通常、大きなサブユニット（L）と小さなサブユニット（S）からなるヘテロ二量体の構造をとります。小さなサブユニットには鉄・硫黄クラスターが3つ含まれており、一方、大きなサブユニットの中心部にはニッケル・鉄クラスターが配置されています。このタイプのヒドロゲナーゼは、水素の酸化とプロトンの還元の両方の反応を触媒する能力を持ち、チトクロムc₃のような低電位のマルチヘムチトクロムなどが、細胞の酸化還元状態に応じて電子供与体あるいは受容体として機能することでその活性を発揮します。これらの酵素は、細胞の周辺質、細胞質、あるいは細胞質膜に結合した状態で発見されています。

鉄以外の金属を含まないものは「鉄ヒドロゲナーゼ（Fe-HasesまたはFe-only hydrogenases）」と呼ばれます。このグループはさらに、細胞内での存在場所や機能によって主に三つに分類されます。

1. 嫌気性細菌（例：クロストリジウム・パステリアナム、メガスファエラ・エルスデニイ）の細胞質に存在する、水溶性で単量体の鉄ヒドロゲナーゼ。これらは酸素に非常に弱く、水素の酸化と生成の両方を触媒します。
2. サルフェート還元菌（例：デスルホビブリオ属）の周辺質に見られる、ヘテロ二量体の鉄ヒドロゲナーゼ。これらの細菌は偏性嫌気性であり、この酵素は主に水素酸化反応を進めます。
3. 緑藻（例：セネデスムス・オブリクウス）の葉緑体に存在する、水溶性で単量体の鉄ヒドロゲナーゼ。この酵素はプロトン還元による水素生成反応を触媒し、光合成の電子伝達系で生じる低電位の[Fe₂S₂]フェレドキシンから電子を受け取ります。

ニッケル・鉄ヒドロゲナーゼと鉄ヒドロゲナーゼは、構造上いくつかの共通点を持っています。両者ともに、触媒作用を担う活性中心の金属クラスターと、タンパク質中に鉄・硫黄クラスターを含んでいます。活性中心の金属は、一酸化炭素（CO）やシアン化物イオン（CN⁻）などが配位子として結合することで安定化されていると考えられています。

一方、鉄・硫黄クラスターを含まない鉄・硫黄フリーヒドロゲナーゼ（例：EC 1.12.98.2）は、メタン生成古細菌などで見つかっており、ニッケルや従来の鉄・硫黄クラスターを持たず、代わりにピリドンGMP派生物である鉄含有補助因子が活性に関与していると推測されています。

ヒドロゲナーゼは、多様な生物におけるエネルギー代謝の根幹に関わるだけでなく、持続可能なエネルギーシステム構築のための鍵となる酵素として、今後の研究や技術開発において益々その重要性を増していくと考えられます。

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