生体内酸化反応機構研究における新展望
New Insight into Mechanism of Biological Oxidation Reactions

山形大学理学部 教授

西田 雄三
YUZO NISHIDA

Yamagata University, Faculty of Science, Department of Material and Biological Chemistry, Professor

持ちである。

1．はじめに

これまでの酸素添加酵素の反応機構解明では、まず酵早石・Mason教授らによって［酸素添加酵素］が発見さ
1）

素の金属イオンと酸素分子との反応からいわゆる「活性酸

れてから50年がたった 。当初はキノコや緑膿菌に限られ素種」が形成し、それが基質と反応するという考え方で研た酵素と考えられていたが、その後の研究でこれら「酸素究が進められてきた。そして多くの一原子酸素添加酵素

添加酵素」
は、広く地球上で酸素分子を利用する生物にでは、「活性酸素種」
は高原子価金属イオンと切断されたとって非常に重要な酵素であることが明らかにされ、その酸素分子由来の酸素原子を含むと考えられている。しか1）−4）

重要性は現在でもますます広がっている

し、モデル反応および最近の生体酵素の反応に関する研。

酸素添加酵素は、いわゆる有機物に酸素分子の1個、究から、①ESO2またはESCO2複合体（E, S, 及びCは、酵または2個の酸素原子を導入する反応（式1、式2）を触媒

素、基質、および補酵素を示す）の形成に周辺基・基質する。式中、Sは基質（有機物）を指す。

が大きく関与している、②ESO2またはESCO2複合体中での酸素分子誘導体の反応性は金属イオンの周りの周辺

S ＋ O2 → SO

一原子酸素添加酵素（式1）基と基質に依存しており、とくに基質の化学的性質が反応

S ＋ O2 → SO2

二原子酸素添加酵素（式2）

機構・生成物を決定している、ことなどが明らかにされつつある。これらの事実は、酸素添加酵素の多様な反応性は、

もちろん空気中で酸素分子と反応する有機物も少なく

ESO2（またはESCO2）複合体中での酸素分子誘導体と基はないが、我々のからだの構成成分、アミノ酸・核酸塩基質を含めた周辺有機物との相互作用が多様であることがなどは酸素分子とは直接反応しない。しかし生体内では原因であり、その相互作用の結果として酸素−酸素結合

このように空気中では反応しない有機物の酸素化反応がが切断されると考えるべきであることを示唆している。

生命活動を維持するために絶対に必要であり、我々人

ここではモデル反応に関する結果を中心にして述べる類を始め地球上の生物は「酸素添加酵素」とは切ってもが、「まず酵素の金属イオンと酸素分子との反応からいわ

切れない関係にある。

ゆる［活性酸素種］が形成し、それが基質と反応するとい通常では有機物とは反応しない酸素分子が酵素によっう従来の考え方」の是非を検討して欲しいと思う。

て触媒され反応するので、当然その機構解明が化学者の注目の的となった5）。非常に多くの「酸素添加酵素」が2．チトクロムP-450の反応機構の研究

1）発見されたいま、実に多くの機構が提案されてきた 。確2かに、多くの「酸素添加酵素」が存在するので、多くの数多くある「酸素添加酵素」研究の中でも多くの研究「反応機構」が存在するのも理解できるが、しかし、なに者が注目した酵素のひとつが表題のチトクロムP-450でかそこに「共通項」がないかを求めたいのも研究者の気あろう6）−10）。ヘム鉄を含むことと人体での重要な作用のTHE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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観点から、生化学者のみならず多くの化学者が機構研に酸素分子がプテリンと反応して、プテリン-OOH体が形究に加わった。その中でも、1983年にGrovesによって提成され、それが鉄（II）
イオンと作用してO-O結合の切断と案された機構8）が注目を浴び、現在でも多くの教科書に

ともに、Fe（IV）=O種が形成し、それがチロシンと反応してこの機構が示されている。

一個の酸素原子の添加反応が進行するというものである。

Groves機構は、図1に示したとおりである。要点は中間で生成するFe（III）-O22-鉄（III）-パーオキサイド付加体）
が、プロトンと反応してO-O結合が切れ、高原子価鉄オ
キソ種（この場合Fe（V）=O）が生成し、それが基質（カンファーを基質とする酵素で最初に指摘された）と反応して、オキソ酸素原子が基質に移動して、酸素添加反応が終わるという考えである。

図1 Groves 機構
図2 Fitzpatrickらの機構最初Grovesによって提案された高原子価鉄オキソ種（Fe（ V）=O）は、現在ではFe（ IV）-porphyrin ラジカル
10）

多くの「酸素添加酵素」の反応機構の解明にはそこに（Compound I）と考えるべき と修正されているが、まずO-「共通項」を見出し、それを基にして統一的に考えたいとO結合の切断を考え、そして高原子価鉄オキソ種という活いう考えは理解できるが、ただそれが正しければである。

性種が生成するという考え方は、現在でも多くの他の酵素

残念ではあるが最初にGrovesによって提案された高原子反応機構解明に引き継がれている。たとえば、同じ一原

価鉄オキソ種（Compound I）
は、現在でもチトクロムP-450

子酸素添加酵素である、メタンモノオキシゲナーゼ（MMO）の酵素反応中では見出されていない10）。もちろん、反応の反応機構11）（式3）においては、Compound P（二核鉄中に見出せないから、その機構が間違っているとはいえな（III）種のパーオキサイド付加体）がプロトンと反応して、O-

