目1次

生物無機化学の概説（増田秀樹）

1.1

生物無機化学とは …………………………………………………………… 1

1.2

生体必須元素とその役割 ……………………………………………………… 2

1.3

微量元素のホメオスタシス …………………………………………………… 3

1.4

主な微量元素 ………………………………………………………………… 4

1.5 金属タンパク質 ……………………………………………………………… 171.6

金 属 酵 素 ………………………………………………………………… 22

1.7

補1.8

金属イオンの取り込み・輸送・貯蔵・保持・排出………………………… 26

1.9

金属中心の分光学的・磁気的性質の検出法 ……………………………… 30

因子 ………………………………………………………………… 25

参考図書・文献 ……………………………………………………………

22.1

2.232

O2 の運搬・貯蔵・活性化
運搬・貯蔵 ……………………………………………………… （廣田俊）34

2.1.1

ミオグロビン ………………………………………………………… 34

2.1.2

ヘモグロビン ………………………………………………………… 38

2.1.3

ヘムエリスリン ………………………………………………………… 45

2.1.4

ヘモシアニン ………………………………………………………… 48

オキシダーゼ，オキシゲナーゼ，ペルオキシダーゼ，SOD …………… 52
2.2.1

ヘ ム 酵 素 ……………………………………………… （藤井 浩）52

（1） 酸素分子の活性化 ……………………………………………………

52（2） ヘムの電子状態 ……………………………………………………… 54（3） ペルオキシダーゼ …………………………………………………… 55（4） クロロペルオキシダーゼ……………………………………………… 66

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（5） カタラーゼ ……………………………………………………………

67（6） オキシゲナーゼ ……………………………………………………… 69
2.2.2

非ヘム鉄酵素 ………………………………………………（小寺 政人）80（1） 単核非ヘム鉄酵素の構造と反応 …………………………………… 80（2） 二核非ヘム鉄酵素およびそのペルオキシド中間体の構造と反応 ……………………………………………………… 109（3） その他の非ヘム鉄酵素 ……………………………………………… 138（4） ま2.2.3とめ ………………………………………………………… 139

銅含有酵素 ………………………………………………… （伊東 忍）140（1） 銅錯体による O2 の活性化（モデル系） ……………………………… 140（2） 単核銅活性中心を有する酵素添加酵素（モノオキシゲナーゼ）……… 141（3） 単核銅活性中心を有する酸化酵素（オキシダーゼ） ………………… 147（4） 二核銅活性中心を有する金属タンパク質 …………………………… 149（5） メタン酸化酵素（膜結合型メタンモノオキシゲナーゼ）……………… 155（6） 酸素の 4 電子還元（マルチ銅酸化酵素とシトクロム c 酸化酵素）…… 157（7） その他（ジオキシゲナーゼ，SOD） ………………………………… 158
参考図書・文献 …………………………………………………………… 160

33.1

3.2

窒素・硫黄循環地球における窒素と硫黄の循環 ………………………（城宜嗣・樋口芳樹）170

3.1.1

脱窒菌と脱窒カビ …………………………………………………… 172

3.1.2

硝

3.1.3

硫酸還元菌 …………………………………………………………… 176

化菌 …………………………………………………………… 175

鉄 系 酵 素 ……………………………………………（城宜嗣・樋口芳樹）177

3.2.1

異化型（脱窒）亜硝酸還元酵素 ……………………………………… 177

3.2.2

一酸化窒素還元酵素 ………………………………………………… 180（1） 脱窒カビ NOR ……………………………………………………… 180（2） 脱窒菌 NOR ………………………………………………………… 182
3.2.3

ヒドロキシルアミン酸化酵素 ………………………………………… 186

3.2.4

硫酸アデニリルトランスフェラーゼ …………………………………… 187

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3.3

3.4

3.2.5

アデニリル硫酸還元酵素 ……………………………………………… 188

3.2.6

亜硫酸還元酵素 ……………………………………………………… 189

銅 系 酵 素 …………………………………………（高妻孝光・山口峻英）195

3.3.1

Global Nitrogen Cycle と脱窒 ………………………………………… 195

3.3.2脱窒菌由来のブルー銅タンパク質（電子伝達タンパク質） …………… 196

3.3.3

シュウドアズリンにおける弱い化学的相互作用の意味

3.3.4

銅型亜硝酸還元酵素 ………………………………………………… 201

3.3.5

亜酸化窒素還元酵素 ………………………………………………… 205

3.3.6

電子移動反応 ………………………………………………………… 207

3.3.7

Ｘ線吸収スペクトルによる脱窒系銅タンパク質の構造………………… 210……………… 200

モリブデン・タングステン含有酵素…………………………… （杉本3.4.1秀樹）214

モリブデン含有酸化還元酵素 ………………………………………… 214（1） モリブドプテリンの生合成 …………………………………………… 215（2） Xanthine oxidoreductase ファミリー ………………………………… 215（3） Sulfite oxidase ファミリー …………………………………………… 219（4） DMSO reductase ファミリー ………………………………………… 222
3.4.2

