結果および考察：

X線回折実験からタイプ-1銅および-2銅部位がCoとNiに置換された2構造を決定することができた。各々の結合距離、角度を天然のもの（Cu）も含めて比較・検討したところ主に次の興味深い傾向を観測できた。

1：タイプ-1 銅部位の幾何学構造は異種金属を挿入してもその変化は小さく、四面体〜三方錐形を強固に維持したままだった。

4配位幾何構造の指標としてτ4 = 360°-(α+β)/ 141°を用いて解析を行った。αとβはその配位構造を形成している結合角の最も大きい角度とその次に大きい角度を指す。このτ4値が1に近ければ近いほど理想的な四面体幾何構造を意味し、0に近ければ平面四角形を意味する。結果、いずれの金属置換体においてもτ4 = 0.8〜0.9内（三方錐）に収まっていた。これは、もともと平面四配位構造を好むCu2+（d軌道電子数9）イオンが蛋白質分子内部では異常な四面体〜三方錐の幾何学構造をとっていることからも予測されていたように、周りの配位アミノ酸の立体的な配置（構造）が非常に剛直であるため、d軌道電子数の違い（ = 金属種の違い）から生じる配位特性の影響が出難い原子環境にある（強制的に配位構造を歪ませている）ことを意味し、今回その明確な実験的証拠を得る事に成功したことになる。興味深いことに、これまでにタイプ-1銅を保持するタンパク質で同様の金属置換を実施した報告もある。例えば、アズリンやアミシアニンというタイプ-1銅含有タンパク質では、銅部位をCoやNiに置換すると配位していたメチオニン残基が外れることがX線結晶構造解析結果から報告されている。しかしながら、その配位子脱離は溶液中では見られず、逆にメチオニン残基と異種金属間の相互作用（近づく）が強まるという結果が常磁性NMR分光測定から証明されている。さらには、シュードアズリンというまた他のタイプ-1銅含有タンパク質をCo置換した実験では、銅が結合していたときよりも配位結合距離が縮まる結果も得られており、本研究の結果ともよく合う。また、生体内でのタイプ-1銅部位の主な機能は、酸化還元パートナー分子から電子を受け取り、その受け取った電子をさらにタイプ-2銅部位へと渡す「電子伝達部位」として働くことである。すなわち、効率よく銅（II）（d電子数9）⇄銅（I）（d電子数10）の酸化状態間を行き来する必要がある。今回、銅を様々な異種金属に置換した場合とでその配位構造にほぼ違いが無いことから、電子伝達時には特に幾何構造に変化は伴わないと考えられる。この幾何構造における剛直性は、本部位が大きな構造変化等でエネルギーを失う事無く最大限に“電子伝達”という機能を発揮する（高効率で電子移動を行う）仕組みの一つと言える。

一方、2タイプ-2銅部位は、溶媒水分子の配位も含め、四面体（CoおよびZn）、三方両錐（Ni）、そして四角錐（天然Cu）といった幾何学構造に比較的大きな違いが見られた。

5配位幾何構造の指標としてτ5 = (β-α)/ 60°を用いた。τ4と同様βとαはその幾何構造の中で最も大きな角度とその次に大きい角度を意味する。Co（およびZn）については4配位構造であったため指標として上述のτ4を用いた。特に興味深い点は、タンパク質由来の3つのヒスチジン残基および金属原子の位置は3種類の金属でほぼ同一であり、唯一、外部配位子としての水分子などの数、および位置が異なることで幾何構造が変化していた。この幾何構造が変化する主な要因は、各金属イオンのd軌道電子数（Zn2+:10, Ni2+:8, Cu2+:9）および電子配置の違いによるもので無機化学一般の道理にもあっている。タイプ-2銅部位の役割としては、「1.基質である亜硝酸イオンの配位」、「2.タイプ-1銅から電子の受け取り（還元）」、「3.配位した基質（亜硝酸イオン）の還元」、「4.生成物（一酸化窒素）の放出」の4ステップを効率よく繰り返す触媒部位として働くことであり、今回、観測された幾何構造変化はこの一連のステップを効率よく進ませるために必要なものかもしれない。この点に関しては今後さらなる実験により明らかにされるものと期待される。また、タイプ-2銅部位を異種金属で置換した例も数は少ないがある。その中でもX線結晶構造解析まで進んだものでは銅アミン酸化酵素が挙げられる。本研究と同様に銅アミン酸化酵素においても置換を施すと外部配位子の配置を変えて、明確に幾何学構造が変化している。それ故、本性質は基質の出入り、さらには電子の出入り（酸化還元）を伴う部位においては共通の性質なのかもしれない。

カテゴリ: 物理
質問: 電子伝達時には特に幾何構造に変化は伴わないと考えられるのは何故ですか。
回答: 銅を様々な異種金属に置換した場合とでその配位構造にほぼ違いが無いからです。