いが、以下に示すように、もともとこの機構は大きな問題点

O結合が切れ、高原子価鉄種（この場合はFe（ IV）のを含んでいた。

Compound Q）が生成し、それがメタンと反応すると信じら

私は化学者の立場から、このGroves機構に異議を唱えてきた。まず、第一は鉄（III）- パーオキサイド付加体がプれている。

ロトンと反応して、O-O結合が切れるという過程である。ご承知のように、酸素分子でO-O結合が切れるのは3電子
（式3）

P

Q

移動が起きて始めて起きるのである。プロトンとの反応過程では、電子移動は関係していない13）。プロトンとの反応

R

で pull and push機構が作用するという考えが出されているが、まともな議論ではない。

同じ考え方が、チロシン水酸化酵素でも引き継がれてい次に指摘したいのは、チトクロムP-450で言えば、鉄12）る。
この酵素に対するFitzpatrickらの機構を図2に示した 。

（III）-パーオキサイド付加体が生成したときの周辺環境に

この場合、補酵素（プテリン）が反応に関与するが、最初注意すべきである。すでに知られているように、チトクロムP-

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3

450では、反応の開始となる電子移動は基質の接近で開Fe2（HPTB）（OH）4+種（図5）は適当なモデル錯体のひと始される。たとえば 、カンファーを水 酸 化 するP - 4 5 0

つであるといえる16）。

（P450CAM）では、電子が移動する時点（鉄（III）
・パーオキ
サイド付加体が生成する直前の構造）では、図3のような構造になっている14）。

4+
図5 FeIII2（HPTB）
（OH）
の構造

この二核鉄（III）錯体に過酸化水素を加えると、いわゆるCompound Pのモデル化合物を得ることができる（後
図3 カンファーを水酸化するチトクロームP-450鉄（III）
・パーオキサイド付加体が生成する直前の構造にQue等によってその誘導体の構造決定がなされた17））が、ここで注目して欲しいのは、Fe2（HPTB）（OH）4+から電子移動反応を伴って鉄（III）-パーオキサイド付加体得られるパーオキサイド付加体は水中でも有機溶媒中でが形成されたとき、それは周辺基（とくにスレオニン252なも安定で、その青色は長時間保持できる。酵素中とビーど）や、基質（この場合カンファー）と相互作用できる状態

カー中とでは環境が違うといわれればそれまでではあるにある。Groves機構ではこのような状況はいっさい考慮が、この二核鉄（III）-パーオキサイド付加体の水中での安されていない。私は、この状態における鉄（III）-パーオ

定性からみて、それがプロトンと反応してO-O結合が解裂

キサイド付加体と基質との反応性の重要性を最初に指摘するという考えには、とても承服できない。O-O結合の切

した

15）

。そして、このときの鉄（III）-パーオキサイド付加

体の反応性で重要なのは、その電子親和性であることを
EHMO計算で指摘した（FeIII（NH3）5（OOH）のLUMOとVの挙動は非常に似ている。
Fe =O（NH3）5のLUMO（図4）

断には、電子供与体が必要で、それは基質・周辺基であると指摘してきた13）、18）−22）。
同じようなことがチロシン水酸化酵素でも見出されている。この酵素では、基質であるチロシンが存在しなければ鉄（II）
イオンと酸素、酸素とプテリンとの反応が進行しない 23）。この酵素の反応過程で指摘されている鉄（IV）
イオン状態が生成するためには酵素の鉄イオン上の電子密度がかなり高くなる必要があるが、結晶構造12）から見てそれはリポキシゲナーゼのそれ（6章、参照）よりも少ないと推測できる。リポキシゲナーゼの反応の時でさえ、鉄（IV）
イオン状態のことが議論されない現状で、チロシ

図4 FeIII（NH3）
（OOH）
（左）
とFeV=O
（NH3）
（右）
のLUMO
5
5
（Polyhedron, 13（1994）, 2473）ン水酸化酵素でそれを議論することは無機化学者としては容認できない。Fitzpatrickらは、チロシン接近による蛋

4

メタンモノオキシゲナーゼに関するQueの機構では、

白の構造変化が反応の開始に重要であると述べている

Compound P（二核鉄（III）-パーオキサイド付加体）はプが、単純に彼の機構で反応が理解できるというものではロトンと反応してO-O結合が切れると主張されている。本ないことは明らかである。

当だろうか。いくつかのMMOの鉄（III）状態での構造は一般に酵素反応では、酵素と基質の複合体形成の重解っているが、それから判断して、私が最初に合成した、要性が指摘され、このことは常識である。これを酸素添加

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酵素に当てはめれば、複合体はESO2とかける。ここから反応が進行するのであるが、Groves、Que、Fitzpatrickらの機構では、この複合体形成の意義を無視し、まずEO2（またはECO2）でいわゆる活性酸素種が生成し、それが基質と反応すると考えている点に問題がある。
最近になって、酵素の構造解析の結果が増え、その結果、反応過程における基質・周辺基の関与の重要性を指摘する論文が目立つようになってきた24）−26）。ここでは、酸素分子が関与する反応における基質・周辺基の重要性を、モデル反応から得られた結果を中心に述べる。
図6 銅
（II）
錯体合成に使用された配位子の構造

3．周辺構造・基質が支配する銅（II）−パーオキ
サイド付加体の反応性
チトクロムP-450, メタンモノオキシゲナーゼ、ドーパミ
ン−ベータ−水酸化酵素などの反応過程で金属イオン−
パーオキサイド付加体が形成される場合が指摘されているが、これは電子移動を含めた一原子酸素添加酵素の反応（式4）から理解できる。式4は、反応途中で過酸化水素が形成されていることを意味するので、私は金属イオ
ン−パーオキサイド付加体がどのような性質を持っているか

