生産と技術

第59巻第１号（2007）

大学院理学研究科化学専攻研究室紹介

生物無機化学研究室
鈴 木 晋 一 郎

＊Laboratory for Bioinorganic Chemistry, Department of Chemistry, Graduate School of ScienceKey Words：Bioinorganic Chemistry, Coordination Chemistry, Metal Proteins, Model Complexes

は困難であった．従って，このアンモニア合成法開１. はじめに発の恩恵は極めて大きいが，反面，多量の食料生産

我々の研究室は，銅イオンを主たるターゲットとのための合成肥料の多量使用による環境汚染の問題した生体系金属の構造と機能の研究を行っている．

が地球規模で起こりつつある．すなわち，大気中の研究室のルーツが錯体化学にあるため，金属タンパN2OやNO濃度の増加であり，これは畑等に投入された合成肥料から NO3-を利用する脱窒菌などの微ク質の遺伝子工学的な研究，X線結晶構造解析やキャラクタリゼーションの研究と共に，低分子錯体をして行っている．当研究室のスタッフは，鈴木の他，生物によるものとされている．すなわち脱窒菌は菌体内でNO3 をN2に還元して大気中に放出する嫌気呼吸（脱窒）によりA T Pを獲得している( N O 3-→

金属タンパク質と金属錯体の両方を扱っている山口NO 2 →NO→N2O→N2）．しかし，一部，N2OやNO

和也助教授と，金属タンパク質を遺伝子工学的手法が放出されるので，人類が食料生産のために多量にと結晶構造解析により研究を行っている野尻正樹助

投入する肥料によって，脱窒菌の活動が活発になる手の２名である．以下に，研究内容について紹介すとこれらのガスが多量に放出されことになる．特にる．

N 2 OはCO 2 の約2 0 0倍の温室効果があると同時に，用いる活性中心のモデル化，機能発現の研究も平行

オゾン層破壊の原因の一つと言われている．これら

２. 研究概要の現象は徐々に進行するため，現在のCO2やフロン

21世紀の地球人口，約6 0億人を支える基盤としなどとは違いあまり注目はされていないが，今後，て食料生産がある．多量の食料生産が可能になった人類が直面する深刻な問題になるものと考えられのは，ハーバー・ボッシュのアンモニア合成法による．脱窒菌由来の金属タンパク質の研究とそれらをる．この方法で合成肥料が作り出される前は，人類含む脱窒代謝系の研究には，このような背景がある．

を含めた動物は，植物を通して微生物を主役とする自然界の窒素サイクルに依存してNを得ていた．生

我々は，養豚場の排水から分離されたメタノール体を構成している元素のうち，C，H，Oの３つにを炭素源とし，脱窒によりATPを獲得するC1資化

ついては生物が簡単に利用できる形で自然界に豊富性脱窒菌（メタノール，硝酸塩，微量金属塩とそのに存在するのに対して，Nはその大部分が気体とし他の無機塩で培養できる）， H y p h o m i c r o b i u mて大気中に存在し，しかも安定なために利用するの

d e n i t r i f i c a n s のC１資化性系と脱窒系を結びつける図１のような代謝系を見出した．すなわち，メタノールはメタノール脱水素酵素（MDH）によりホル＊S h innichiro SUZUKI

1946年８月生
1 9 7 4年大阪大学・大学院基礎工学研究科・合成化学専攻・博士課程修了
現在，大阪大学大学院理学研究科・化学専攻，教授，工学博士，生物無機化学
TEL 06- 6850 - 5767
FAX 0 6 - 6 8 5 0 - 5 7 8 5E-mail：bic@ch.wani.osaka-u.ac.jp

ムアルデヒドに酸化されるが，その際に生じた電子は，２つの電子伝達ヘムタンパク質，シトクロムc L（Cyt c L ）とシトクロムc 5 5 0（Cyt c 5 5 0 ）を経て，銅型亜硝酸還元酵素（NIR）と銅型亜酸化窒素還元酵素（N2OR）に渡され，還元反応に用いられる．これまでの研究により，上述の全ての金属タンパク質54

