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Academic year: 2021

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全文

(1)

Redox Chemistry of Hemoproteins

(Fe-Containing Enzymes)

Yoshitsugu Shiro

RIKEN SPring-8 Center

Japan

N

N

N

N

Fe

O

O

O

O

-N

N

N

N

Fe

O

O

O

O

(2)

To Understand Physiological Roles of Bio-metals Based on Structures of Metal-binding Proteins and Enzymes

Biometal Science Laboratory

城生体金属科学研究室

Redox Enzymes 酸化還元酵素 Sensor Proteins センサー蛋白質 Structural Genomics 構造ゲノム科学

L

5

Fe

L

6

Axial Ligands

(3)

(xy, yz, xz) (x2-y2, z2)

Octahedral

3d

Fe

2+

(3d

6

)

Fe

3+

(3d

5

)

High Spin S=2 Low Spin S=0 High Spin S=5/2 Low Spin S=1/2 none O H O CN

-Electronic Structure of Heme Iron

(4)

In Metal-Binding Proteins,

1. The Properties of the Metal Ions

Can Be Modulated by the Protein

Part.

2. The Protein Part Can Support

the Metal Reactivity.

L

5

Fe

L

6

(5)

Fe

L

6

N

N

H

δ+

B

-δ−

His

Fe

3+

+ e

-

⇆ Fe

2+

Redox Potential

-300mV ~ +300mV

vs. NHE

(6)

Myoglobin (+50mV)

Fe

2+

L

6

N

N

H

O

His

(7)

Fe

2+

Fe

2+

O

2

O

2

(8)

Fe

3+

N

N

H

+

O

His

O

-Asp

Peroxidases (-240mV)

2AH

2

+ H

2

O

2

A

2

H

2

+ 2H

2

O

(9)

Catalytic Mechanism of Peroxidases (Oxidation of Substrate AH2) Fe3+ Fe4+ O H2O2 Fe4+ O AH2 .+ H2O AH2 AH. AH. Fe5+ O Compound I Peroxidases: Heme (Fe3+): H2O2

[

O

]

+ H2O (Heterolytic Cleavage) H2O2 HO・ + ・OH (Homolytic Cleavage)

(10)

Fe3+ N N -N N H N H NH2 2HN + Fe3+ N N -N N H N H NH2 2HN + O O H H

(11)

Fe3+ N N -N N H N H NH2 2HN + O O H H + -Push Effect Pull Effect Fe5+ N N -N N H N H NH2 2HN + O H2O AH2 e

(12)

-RH + O

2

+ 2H

+

+ 2e

-

ROH + H

2

O

Cytochrome P450

Monooxygenase :

Fe

L

6

S

-Cys

Cytochrome P450

(13)

Fe

3+

H

2

O

S

-Cys

Reductase

(-240mV)

e

-Low Spin (-300mV)

RH

High Spin (-170mV)

Fe

2+

S

-Cys

RH

(14)

Fe

2+

S

-Cys

RH

O

2

Fe

3+

S

-Cys

RH

O

2

Reductase

e

(15)

-Fe

3+

S

-Cys

RH

O

2 -

H

2

O

H

+ solvent H-Bonding Network

Fe

3+

S

-Cys

RH

O

H

2

O

H

solvent H-Bonding Network

O

H

+

(16)

Fe

3+

S

-Cys

RH

O

H

O

H

Fe

5+

S

-Cys

RH

O

(17)

Fe

3+

S

-Cys

R

O

H

Fe3+ H2O Fe3+ RH RH Fe2+ RH e -RH O Fe5+ O RH ROH H2O2 Shunt Pathway

(18)

一原子酸素添加酵素 チトクロムP450 脂肪酸水酸化酵素 ペルオキシゲナーゼP450 Fe3+ H2O NH2 NH2 HN + O -O C H2O2 H2O Arg242

(19)

Fe3+ NH2 NH2 HN + O -O C H+ O -O H Fe3+ NH2 NH2 HN + O O C H O -HO H O

(20)

Fe5+ O NH2 NH2 HN + O -O C H H Fe3+ NH2 NH2 HN + O -O C H OH H2O

(21)

Monooxygenase P450

Fungal NOR

(P450nor) PeroxygenaseP450

Overall Structure of P450 Type Enzymes

Reduction of Nitric Oxide:

2NO + 2H

+

+ 2e

-

→ N

(22)

Fe

3+

H

NO

2

O

Fe

3+

NO

CONH2 H H N NADH H-(H+ + 2e-)

(23)

Fe

3+

NO

-

H

+ CONH2 H N NADH + Fe3+ N O e- e -1851cm-1 530cm-1 Ferric 543cm-1 Fe2+ N O ? cm-1 Ferrous Fe3+ N O ~1330cm-1 596cm-1 Intermediate 2-反応中間体の電子構造(振動スペクトルから)