図7 Cu（bdpg）
Cl+の構造を集中的に調べた。
S + O2 + 2e + 2H+ → SO + H2O（式4）

私が研究対象としたのは銅（II）、鉄（III）錯体である。
最初に銅（II）錯体から述べる。錯体では、配位子が必要であるが、議論をしやすくするために、金属イオンの配スキーム I パーオキサイド付加体

位環境は同じにして、周辺部位（過酸化水素と相互作用できる部位）だけを変えるようにした。実際のもので見ていただくとわかる。

成したとき、パーオキサイドイオンは、配位子といろいろな相

一連の配位子の構造を図6に示した。そして代表例と+スキーム I）が形
さて、このようなパーオキサイド付加体（ス27）

してCu（bdpg）Cl 錯体の構造を図7に示した互作用が可能である。たとえばCu（bdpg）錯体では、水。銅（II）

素結合が可能であるが、その可能性はO（カルボニル）-

イオンの平面配位の4つの位置は同じで、3個の窒素原

Cu-O（パーオキサイドイオン）の角度（以後角度O-Cu-Oと子（脂肪族アミンと2個のピリジン環の窒素原子）と塩化物呼ぶ）やCu-O（カルボニル酸素）の距離に依存すると予想

イオンである。そして5番目の配位座はリガンドのカルボニされる。残念ではあるが、われわれはこの付加体をすべて

ル酸素原子がきている。ここまでの構造は全ての配位子結晶として単離できないので、角度・距離の効果をこれ以（（tpa）は除く）で同じである。これらの錯体の溶液に、過上議論できないが、この溶液に基質を加え、反応生成物

酸化水素を加えると、平面内の塩化物イオンが過酸化水を調べることで、上の議論ができる。

素と置き換わり、銅（II）−パーオキサイド付加体が形成するように設定されている。

銅（II）錯体の溶液にシクロヘキサン・過酸化水素を加え、酸素化物（シクロヘキサノール、シクロヘキサノン）
を定THE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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量するとそこに大きな差が出てくる27）（図8の活性化の順

じで、違いといえば、Cu（pipy）錯体の周辺のシクロヘキ

序を参照されたい）。

サン環の炭素原子が、Cu（mopy）錯体では酸素原子になっているだけである29）。

図8 錯体の活性化の順序：Cu（bdpg）> Cu（dpgs）>> Cu
（tpa）
〜0

Cu（tpa）錯体は過酸化水素と水素結合できる部位を持たない（パーオキサイド付加体形成ができない）ので、シクロヘキサンの酸素化に活性がないのは理解できる。Cu（bdpg）とCu（dpgs）の差は、後者の錯体では角度O-Cu-O。

図9 Cu（mopy）
ClとCu（pipy）
Cl錯体の構造スキーム I, 参照）が大きい（101 ）のでCu（bdpg）錯体と（ス
比較してパーオキサイド付加体が形成しにくいことで説明

しかし、この2つの錯体は、過酸化水素存在下でのされている。もちろん角度だけでは議論できないが（錯体TMPNとの反応でまったく違った挙動を示す。図10にあるの電荷・Cu-O距離の影響）、明らかなことは、銅（II）錯体

ように、大きなESRシグナルはCu（ mopy）錯体に観測されに過酸化水素を加えて活性酸素種が生成し、それが基

るが、Cu（pipy）錯体にいっさい見られない。これは、パー質（今の場合、シクロヘキサン）と反応するという単純なオキサイド付加体形成が、配位子のごくわずかな変化で考えは通用しないということである。

誘導されてくるという事実を示し、微少な周辺基の違い

基質としてスピントラップ剤を用いると、シクロヘキサンとが銅（II）錯体−パーオキサイド付加体の形成・反応性をはまったく異なった結果が得られる。ここではTMPNとい支配していることを示す貴重なデータである。同様な反う通常一重項酸素（ 1Δg ）検出用の試薬を用いた結果

応性における違いがDNA切断反応でも見出されている（式5）について述べる。

ことは興味深い 30）。これらの錯体溶液のESRを詳しく見てみると、過酸化水素付加体形成は、TMPN（ここでは基質である）の添加で誘導されており、いわゆるESO2体の生成が重要であることを示している28）、30）。
（式5）ナイトロンラジカル形成に伴って3本のESRシグナルが観測できる。奇 妙なことに、過 酸 化 水 素とC u（ b d p g ）C l 、
TMPNを混合しても、シグナルは見えない。ところが、Cu（tpa）Cl、TMPNの溶液に過酸化水素を加えると、ESRシ
グナルの増大が観測できるのである。これは、TMPNはCu（bdpg）錯体で予想されるパーオキサイド付加体とは反応しないこと、Cu（tpa）錯体の溶液では、Cu（bdpg）錯体に予想されるのは違った付加体が形成され、そしてそれはTMPNの存在下で初めて形成することを示唆している28）。
これをもう一度、Cu（mopy）ClとCu（pipy）Cl錯体で見てみよう。これらの2つの錯体の構造（図9）はまったく同

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図10 Cu（mopy）
Cl、TMPN及び過酸化水素混合溶液のESRスペクトル生体内酸化反応機構研究における新展望

次にパーオキサイド付加体が蛋白のC-N結合を切断でことを示す格好の例である。

きることを示す例（図11）を挙げる。Cu（Me-bdpg）Clという錯体は、（bdpg）配位子の末端にペプチド結合でメチル基がついたものである（図6）。この錯体Cu（Me-bdpg）Cl
錯体に過酸化水素を加え、パーオキサイド付加体ができると、このパーオキサイドイオンは末端の基に接近する。
このとき、加水分解が起きれば、Cu（ Me-bdpg）錯体からCu（dpal）錯体が形成し、C-Nのペプチド結合の酸化的切断が起きればCu（ bdpg）錯体が生成する。実際に

