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芳香族炭化水素分解

概要

芳香族炭化水素 (aromatic hydrocarbons) は、芳香族性を示す単環あるいは複数の環（単結合もしくは縮合）から構成される炭化水素化合物である。（例：ベンゼン (benzene), アルキルベンゼン (alkylbenzene), フェノール (phenol), ビフェニル (biphenyl), ナフタレン (naphthalene) 等） 生物へ毒性を示し、また難分解性である化合物が多く含まれ、それらによる環境汚染が問題となっている。近年では、微生物や植物を利用した浄化技術（バイオレメディエーション）の研究開発が注目されている。
微生物による芳香族炭化水素の分解は、環数や置換基によって様々な経路を取るが、共通するのは二個の隣接した水酸基の導入と環の開裂反応である。

機能に関する知見

機能を示すメカニズム

芳香族炭化水素の分解は、ベンゼン環に二個の隣接した水酸基が導入されることによって始まる。この酸化反応は、単環、二環、三環など環数に関わらず、芳香族化合物の分解において共通して起こる反応である。
上図のように、単環芳香族の分解では、まずベンゼン環の酸化によってカテコール (catechol) もしくはプロトカテク酸 (protocatechuate) が生成され、その後ベンゼン環の開裂が起こる。
カテコール・プロトカテク酸の生成まで (upper pathway)
第一反応は、dioxigenase もしくは monooxygenase (hydroxylase) によるベンゼン環の酸化である。
これらの酵素は以下のような特徴を持っている。
Ring-hydroxylating dioxygenase の場合
  • multi components から成る (oxygenase component [alpha (large) subunit, beta (small) subunit], electron transfer component [ferredoxin, ferredoxin reductase])
  • 基質特異性が広く、互いに相同性を示すことが多い
  • 遺伝子はオペロン状が多い
Monooxygenase (hydroxylase) の場合
  • 1-3 subunits から成る (oxygenase component)
  • electron transfer component [ferredoxin/ferredoxin reductase もしくは flavin reductase] が必須な場合がある
  • effector protein が必須な場合がある
  • 基質特異性が広く、互いに相同性を示すことが多い
カテコール・プロトカテク酸の分解 (lower catabolic pathway)
カテコールもしくはプロトカテク酸のベンゼン環開裂は、開裂の起こる位置によって経路が分かれる。二つの水酸基の間で開裂が起こる オルト開裂経路 と、隣で開裂が起こる メタ開裂経路 である。 開裂によって生じた化合物は、数段階の反応を経て、最終的にはTCA回路に組み込まれる。

機能を持つことが知られている生物

自然界からはこれまでに多くの芳香族炭化水素分解菌が単離されている。細菌ではPseudomons, Rhodococcus, Mycobacterium, Sphingomonas属等。

関連外部リンク

MiFuPへのリンク

芳香族炭化水素分解

  • NFUNC_0016 Aromatic hydrocarbon degradation (via hydroxylation by dioxygenase)
    NRULE_0032 Oxygenase electron transfer component
    NRULE_0034 Putative Rieske-type ferredoxin
    NRULE_0048 Ring-hydroxylating dioxygenase alpha subunit
    NRULE_0049 Ring-hydroxylating dioxygenase beta subunit
    NRULE_0056 Cis-dihydrodiol dehydrogenase
    NRULE_0057 Ferredoxin reductase

トルエン分解 (トルエン 4-モノオキシゲナーゼ経路)

  • NFUNC_0007 Toluene degradation (conversion into protocatechuate via p-cresol)
    NRULE_0027 Multicomponent monooxygenase alpha subunit
    NRULE_0028 Multicomponent monooxygenase beta subunit
    NRULE_0029 Multicomponent monooxygenase gamma subunit
    NRULE_0030 Multicomponent monooxygenase gamma subunit
    NRULE_0031 Multicomponent monooxygenase gamma subunit
    NRULE_0032 Oxygenase electron transfer component
    NRULE_0033 Multicomponent monooxygenase effector protein
    NRULE_0034 Putative Rieske-type ferredoxin
    NRULE_0035 4-cresol dehydrogenase flavoprotein subunit
    NRULE_0036 4-cresol dehydrogenase cytochrome c subunit
    NRULE_0037 p-hydroxybenzaldehyde dehydrogenase
    NRULE_0038 p-hydroxybenzoate hydroxylase

トルエン分解 (キシレン モノオキシゲナーゼ経路)

フェノール分解

安息香酸分解

  • NFUNC_0017 Benzoate degradation (via hydroxylation by dioxygenase)
    NRULE_0032 Oxygenase electron transfer component
    NRULE_0034 Putative Rieske-type ferredoxin
    NRULE_0046 Benzoate 1,2-dioxygenase alpha subunit
    NRULE_0047 Benzoate 1,2-dioxygenase beta subunit
    NRULE_0055 Benzoate 1,2-dioxygenase electron transfer component
    NRULE_0057 Ferredoxin reductase
    NRULE_0082 1,6-dihydroxycyclohexa-2,4-diene-1-carboxylate dehydrogenase

ジベンゾチオフェン分解

  • NFUNC_0029 Dibenzothiophene degradation (via desulfurization)
    NRULE_0101 NADH-dependent flavin reductase
    NRULE_0103 Dibenzothiophene-5,5-dioxide monooxygenase
    NRULE_0104 2'-hydroxybiphenyl-2-sulfinate desulfinase
    NRULE_0105 Dibenzothiophene monooxygenase

アントラニル酸分解

  • NFUNC_0018 Anthranilate degradation (via hydroxylation)
    NRULE_0032 Oxygenase electron transfer component
    NRULE_0034 Putative Rieske-type ferredoxin
    NRULE_0044 Anthranilate 1,2-dioxygenase large subunit
    NRULE_0045 Anthranilate 1,2-dioxygenase small subunit
    NRULE_0057 Ferredoxin reductase
    NRULE_0081 Anthranilate 1,2-dioxygenase electron transfer component

4-ヒドロキシフェニル酢酸分解

  • NFUNC_0068 4-hydroxyphenylacetate degradation
    NRULE_0085 4-hydroxyphenylacetate 3-monooxygenase oxygenase component
    NRULE_0086 4-hydroxyphenylacetate 3-monooxygenase oxygenase component
    NRULE_0101 NADH-dependent flavin reductase
    NRULE_0102 4-hydroxyphenylacetate 3-monooxygenase reductase component
    NRULE_0193 Homoprotocatechuate 2,3-dioxygenase
    NRULE_0194 Homoprotocatechuate 2,3-dioxygenase
    NRULE_0195 5-carboxymethyl-2-hydroxymuconic-semialdehyde dehydrogenase
    NRULE_0196 5-carboxymethyl-2-hydroxymuconate Delta-isomerase
    NRULE_0197 5-oxopent-3-ene-1,2,5-tricarboxylate decarboxylase/2-hydroxyhepta-2,4-diene-1,7-dioate Delta-isomerase
    NRULE_0198 2-oxo-hepta-3-ene-1,7-dioate hydratase
    NRULE_0199 2,4-dihydroxyhept-2-ene-1,7-dioate aldolase

ナフタレン分解

アニリン分解

（更新日 2015/07/22）