3A14
植物体内におけるエチレン生合成機構に関する理論的研究 4(立教大理a・エコール・ノルマル・シューペリウールb)○伊藤三香a，李秀栄b，常盤広明a【序】‫ݏ‬素反応に見られる‫ݗ‬効率、‫ݗ‬選択性を人工的に実現することは、化学者のସ年の夢であり、‫ݏ‬素反応の機構をӕ明することは、化学の最も重要なӀ題の一つである。‫ݏ‬素反応の‫ݗ‬効率、‫ݗ‬選択性は、‫ݏ‬素—基ࡐ間に働く水素結合やファンデルワールス力といった弱い相互作用による遷移状態の安定化により説明されており、最‫ؼ‬では、局所的な水分子を介した基ࡐ‫ؼ‬傍の水素結合ネットワークについて、その役割が盛んに議論されている。一方、これまで得られたৌ的な描像に加え、基ࡐを含む、活性中心‫ؼ‬傍の柔ఫな構造変化が‫ݏ‬素活性で重要な役割を果たすことが示唆されている。さらに、基ࡐ配向性の小さな変化が反応速度に大きな変化をもたらすことは興味深い。 1水分子を含む基ࡐ—‫ݏ‬素間相互作用の微視的描像を明らかにし、その変化と活性中心の構造変化、及び反応機構との相関を考察することで、‫ݏ‬素反応機構の本ࡐに迫れるものと期待される。
本研究では、‫ݏ‬素によって触媒される生物体内反応の中でも、単純かつ洗練された反応の一例として知られている、エチレン生合成反応に着目する。エチレンは、植物の成ସや発展において重要な役割を果たす植物ホルモンとして知られ、その生合成経路については多くの
実 験 的 研 究 が な さ れ て き た 。 2 し か し 、 こ の 反 応 を 触 媒 す る ‫ ݏ‬素 で あ る 1aminocyclolpropane-1-carboxylic acid oxidase (ACCO)は、೪常に不安定な೪ヘム鉄タンパクࡐである。活性中心‫ؼ‬傍の詳細な構造、および反応機構については未だ十分明らかでない。
本研究では、実験的に知られている生CO2CO2ring opening
proton transfer
合成経路のうち、反応に不可欠な中間体
NHNH2+ •ACC oxidase•とされるACCアミンカチオンラジカルか
ACC amine radical
らの酸化的な分ӕ(Scheme1)に着目する。 ACC amine cation radical
初歩的な段階として、ACCと水６分子かCO2electron transfer
C2H4 + HCN + CO2•
らなるモデル系を考え、活性中心を取りNH
ascorbatedehydroascorbate
巻く水素結合ネットワーク環境の変化が、
ring-opened radical
ラジカル種の安定化、及び反応機構に及Scheme 1. Reaction pathway of ethylene biosynthesis.
ぼす影‫؜‬について量子化学‫ڐ‬算を行った。
【方法】量子化学‫ڐ‬算には、波動関数として密度汎関数B3LYP法を、基底関数としてPopleらの6-31+G**を用いた。アミンカチオンラジカルからのエチレン脱離反応について、孤立系及び、周辺との相互作用下での反応のポテンシャルエネルギー曲線を求めた。周辺との相互作用は、連続誘஢体モデル(ε=20.0) 3 、及び水６分子との相互作用を考えた。反応経路は、固 有 反 応 座 標 (intrinsic reaction coordinate; IRC) ӕ 析 に よ り 求 め た 。 全 て の ‫ ڐ‬算 に は 、GAUSSIAN98を使用した。
【結果】
１）ラジカル種の安定化反応に不可欠とされるACCアミンカチオンラジカルに対して、孤立系及び相互作用系において構造最適化を行った。(Figure 1) 孤立系、及び連続誘஢体モデルを用いた相互作用系では、スピンがカルボニル基上に分布しており、アミンカチオンラジカルは安定種として求まらない。一方、水６分子との相互作用系では、スピンが主にアミン上に分布している。このことから、アミンカチオンラジカルが安定に存在するためには、基ࡐ周辺との局所的な相互作用が必অであることが伺える。
２）反応機構に及ぼす局所的相互作用の影‫؜‬