図12 35位のメチオニンの硫黄原子の酸素化

は、Cu（dpal）の生成は見えず、形成するのはCu（bdpg）
錯体のみであった31）。これはCu（II）-OOH種は、蛋白のC-N結合を酸化的に切断できることを示している。

図13 Cu（bdpe）
CI錯体の構造 Cu
（2）
-O
（2）
,2.481Å
図11 パーオキサイド付加体が蛋白のC-N結合を切断する事例

これは、Cu（bdpg）Cl錯体とアミロイド蛋白（1−40）との溶液に過酸化水素を混合すると、アミロイド蛋白（1−40）

4．周辺構造・基質が支配する鉄（III）−パーオキ
サイド付加体の反応性

32）が分解・消失するという事実と一致する 。Cu（tpa）錯体
ではこのような変化を観測できない。このCu（II）-OOH種

銅（II）錯体で見られたのと同様の結果が鉄（III）錯体の反応性についてのわれわれのDFT計算によれば、角度でも得られているが、ここでは2〜3の例を示す。最初にフェスキーム I、参照）
O-O-H（スに大きく依存し、この角度が小ノール基を含む鉄（III）錯体に関する結果について述べる。

さいほど酸化的切断が可能という結果を得ている20）。こ配位子として用いたものの構造を図14に示した。

れはCu（II）-OOHの反応性は、Cu（II）-O（カルボニル酸素原子）の距離に依存することを示唆している。これを支持している例を示す。
Cu（bdpe）Cl錯体は、カルボニル酸素原子にエチル基がついている（図6参照）。構造解析の結果から、この錯体のCu（ II）-O（カルボニル酸素）は、2.48Å（平均）と、
Cu（bdpg）Cl錯体のそれ（2.287Å）
よりずっと長いことがわ
かっている33）。この環境下ではパーオキサイド付加体での

図14 フェノール基を含む鉄（III）錯体の配位子

角度（O-O-H：Oは過酸化水素分子の酸素原子：図12）
は、Cu（bdpg）
Cl錯体のそれより大きくなると予想される（図13）。
この錯体と過酸化水素、アミロイド蛋白（1−40）を混合す

フェノール基の配位を含むので、いずれの鉄（III）錯体
も紫色系の濃い色を示す34）。

ると、Cu（bdpg）錯体とは違ってアミロイド蛋白（1−40）はこれらの鉄（III）錯体の溶液に過酸化水素を加えてい分解されず、35位のメチオニンの硫黄原子の酸素化（図くと、いくつかの錯体ではその特有な色が消失していく。

33）12）が大きく促進されることが明らかになった。これは、

それは、鉄（III）
イオンへのパーオキサイド付加体の形成

Cu（II）-OOHの反応性は周辺基でコントロールされているを伴って、そのパーオキサイドイオンがフェノールと反応し、THE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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フェノール環の分解によることが、マススペクトルの解析か

この中で、Fe（ III）（- nta）錯体を動物に投与すると、ら明らかになった35）。ここで重要なのは、パーオキサイド

100％発ガンすることが判っている。一方、構造は同じであ付加体形成が、フェノール環上の置換基、Ｘに大きく依存

るが、Fe（III）（pac）
錯体を動物に投与しても、発ガンも障していることである。電 子 吸 引 基 、たとえばニトロ基害もまったく起きない37）。これは、後者の（pac）配位子にピ（X=5-NO2, 3-NO2）がつくと、フェノール環の分解は極端

リジン骨格が存在するために起きる現象で、このように周に遅くなり、逆に電子を押し出す基、例えば3-メトキシ基辺基の効果が生体内での多くの病気の発症とも密接に関の場合は、フェノール環の分解が非常に早くなる。すでに、連している37）（6章）。

この種のパーオキサイドイオンは［電子親和性］を示すことが示唆されているが、HOMOエネルギーの高いフェノー
ル環との電子的相互作用（図15）を介して、パーオキサ

5．電子移動のない二原子酸素添加反応での周辺基・基質の効果

イド付加体の形成が促進され、フェノール環の酸素化・分解が進行するのである35）。

酸素添加酵素は一原子酸素添加酵素と二原子酸素

このような状態でパーオキサイドイオンは活性化される添加酵素に分類されているが、反応機構から言えば、大ので、アルカン類の酸素化反応は、フェノール環上のＸにきな違いがある。一原子酸素添加酵素では、式4で示しより依存すると予想される。実際、この種の錯体によるたように、電子移動とともに過酸化水素の生成が起きてシクロヘキサンの酸素化は、X＝H，3-CH3Oで高い活性いる。これに対して、二原子酸素添加酵素では、式2で36）が見られ、X＝5-NO2, 3-NO2錯体にはその活性はない 。

示されるように、純粋に酸素分子のみが反応に関与し、電子の授受は関与しない。

S ＋ O2 → SO2（式2）

一例としてリポキシゲナーゼをみてみよう。この酵素は不飽和脂肪酸の過酸化反応を触媒する酵素（図17）で、その多様な機能は生体防御を研究する上で重要である。
図15 ＨＯＭＯエネルギーの高いフェノール環との電子的相互作用

次に二核構造鉄（III）錯体の例を挙げる。配位子の構造を下に示した。
（nta）、（pac）などの鉄（III）錯体は、い（6章）。
ずれもオキソ架橋二核構造をとっている37）