タングステン含有酸化還元酵素 ……………………………………… 231

参考図書・文献 …………………………………………………………… 232

4

呼吸系（小倉4.1尚志）

シトクロム c 酸化酵素 ……………………………………………………… 238
4.1.1

CcO 研究の歴史 ……………………………………………………… 239

4.1.2

CcO の種類 …………………………………………………………… 241

4.1.3

CcO の構造―特に金属中心― ……………………………………… 2414.1.4

反応機構解明のための物理的測定法 ………………………………… 2434.2

酸素還元部位の構造 ……………………………………………………… 244

4.3

酸素還元反応サイクル ……………………………………………………… 246
4.3.1

571 / 544 cm1 同位体シフト ………………………………………… 250

4.3.2

804 / 764 cm1 および 785 / 750 cm1 同位体シフト …………………… 252

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4.4

4.3.3

356 / 342 cm1 同位体シフト ………………………………………… 254

4.3.4

450 / 425 cm1 同位体シフト ………………………………………… 254

4.3.5

CcO と O2 との反応のまとめ ………………………………………… 254

赤外分光法による CO 光解離ダイナミクスの追跡 ……………………… 255
参考図書・文献 …………………………………………………………… 258

55.1

光合成系集

光系 ……………………………………………………… （民秋均）261

5.1.1

太陽エネルギー ……………………………………………………… 261

5.1.2

光合成アンテナ ……………………………………………………… 263

5.1.3

光合成色素分子 ……………………………………………………… 264

5.1.4

光励起エネルギー移動 ……………………………………………… 265

5.1.5

光合成プロセス ……………………………………………………… 268

5.1.6

シアノバクテリアでの光合成アンテナ ………………………………… 269（1） クロロフィルの励起エネルギーレベル ……………………………… 270（2） 中心アンテナと周辺アンテナ ………………………………………… 272
5.1.7

高等植物での光合成アンテナ ………………………………………… 273

5.1.8

黄色植物での光合成アンテナ ………………………………………… 274

5.1.9

原核緑藻での光合成アンテナ ………………………………………… 275

5.1.10

特殊なシアノバクテリアでの光合成色素 …………………………… 276（1） クロロフィル d……………………………………………………… 276（2） クロロフィル f ………………………………………………………… 276
5.1.11

非酸素発生型光合成細菌 …………………………………………… 277

5.1.12紅色細菌での光合成アンテナ ……………………………………… 277（1） LH1 ………………………………………………………………… 278（2） LH2 ………………………………………………………………… 279（3） 紅色細菌での励起エネルギー移動
5.1.13………………………………… 280

緑色硫黄細菌での光合成アンテナ ………………………………… 280（1） クロロソーム構成色素分子（バクテリオクロロフィル c） ……………… 281（2） ベースプレートと FMO ……………………………………………… 282

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（3） 緑色硫黄細菌での励起エネルギー移動 ……………………………… 282（4） バクテリオクロロフィル d・e・f………………………………………… 283
5.1.145.2

光散

逸 ………………………………………………………… 284

電荷分離系 …………………………………………………… （大久保敬）286

5.2.1

光 化 学 系 …………………………………………………………… 2865.2.2

反応中心複合体 ……………………………………………………… 287………………………………………… 289

5.2.3

反応中心モデルの設計戦略

5.2.4

長寿命電荷分離状態を有するドナー・アクセプター
2 分子連結系における分子設計指針 …………………………… 292

5.3

5.2.5

ルイス酸金属イオンによる電荷分離状態の長寿命化 ………………… 297

5.2.6

まとめ …………………………………………………………… 302

光合成における水の酸化系 …………………………………… （正岡重行）303

論 …………………………………………………………… 303

5.3.1

概

5.3.2

水の酸化反応と酸化還元電位 ………………………………………… 303

5.3.3

酸素発生錯体の構造と機能 ………………………………………… 304

5.3.4

酸素発生錯体の構造モデル ………………………………………… 307

5.3.5

酸素発生錯体の機能モデル ………………………………………… 310

参考図書・文献 …………………………………………………………… 31366.1

物質変換（生物有機金属化学）
ヒドロゲナーゼ，ニトロゲナーゼ，一酸化炭素デヒドロゲナーゼ……………………………………（小江誠司・松本崇弘）318（1） ヒドロゲナーゼとそのモデル ………………………………………… 319（2） ニトロゲナーゼとそのモデル ………………………………………… 334（3）一酸化炭素デヒドロゲナーゼとそのモデル …………………………… 343