水６分子との相互作用下で反応のポテンシャルエネルギー曲線を求めた結果、エチレン生成は、１）アミンカチオンラジカルから周辺水分子へのプロトン移動、２）三員環の൉分壊裂を経て、３）エチレン放出へと至ることがわかった。２）の三員環の開環反応について‫ڐ‬算された速度定数は9.01 109s-1 (298.15 K)であり、実験値 >108s-1 (298.15 K) 4 と良い一致を示す。１）のプロトン移動によって、水素結合ネットワーク構造が大きく変化する。この変化によって、基ࡐ൉分の遷移状態及び中間体の構造は、孤立系のものと顕著に異なる。孤立系では、基ࡐのNCCO൉分がほぼ平面を保ったまま反応が進行するのに対し、相互作用下ではNCCO൉分がねじれて反応が進行する。このことから、周辺環境との局所的な相互作用の存 在 に より 、 基 ࡐ ൉0.59
分 の 構 造が 柔 ఫ に 変
0.590.12(0.90)
O2(0.04) NO2(0.01) NN0.32-0.01
化 し う るこ と が 示 唆0.49-0.06 C2 C1-0.01
C2 C1C2 C1 O2 (-0.01)
0.02(0.09)(0.02)(0.07)(0.04)
0.05 (-0.25)
さ れ る 。ま た 、 １ ）
0.01
0.00
0.01
-0.01
-0.07
(0.02) C4(-0.01) C4
O1O1(0.00) C4
O1(0.04) 0.05(-0.16)(-0.08)の プ ロ トン 移 動 は 、
0.17
0.33
0.48
0.03 C30.00 C3
C3(0.02)(0.98)(0.43)(1.03)(0.00)(0.00)
そ の 後 に続 く エ チ レ
(a)
(b)
(c)
ン 生 成 過程 に 大 き な
Figure 1. The structures and atomic spin densities of the ACC amine cation radical in the isolated
影 ‫ ؜‬を 及す も の と 考 system (a), aqueous solution using the PCM (b), and hydrogen-bonding network (c) optimized at theB3LYP/6-31+G(d,p) level. The numbers in parentheses are those obtained at the MP2/6-31+G(d,p) level.
えられる。
【考察】小さなモデル系の‫ڐ‬算に基づく描像ではあclockwork movement
るものの、基ࡐ周辺の構造変化が、基ࡐ൉分の構造、crescent-like water-chain及び反応機構に著しい影‫؜‬を及ぼすことは興味深い。
生体内の環境では、‫ݏ‬素の柔ఫな構造変化が、水素結合などの弱い相互作用を介して、基ࡐの構造や反応機構を巧みに制御しているものと考えられる。本
モデル系の構造は、三日月形の水の鎖を時‫ڐ‬のସ針に見立てると、ସ針の動きによって、短針にあたる
基ࡐ൉分の動きが誘発されているように見える。しhour hand
たがって、「時‫ڐ‬仕掛け」の立体配座変化を伴う反minute hand
応機構と見て取れる。(Figure 2) 今後、‫ݏ‬素反応場をより現実的に記述し、QM/MM‫ڐ‬算などを用いて、
Figure 2. Proposed crescent-like water-chain clock‫ݏ‬素反応場の構造変化と、基ࡐの構造及び反応機構 model for ethylene biosynthesis.との関連を検討してゆく。
【参考文献】
1 Mesecar, A. D.; Stoddard, B. L.; Koshland, D. E., Jr. Science 1997, 277, 202–206.
2 Rocklin, A. M.; Tierney, D. L.; Kofman, V.; Brunhuber, N. M. W.; Hoffman, B. M.; Christoffersen, R. E.;
Reich, N. O.; Lipscomb, J. D.; Que, L. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 7905–7909.
3 Antosiewicz, J.; MacCammon, J. A.; Gilson, M. K. Biochemistry 1996, 35, 7819–7833.
4 Pirrung, M. C. Acc. Chem. Res. 1999, 32, 711–718.