図17 不飽和脂肪酸の過酸化反応

大豆由来のリポキシゲナーゼについては構造決定がなされており、その配位構造も明らかになっている（図18）38）。
この酵素の特徴は、酵素として単離されたときの鉄イオンは2価であるが、空気中でもこの鉄（II）
イオンは酸素分子とは反応しないことにある。しかし、酵素活性の出現のためには鉄（III）
イオンに酸化されなければいけないが、現在
図16 二核構造鉄（III）錯体の配位子の構造

8THE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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でもその酸化剤は不明である。また、その鉄（III）
イオンが生体内酸化反応機構研究における新展望

どのようにして酸素分子の活性化を行うのかについては、れがオレフィンへの高いエポキシ化（図19）の原因であるこ

いろいろな機構が提案されているが、納得のいくものではとを指摘した40）。

ない38）。

図19 一重項酸素性（1Δg）酸素分子のオレフィンのエポキシ化への関与

ここで注目されるのは、次の事柄である。
図18 大豆由来のリポキシゲナーゼの配位構造①反応中ニッケル（II）
イオンの酸化状態には変化がない②ニッケル（II）
イオンの不対電子との相互作用を介して、現在認められている機構は、鉄（III）
イオンが不飽和脂酸素分子の反応性が大きく変化する

肪酸と相互作用して電子移動によってラジカル形成が起き③この反応でコバルト（II）
イオンやマンガン
（II）
イオンを用

スキーム II）、このラジカルが酸素分子と反応するというも（ス

いるとこれらの金属イオンは酸化される
（コバルト
（III）
イ

のであるが、①反応中の鉄（III）
イオンの酸化状態の変化

オンやマンガン（IV）
イオン）

が明白には捉えられていないこと、②反応中に生成した鉄（II）
イオンがどのようにして鉄（III）
イオンに酸化されるのか

オレフィンのエポキシ化は、図20に示した中間体の生成が説明ができていないことなどから、納得できる機構ではが起きるかどうかで決まる40）。通常のニッケル（II）水和物

ない。Coreyらは、鉄（III）
イオンと有機物が直接的に結の溶液でニッケル（II）
イオンの不対電子と酸素分子の不合したFe（III）-C結合を推定しているが、これも化学的な対電子との相互作用は、配位している水分子のため起き

原則・常識と矛盾している。Nishidaらは、鉄（III）
イオンがない。しかし、アルデヒド（高いHOMOエネルギーを持つ

酸素分子と相互作用する機構を提案し、それを支持する

系；ニッケル（II）
イオンへ配位する力が大きい）がニッケル

39）

データを発表している 。現時点では、ラジカル説が有力（II）
イオンに配位したとき、アルデヒド分子と酸素分子との視されているが、ここではNishidaらの従来の概念とはまっ相互作用を介して、酸素分子の不対電子とニッケル（II）

たく違った機構について述べる。

イオンの不対電子との相互作用が促進され、図20で示した酸素分子がニッケル（II）
イオンと結合した中間体が形成する21）。

スキーム II 鉄（III）
イオンと不飽和脂肪酸との相互作用

1991年、Mukaiyamaらは、ニッケル（II）錯体がアルデヒ
ドの存在下、オレフィンのエポキシ化に高い活性を示すこ

図20 オレフィンのエポキシ化に関与する中間体の生成とを発表した。この機構は合成化学者の注目を引いたが、最初に機構を提案したのがNishidaらである。Nishidaらは、

このニッケル（II）
イオンと酸素分子の不対電子との相アルデヒドのニッケル（II）
イオンへの配位に伴ってアルデヒド

互作用の結果、スキームIIIで示した軌道（ｂ）が形成すと酸素分子との相互作用が酸素分子のニッケル（II）
イオる。この軌道の形成は酸素分子が、部分的に一重項酸

ンへの配位を促進し、酸素分子のニッケル（II）
イオンへの素性を帯びることを示唆し、このためこの酸素分子に高配位を介して酸素分子が一重項酸素性（1Δg）
を帯び、こい反応性が出るようになる21）、40）。我々の実験から、Ni

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（acac）2/aldehyde/O2系の溶液に一重項酸素に特異的な結果水分子の位置に酸素分子が置き換わった複合体が試薬と反応する酸素分子の存在が実証されている40）。

スキーム IV）。
形成される（ス

スキームIV リポキシゲナーゼ反応における基質と酸素分子の相互作用

すでに述べたように、スキーム IVにおける酸素分子
は一重項酸素性を帯びる。次式のごとく、一重項酸素
性は、オレフィン化合物に容易に付加することは明らかにスキーム III ニッケル（II）イオンと酸素分子の不対電子との相互作用による軌道の形成なっているので、この中間体内で不飽和脂肪酸との反応
で過酸化物が生成し、この過酸化物が鉄（II）
イオンを酸化すると考えれば実験結果を合理的に説明できる40）。

この結果は、金属イオンの酸化状態が変化することなく酸素分子の活性化が可能であることが始めて明らかにされた意味で画期的な事実である。ここで大切なこと
は、酸素分子が活性化を受けるにはニッケル（II）
イオンの不対電子と相互作用しなければいけないが、そのためにはアルデヒド分子との電子的相互作用が必要であるということである21）、40）。
我々は、この考えをリポキシゲナーゼの反応機構の解明に応用した。すでに述べたように大豆由来のリポキシゲナーゼの鉄（II）
イオンは、そのままでは酸素分子とは

図21 一重項酸素（1Δg）に特異的な反応例

反応しない（すなわち、空気中で自動的に鉄（III）
イオン

10には酸化されない）。これは鉄（II）
イオンに配位している

さて、つぎに鉄（III）
イオンの状態での不飽和脂肪酸の水分子が酸素分子の不対電子と鉄（II）
イオンとの相互過酸化反応が問題となる。多くの論文では、活性化され作用を妨害しているからである。実際の酵素の反応ではている鉄（III）
イオン（その理由は不明）が、不飽和脂肪酸