6.2

B12 酵素とそのモデル ………………………………………… （久枝良雄）348（1） 補酵素 B12 の構造 …………………………………………………… 348（2） B12 酵素の構造と酵素反応 …………………………………………… 349（3） 酵素モデルの構築と触媒反応への応用 ……………………………… 352（4） 応用への展望 ………………………………………………………… 359

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参考図書・文献 …………………………………………………………… 359

7加水分解（青木7.1

7.2

7.3伸）

亜鉛酵素とモデル …………………………………………………………… 365
7.1.1

亜鉛酵素の活性中心構造 …………………………………………… 365

7.1.2

単核亜鉛酵素 ………………………………………………………… 366

7.1.3

複核亜鉛酵素 ………………………………………………………… 371

7.1.4

亜鉛酵素阻害剤 ……………………………………………………… 374

7.1.5

金属酵素のモデル化合物……………………………………………… 375

7.1.6

カルボン酸エステル・アミドを加水分解する人工触媒 ………………… 377

7.1.7

リン酸エステルを加水分解する人工触媒 ……………………………… 380

7.1.8

亜鉛酵素モデルの応用 ……………………………………………… 384

人工ヌクレアーゼ …………………………………………………………… 386
7.2.1

Zn フィンガーおよび Zn フィンガーヌクレアーゼ ……………………… 3867.2.2

人工ヌクレアーゼとしての Ce /ランタノイド錯体 ……………………… 389

お わ り に ………………………………………………………………… 390
参考図書・文献 …………………………………………………………… 392

8人工金属酵素（林高史・小野田晃）

8.1

金属錯体とタンパク質のハイブリッド化 …………………………………… 3998.2

酸化反応・水酸化反応 …………………………………………………… 402

8.3

8.4

8.2.1

酸 化 反 応 …………………………………………………………… 4028.2.2

水酸化反応 …………………………………………………………… 405

8.2.3

スルホキシド化反応 ………………………………………………… 406

水 素 発 生 ………………………………………………………………… 408
8.3.1

ペプチド・タンパク質配列のシステインを利用したモデル …………… 408

8.3.2[FeFe] 型の二核錯体のタンパク質への挿入 ………………………… 411

水素化反応 ………………………………………………………………… 412

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……………………………… 413

8.4.1

バイオハイブリッド触媒の先駆的研究

8.4.2

avidin/streptavidin を反応場として用いた biotin 結合
ロジウム錯体によるオレフィンの水素化反応 ……………………… 413

8.4.3

streptavidin を反応場として用いた biotin 結合ルテニウム錯体・ロジウム錯体・イリジウム錯体によるケトンの還元反応 …………… 414

8.5

8.6

C－C 結合形成 ……………………………………………………………… 416
8.5.1

オレフィンメタセシス ………………………………………………… 416

8.5.2

Diels-Alder 反応 ……………………………………………………… 419

8.5.3

オレフィンのシクロプロパン化反応 …………………………………… 420

8.5.4

Friedel-Crafts 反応 …………………………………………………… 421

8.5.5

Heck 反応 …………………………………………………………… 422

8.5.6

鈴木 - 宮浦反応 ……………………………………………………… 422

8.5.7

アセチレン重合反応 ………………………………………………… 424

8.5.8

C－H 結合の活性化を介した環化反応 ……………………………… 425

お わ り に ………………………………………………………………… 426
参考図書・文献 …………………………………………………………… 426

9センシング（青野9.19.29.3重利）

センサータンパク質による生物の外部環境応答 ………………………… 430
9.1.1

外部シグナルに応答した遺伝子発現制御 …………………………… 430

9.1.2

二成分情報伝達系 …………………………………………………… 431

9.1.3

細菌の走化性制御系 ………………………………………………… 432

遷移金属が関与する外部シグナルセンシング …………………………… 433
9.2.1

ヘムの基本的性質 …………………………………………………… 433

9.2.2

鉄硫黄クラスターの基本的性質 ……………………………………… 434

ヘムを利用したセンサータンパク質 ……………………………………… 435
9.3.1

CO センサーとして機能する転写調節因子 CooA ……………………… 435

9.3.2

二成分情報伝達系で酸素センサーとして機能する FixL ……………… 437（1） hydrophobic triad モデル …………………………………………… 438