生産と技術図１

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C1資化性系と脱窒系を結びつける電子伝達系のX線結晶構造解析が完成した．それぞれの分子構造が明らかになると，タンパク質間の相互作用と電子移動機構を解明する手がかりが得られるので，現在，種々の物理化学的測定により構造・機能相関を検討中である．この菌株からのMDH（Caイオンと補因子PQQを含む）とN 2OR（複核銅部位を持つ）
は，従来から報告されている酵素と類似した構造であるので，ここでは，新奇な構造であることが明らかになったNIRについて，最近の研究成果について
図１ HdNIRの分子全体の６量体構造と単量体構造述べる．
銅型NIRは，NO2 をNOとH2Oに１電子還元する３量体構造をとり，それらを３つの対をなしたN末酵素で，脱窒過程において気体生成物を生じる最初端領域が結びつけている．また，単量体中で，N末の酵素であるため，脱窒のkey enzymeである．こ端とC末端領域を繋いでいる31アミノ酸残基からなれまでに報告されている脱窒菌からのNIRは，分子る長いループがある．さらに，HdNIRは水溶液中量37 kDaの単量体あたり「電子供与タンパク質かでも６量体超分子構造をとっていることが，分子量ら電子を受け取るtype 1 Cu」と「type 1 Cuから電測定から明らかになっている．

子を受け取り，基質を還元するtype 2 Cu」を1つずつ含んだ三角形型三量体構造をとっている．これに対して，Hyphomicrobium denitrificans からのNIR（HdNIR）は，これまでに知られているNIRと比べて，ca. 50 kDaと大きく，さらにもう１個のtype 1 Cuを持っている．我々は，本学工学研究科の甲斐泰教授，井上豪助教授との協同研究によってHdNIRのX線構造解析（分解能2.2Å）に成功した．
HdNIRは，その一次構造の解析から，植物由来のプラストシアニンに類似した14 kDaのN末端領域（type 1 Cu Nを１個含む）と，これまでに知られて図２ 銅イオンの配置と各タイプ銅の構造

いるNIRに類似した35 kDaのC末端領域（type 1Cu Cとtype 2 Cuを１個づつ含む）からなることが図２は，18個の銅イオンの配置（a）と，その銅明らかになっていた．図１はHdNIRの分子全体の部位の構造である．bに示したtype 1 Cu Nは２つの６量体構造と，それを構成している単量体の構造をHis，Cys，MetとGlnの主鎖のカルボニル酸素が配示す．

位した三角両錐型五配位構造である．このタイプのこの分子は砂時計型構造であり，その上部と下部は構造は，NIRではこれまで知られていない．これにこれまでのNIRと同様，３つのC末端領域からなる対して，cに示したtype 1 Cu C部位は，２つのHis，55

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Cys，Metが配位した平面に歪んだ四面体構造で，めに，複雑な電子移動が起こるようであるが，今後，type 2 Cuは３つのHisと１つの水分子が結合した歪

詳細な実験によって，酵素の電子移動機構を明らかんだ四面体構造である．２つのCuの距離は12.6 Åにすると共に，脱窒菌のペリプラズムに存在していであり，これら２個の銅原子間にタンパク質内電子るHdNIRが，何故このような超分子構造をとって移動が起こり，type 2 Cuに配位した基質が還元いるのかを明らかにしたいと考えている．

されると考えられる．

３. おわりにこれらの銅部位の機能を調べるために，HdNIRへの電子供与タンパク質であるシトクロム c 5 5 0

以上，今回明らかになった新奇な構造を持つNIR（Cyt c 5 5 0 ）を用いたストップトフローの研究や，について述べたが，このタイプのNIRは，最近のゲ

本学産業科学研究所の田川精一教授，小林一雄博士

ノム解析によって，病原性の微生物にも含まれていとの協同によるパルスラジオリシスの研究を行ってることが明らかとなっている．その一つとして，ニいる．それによると，還元型Cyt c 5 5 0 は，type 1

キビ菌のNIR遺伝子がこのHdNIRのものに極めて類

Cu Cの近傍のくぼみに結合し，速い電子移動過程と似している．本研究は，環境化学的な観点から端をしてtype 1 Cu Cに電子を渡すが，遅い過程として発しているが，今後は，創薬などの医学的な観点かtype 1 Cu Nにも電子を渡すことが推測された．一方，らも研究を発展して行きたいと考えている．また，

パルスラジオリシスの研究においては，メディエー紙面の都合で述べることが出来なかったが，NIRのタとして用いたN-メチルニコチンアミドラジカルがtype 2 Cu部位のモデル錯体を合成し，酵素反応の優先的にtype 1 CuNに渡し，遅い過程としてtype 1様に電子移動を伴って基質を還元する機能性錯体のCu Cにも電子を渡すという逆の結果が得られてい研究も行っている．

る．本酵素では１分子あたりの銅活性中心が多いた56