鉄（III）
イオンで進行するので、何らかの方法で酸化されスキームと反応してラジカル形成を行うと信じられている（ス

ねばならない 。実 験 室 系では 、1 3 S - H P O D E（ 1 3 S -II）38）。しかし、われわれは、向山反応の結論が鉄（III）

hydroperoxyoctadecadienoic acid:有機過酸化物）などでスキー
錯体にも適用できることを見出した39）。即ち、上のス

酸化して得るが41）、これらはリポキシゲナーゼの反応生成

ム IVで、鉄（II）
イオンの代わりに、鉄（III）
イオンでもこの物であって生体系ではそれがいつも準備されているわけで反応が進行するのである。実際にいくつかの鉄
（III）
錯体、

はない。

とくにサイクラム（図22、左）を配位子とする鉄（III）錯体が、

なんとかしてこれと類似の化合物を基質存在下で合成

その酸化状態（＋3価）
を変えることなく、同様な中間体形

しなければいけないのであるが、それが可能なのである。

成（図22、右）を伴って不飽和脂肪酸の過酸化反応を触上で述べた向山反応を適用すればよい。すなわち、リポ媒できる39）。ここで興味深いのは、サイクラム錯体では2つキシゲナーゼ反応では、酸素分子の存在下で基質（不飽の幾何異性体が存在するが、トランス型のみに高い活性和脂肪酸）が接近すれば、基質と酸素分子との相互作用が見られ、シス型には一切活性がない。それは図22、右が、酸素分子の鉄（II）
イオンへの配位を促進する。そのに示すように、酸素分子との水素結合の存在が中間体形

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（通巻204号）

生体内酸化反応機構研究における新展望は−0.78 V付近で可逆な酸化還元波を示す（図24、B）。

成・活性化発現と関連しているようである。

この領域にはバナジル（IV）
イオンが関与する酸化還元
波はない（図24、A）。H2（salen）（図24）、H2（acen）やアセチルアセトンを配位子とするオキソバナジル（IV）錯体の存在下で、酸素分子のCVを測定すると、ポルフィリン
を配位子とする錯体などでは見られない奇妙なCVが観測できる（図24）。
まず第一に、酸化波が消失しているが、これは生成し

図22 サイクラムを配位子とする鉄（III）錯体と基質との相互作用

たスーパーオキサイドイオンが、これらのオキソバナジル（IV）
実はこのような鉄（III）
イオンがその酸化状態を変えるこ錯体と相互作用していることを示唆する。

となく、酸素分子と相互作用することはすでにNishidaらによって指摘されていた42）。
二核鉄（III）錯体、Fe2（HPTB）（OH）4+の溶液にリノレン酸を加えると、多くのTBARSが検出できる42）。このTBARSの検出は溶液内にマロンジアルデヒドが生成していること43）を意味し、これはリノレン酸の過酸化反応が二スキームV リノレン酸の存在下2個の鉄（III）イオンと相互作用する酸素分子

核鉄（III）錯体Fe2（HPTB）（OH）4+の存在で進行したことを示している（図23）。

図23

二核鉄（III）錯体Fe2（HPTB）（OH）4+の存在で進行するリノレン酸の過
酸化反応

4+

この二核鉄（III）錯体Fe2（HPTB）（OH） による過酸

図24 ＤＭＳＯ中でのサイクリックボルタンメトリー
A：VO（acen）〔アルゴン下〕、B：O2 、C：VO（salen）and O2化反応の機構として、スキーム IVで述べたのと同様な機構が提案されている。すなわち、リノレン酸の存在下で酸
スキーム V）、
素分子は2個の鉄（III）
イオンと相互作用し（ス一重項酸素性を示すようになり、そのために不飽和脂肪酸への付加反応が進み、過酸化物が生成し、そこからマロンジアルデヒドが生成したのである。この場合も、はじ図25 VO（salen）
錯体の構造

めから二核鉄（III）錯体と酸素分子が相互作用している

次に、還元波もかなり変化していることがわかるが、このスキームのではなく、リノレン酸が存在して初めて複合体（ス

還元波を更に詳しくみると、酸素分子の還元電位近傍で、

42）
、44）

V）が形成され、反応が進行するのである。

2種類の酸素分子の存在が確認できる（図26、A、 B ）。

ここで推定されている基質存在下での酸素分子と金属

図4で、−0.70〜−0.80V領域に見られる酸素分子の還元

イオンの不対電子との相互作用の存在を電気化学的手波について、スキャン速度を遅くして測定すると明らかに2法で実証することができる。DMSO中での酸素分子とオ種類の波になる（図26、A、B）。これは他のたとえば、マキソバナジル（IV）錯体のサイクリックボルタンメトリー（CV）

ンガン
（II）
イオン錯体の存在下でも観測できる40）。2個のを測定すると、図24のように観測できる45）。酸素分子

還元波のうち、より正側の波は、金属イオンの不対電子とTHE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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スキームVI）によると結論さ
弱く相互作用した酸素分子（ス「基質と酸素分子」の共存という条件下で鉄（III）錯体のれた。オキソバナジル（IV）錯体ではその1個の不対電子