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（2） FG ループモデル …………………………………………………… 438

9.4

9.5

9.6

9.3.3

走化性制御系で酸素センサーとして機能する HemAT ……………… 439

9.3.4

NO による酵素活性制御：NO センサータンパク質 sGC ……………… 440

鉄硫黄クラスターを利用したセンサータンパク質 ………………………… 443
9.4.1

鉄硫黄クラスターを酸素センサーとする転写調節因子 FNR ………… 443

9.4.2

鉄硫黄クラスターを活性酸素種センサーとする転写調節因子 SoxR … 445

9.4.3

鉄硫黄クラスターをシグナル分子とする翻訳反応制御 ……………… 446

遷移金属イオンを利用したセンサータンパク質 ………………………… 449
9.5.1

エチレンセンサータンパク質 ETR1 …………………………………… 449

9.5.2

過酸化水素センサーとして機能する転写調節因子 PerR ……………… 449

シグナル分子として機能する遷移金属イオン …………………………… 450
9.6.1

遷移金属イオンをシグナル分子とする転写調節因子 ………………… 450

9.6.2

ヘムがシグナル分子として機能する転写調節因子 HrtR ……………… 452

9.6.3

ヘムがシグナル分子として機能する転写調節因子 Irr……………… 454

参考図書・文献 …………………………………………………………… 455

10イメージング（菊地和也）

10.1

染色法からイメージングへの発展 ………………………………………… 457

10.2

無機イオンの蛍光イメージング …………………………………………… 458

10.3

10.2.1

Ca 2+ 蛍光プローブ …………………………………………………… 458

10.2.2

Ca 2+ 蛍光プローブの登場により必要になった細胞イメージング計測法 … 462

レシオ蛍光測定システムの開発 ………………………………………… 462
10.3.1

レシオ測定の必要性 ………………………………………………… 462

10.3.2

レシオ測定光学系の計測法 ………………………………………… 463

10.4

GFP を用いたレシオ変化型 Ca 2+ 蛍光プローブ ………………………… 466

10.5

Zn 2+ 蛍光プローブ ………………………………………………………… 471
10.5.1

生体内における Zn 2+ の役割 ………………………………………… 471

10.5.2

高感度かつ選択的に Zn2+ を検出する蛍光プローブのデザイン・合成 … 471

10.5.3

ZnAF-2 を用いた脳内 Zn 2+ 放出の機能解明 ………………………… 472

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参考図書・文献 …………………………………………………………… 47411金属錯体による細胞機能制御（上野隆史・安部聡）

11.1

金属ナノ粒子 ……………………………………………………………… 47611.2

金属錯体触媒 ……………………………………………………………… 478…………………………………………………… 478

11.2.1

生体直交型反応11.2.2

触媒型金属錯体医薬………………………………………………… 482

11.3

人工金属タンパク質 ……………………………………………………… 486
11.3.1

ライセート中の反応 ………………………………………………… 487

11.3.2

人工金属酵素の細胞内輸送 ………………………………………… 488

11.3.3

人工金属酵素の細胞内合成 ………………………………………… 492

参考図書・文献 …………………………………………………………… 494

12

医薬品（小谷明）

12.1

抗腫瘍薬（Pt 錯体（シスプラチン関連）） ……………………………… 499

12.2

抗寄生虫薬（アンチモン製剤）…………………………………………… 504

12.3

ビスマス製剤（ピロリ菌除菌，止瀉薬，整腸薬） ……………………… 505

12.4

抗リウマチ薬（Au 錯体） ………………………………………………… 506

12.5

消化性潰瘍薬（アルミニウム製剤） ……………………………………… 507

12.6

ポラプレジンク（亜鉛製剤） ……………………………………………… 508

12.7

銅 - クロロフィリン塩 ……………………………………………………… 508

12.8

酢 酸 亜 鉛 ………………………………………………………………… 509

12.9

酸化マグネシウム ………………………………………………………… 510

12.10

炭酸リチウム ……………………………………………………………… 510

12.11

MRI 造影剤 ……………………………………………………………… 510

12.12

抗エイズ薬 ……………………………………………………………… 511

12.13

化粧品白斑問題 ………………………………………………………… 512
参考図書・文献 …………………………………………………………… 513

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付録 1

ヘムの構造 ……………………………………………………………… 517

付録 2

酵素の分類と EC 番号 ………………………………………………… 518
引………………………………………………………………………… 519

筆者紹介………………………………………………………………………… 528

索xxii
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