場合でも同様に起きる、ということである。

は配位原子のない領域に広がっているd−軌道に存在しここでMukaiyama反応とチロシン水酸化反応を比較し

45） スキーム

VI）、H2（salen）、H2てみると、非常に似ていることがわかる。すなわち、チロ（acen）やアセチルアセトンを配位子とする錯体では、スキー

シンとオレフィン、補酵素のプテリンとアルデヒドが、それぞ

ム VIで示されたような相互作用が可能であるが、ポルフィリれに対応している19）、21）。このように考えると、チロシン水ンの錯体ではこの相互作用が不可能（問題のd−軌道がスキーム VII）
酸化酵素ではESCO 2形成（スに伴って酸素すべて配位子で覆われてしまうため）で、ポルフィリンの錯

分子の活性化が行われると考えるのが最適であり、この体が存在しても、酸素分子の酸化還元波には影響がない。

機構によればFitzpatrickらが見出した事実、チロシンが無ている点に特徴があり （スいと酸素分子は鉄（II）
イオンと反応しないということも容易に理解できる。この場合、補酵素を必要としているのは、
リポキシゲナーゼとチロシン水酸化酵素での鉄イオンのまわりに配位環境の違い、すなわち鉄イオン上の電子密度の違いによることを再度認識していただくと同時に、チロ
シン水酸化酵素でのO-O切断反応において補酵素・基質が重要な寄与をしていることを理解されたい。

図26 スキャン速度を変化させて得られた酸素分子存在下での［VO（salen）］
錯体溶液のサイクリックボルタンメトリー
Scan speed／A：20 mVs−1、B：50 mVs−1、C：200 mVs−1、
D：500 mVs−1、E：1000 mVs−1.

スキーム VII チロシン水酸化酵素のESCO2形成

6．活性酸素の生成・作用に関する新しい考え方
酸素分子はエネルギー源であるＡＴＰ合成や、毒物代
謝・生理活性物質の合成に重要な役目を果たしていることが酸素添加酵素の発見（早石・Mason教授ら）以来、明らかにされ、その重要性はますます広がっていることは活性酸
すでに述べた。その一方で、非常に寿命の短い活素が体内で産生され、それが殺菌や物質の代謝に関与
スキーム VI

H2（salen）, H2（acen）
やアセチルアセトンを配位子とする錯体の相互作用していることも、1969年のスーパーオキサイドジスムターゼ（SOD）の発見でわかったが、この活性酸素は我々の体

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改めて述べるが、還元的条件（この場合は電極）が存に障害を与え、現代病といわれるガンや、心筋梗塞、糖在して初めてオキソバナジル（IV）錯体と酸素分子との相尿病、リュウマチをはじめとする脳浮腫・白内障・神経性互作用が起きる。同様に、スキームIVでは基質が存在し疾患、種々の虚血および自己免疫疾患の引き金となってて初めてESO2複合体が生成し、酸素分子と鉄（II）
イオン

いることが指摘されている46）。私たちは小さいころから、との結合が生じ、酸素分子の活性化が行われ、これが「酸素は生物にとって大切なもの」と教えられてきたが、そTHE CHEMICAL TIMES 2007 No.2
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生体内酸化反応機構研究における新展望の常識を変えなければいけない時代になっている。

の障害がしばしば指摘されているが、注意して欲しいのは、「活性酸素」
なる言葉がいろいろな学者によって語られ、ヒドロキシルラジカルや一重項酸素の生体内での生成・発

それが市民権を得てから20年以上も経つ 46）。それ以来、生を考えなくても、生体内での障害発生の説明が可能でマスコミや多くの著作などでお目にかかった方も多いとあることが、これまで述べてきた議論（上述の3〜5章）でお思う。ところで、［活性酸素とはなにか］と聞かれたときに、わかりいただけると思う。たとえば、OH・ラジカルの検出方

きちんと答えられる人もほとんどいないのでなかろうか。

法としてスピントラップ法がある46）。確かに、DMPOはOH・

じつは［活性酸素］の本当の姿がわかっていないので、ラジカルと反応して、DMPO-OHを与えるかもしれないが、やたらと「活性酸素」と言っているのが現状である。このDMPO-OHを与えるのは、OH・ラジカルのみではない。たと現状をこれまでの議論に基づいてより科学的に論じてみ

えば、二核鉄（III）錯体の溶液にDMPOを加えると、たいと思う。

スキーム Vで述べたよ
DMPO-OHが検出できる47）。これはス

まず「活性酸素」
として考えられている化合物をまとめ

うに、DMPO存在下での酸素分子の活性化によって生成て簡単に示す。酸素分子はご承知のように不対電子2個したために観測できるのであり、DMPO-OHの検出が即、を持つ、いわゆるラジカルである。酸素分子の誘導体でヒドロキシルラジカルの検出とはいえない。また、二核鉄あるスーパーオキサイドイオンも不対電子1個を有するの（III）錯体の溶液に過酸化水素を加え、DMPOを加える

でラジカルであるが、過酸化水素は不対電子を持たず、と、大量のDMPO-OHを検出できる47）。これは二核鉄ラジカルではない。生体中の多くの有機物は不対電子を（III）-パーオキサイド付加体とDMPOとの反応で生成する

持たないが、いくつかの有機物は不対電子を持ち、ラジのである。しかもFenton反応ではフリーの鉄（II）イオンのカルであるが、このような化合物は時々フリーラジカルと存在を必要とするが、体液中ではその濃度は極端に低い呼ばれている。例として、LOO・（ペルオキシラジカル）やので、本当に生体内でOH・が関与しているかは非常に疑LO・（アルコキシラジカル）などがある。動物はATPを産わしい。同様に生体内反応での一重項酸素の関与も、出する過程でキサンチンオキシダーゼ（XOD）によって少それが発生しているのではなく金属-パーオキサイド付加

量のスーパーオキサイドイオンが生成する。スーパーオキ体の生成48）やすでに述べた向山反応（5章、参照）など

サイドイオンはSOD酵素で分解され、過酸化水素と水にの例で説明が可能なのである。これが実態だと思っていなる。過酸化水素はカタラーゼ・グルタチオンペルオキシ

ただければ良いと思う。

ダーゼなどで分解される。過酸化水素は白血球に含まれでは、いわゆる活性酸素以外に、酸化ストレスの原因

るミエロペルオキシダーゼによって塩化物イオンとの反応となるものがあるのだろうか。実例から見たほうが早い。

から次亜塩素酸イオンを生じ、直接的・間接的なルートで人工的に得られる鉄（III）（nta）
錯体溶液（H3（nta）- ニト

殺菌作用を示す。次亜塩素酸イオンは再度過酸化水素

リロトリ酢酸:4章）
を動物に投与すると、100％発ガンすると反応すると一重項酸素を生成する。

ことがわかっている49）。この錯体は実はオキソ架橋二核

さて現在でも多くの論文・著書の中で、生物に多大な錯体（図27）であり、発ガン作用も、この二核構造に由来障害を与える活性酸素として恐れられ、引用されているすること（過酸化水素存在下で容易にパーオキサイド付加

46）のが、ヒドロキシルラジカル（OH・）である 。ヒドロキシル体が形成する（図28））が多くの研究から明らかにされてラジカルの生成機構として、次に示す式Aと、Fenton反応いる37）、50）。この鉄（III）（nta）
錯体の投与でいろいろなと呼ばれる式Bが提案されているが、生体中ではどうで障害（蛋白・DNAの障害、細胞膜の損傷など）が起きるあろうか。

が、すべてその二核鉄（III）構造の特有な作用で説明できる13）、50）。上で述べたいろいろな障害（蛋白・DNAのO2- + H2O2 → OH・+ H2O + O2

（式 A）

障害、細胞膜の損傷など）が即ち、酸化ストレスであるかFe2+ + H2O2（式 B）

ら、上述の3〜5章で過酸化水素は金属イオンの存在下→ OH・+ Fe3+ + H2O

でそれ自身が持たない作用を発揮することを示してきた
一般に「活性酸素」は非常に不安定で、その検出は容が、それが体内で鉄イオン、特に二核構造をもつ鉄（III）

易ではない。ヒドロキシルラジカルや一重項酸素の体内で種の存在下で起きると考えれば、生体内酸化ストレスは、

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なにもヒドロキシルラジカルや一重項酸素の生成を考えな

ンガンイオン）の多量の摂取によっても引き起こされるので、くても説明が出来るのである。

注意しなければいけない44）、52）。最近のうつ病、キレる子
供たち、若年性認知症、若年性アルツハイマー病などの原因として多量のアルミニウム、マンガンイオン取り込みによる鉄代謝異常が指摘されているので、これらの病気の予防には、日々の生活において鉄イオンへの関心を高くする必要がある52）、53）。

7．最後に
これまでは、酸素添加酵素の反応機構解明にはまず、
4図27 オキソ架橋二核錯体Fe2O
（nta）
（CO3）
の構造
2

酵素の金属イオンと酸素分子との反応からいわゆる「活性酸素種」が形成し、それが基質と反応するという考え方で研究が進められてきた。しかし、ESO2またはESCO2複合体の形成に周辺基・基質が大きく関与していることが明らかにされた現在、「最初に活性酸素種が生成するという考え」
を改め、ESO2またはESCO2複合体内での酸素分子およびその誘導体の反応性に関する研究が必要である。

図28 オキソ架橋二核錯体Fe2O（nta）2（CO3）4-のパーオキサイド付加体の生成

よく知られているように、酸素添加酵素の反応性は非常に多様であるが、それは、ESO2またはESCO2複合体中での過酸化水素は、本来カタラーゼ・グルタチオンペルオキ

いろいろな分子間内の相互作用が多様であるためで、とシダーゼなどで分解されなければいけないのであるが、くに基質の化学的性質が反応機構・生成物を決定してい残念なことに体内に多量の蓄積がみられる。この過酸化ることは注目すべきであろう。

水素の形成・蓄積に次に述べるように鉄イオンが大きく関

二核鉄（III）種の存在下での過酸化水素・酸素分子の高い反応性の発現、過酸化水素は細胞膜を容易に通過与している。
問題の鉄イオンであるが、いわゆるnon-specif ic iron

できること、non-specific iron ionは体内では二核鉄（III）

ionといって、特に明らかな構造を持たない鉄イオン種の構造で存在する可能性が高いこと、などからこれまでの存在がいろいろな臓器で見出されており、別名labile iron

「活性酸素」
に関する議論を、「生体内鉄キレートによる作

51）

pool（LIB）とも呼ばれている 。non-specific iron ionは、用」に注目した議論にしなければいけない。私がここで体内では二核鉄（III）構造で存在する可能性が高いので、生体内酸化反応機構研 究における新展望」が述べた、「生上で述べた鉄（III）（- nta）錯体による諸症状が体内で生正当に評価されて始めて「鉄代謝異常・鉄過剰症」由来

じても不思議ではない。また、このような二核鉄（III）錯の酸化ストレス・ガン・神経性疾患の発症機構が正しく論じ

体の特異的な作用の一つとして、スキーム Vを示した（5られるようになり、それに基づいてこれらの病気への正し章）が、スキーム Vで、基質の代わりに電子供与体（還元い予防策が展開されていくものと期待している。

酵素系など）が存在すると、過酸化水素が生成する。これはモデル実験で確認されている16）ので、このようなnonspecific iron ionの形成が体内の多量の過酸化水素の形

参考文献

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