(24)

Fe

2+

NO

-

H

+

ON

H

+

H

2

O

solvent H-Bonding Network

Fe

3+

N

ON

HOH

(25)

Fe

3+

N

2

O

H

2

O

Fe3+ H2O N2O Fe3+ NO NO Fe2+ H +, 2e -NO-H+ N Fe3+ ONN OH ON H+ H2O 脱窒カビ一酸化窒素還元酵素 (P450nor)の反応機構

(26)

NO Reductase:

NO + (NO)

2-

+ 2H

+

NNO + H

2

O

Monooxygenase P450:

RH + (O

2

)

2-

+ 2H

+

ROH + H

2

O

Peroxygenase P450:

RH + H

2

O

2

ROH + H

2

O

反応中間体の電子構造

Fe

3+

NO

S

-

2-nH

+

(27)

Fe3+ NO

Cryo-Radiolysis (Reduction)

X-ray Fe3+ NO

2-?

?

?

?

?

?

?

Frozen Crystal

e

(28)

-Before X-ray exposure After X-ray exposure Fe3+ H2O NO,H+ N2O Fe3+ NO NO Fe2+ H +, 2e -NO-H+ Fe2+ N Fe3+ ONN OH ON H+ H2O 脱窒カビ一酸化窒素還元酵素 (P450nor)の反応機構

(29)

Denitrification

Nar:

Nir:

NOR:

Bacteria

Mo

Cu

or Fe

Heme(Fe)/Fe

Fungi

Mo

Cu

Heme(Fe)

チトクロムP450

Lateral Gene Transfer(水平遺伝子移動)

チトクロム酸化酵素

NOR Reaction

2NO + 2H

+

+ 2e

-

→ N

2

O + H

2

O

脱窒カビNOR:

水溶性

P450型

1 Heme(Fe)

脱窒菌NOR:

膜結合型

オキシダーゼ型

3 Heme(Fe)+1 non-heme Fe

(30)

Heme c Fe His Met Heme bL His Fe His Heme bH Fe His Fenh His His His Cyt c e-複核活性 中心

脱窒菌NOR

Binuclear Reaction Center

急速混合凍結装置

Liq.N2 Mixer Frozen 100 μm Mixer (Expanded) Mixing-to-Freezing Time: 0.5 ~ 10 ms (Conventional:~ 100 ms) Reduced NOR NO

(31)

ESRスペクトル

Resting State 0.5 ms 1.0 ms 3.0 ms 10 ms M-to-F Time c bL bH Fe3+nh c bL bH Fe2+nh c bL bH Fe2+nh c bL bH Fe2+ nh c bL bH Fe3+ nh N N O O 4e-2NO 2H+ Intramolecular Electron Transfer 2NO N2O, H2O 2H+ 4e-O 休止状態 完全還元型 反応中間体1 遷移状態 部分酸化状態 部分還元状態 反応中間体1 ’ 完全酸化型 Fe3+ Fe3+ Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe3+ Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe3+ Fe3+ Fe2+ Fe2+ Fe3+ Fe3+ Fe3+ Fe3+ Fe3+ 提案した反応機構 (作業仮説) Resting State

Fully Reduced State

Reaction Intermediate 1

Partially Reduced State Fully Oxidized State

(32)

Fe2+ Fe2+ heme b3 non-heme FeB N N O O 反応中間体 (ミリ秒)

脱窒菌NOR

Fe3+ Fe3+ heme b3 non-heme FeB N N -O O -? 繊維状態? (観測不能) 2H+

脱窒菌NOR

(33)

Fe3+ Fe3+ heme b3 non-heme FeB 酸化型 N2O H2O

脱窒菌NOR

2(NO

-

) + 2H

+

N

2

O + H

2

O

脱窒菌NORの反応

(34)

(ON)

2-

NO

ON

-

NO

--

ON-NOH

H+

N

2

O + H

2

O

脱窒カビNOR 脱窒菌NOR

一酸化窒素還元(亜酸化窒素生成)の化学

Donor-Acceptor (供与ー受容型) Disproportionation (不均化型) Fe2+ N N Fe2+ O O Fe2+ N N Fe2+ O O

N-N 結合の生成/N-O 結合開裂

Reaction Intermediate Transient State

Fe-N-O の電子状態を精密に見たい 振動分光(IR and Raman)法

(35)

酸素添加酵素

一原子酸素添加酵素

X + O

2

+ 2H

+

+ 2e

-

XO + H

2

O

二原子酸素添加酵素

X + O

2

XO

2 N H X

O

2 N H X O O H

ヘムを含む二原子酸素添加酵素

(36)
(37)

反応機構(作業仮説) Deprotonation By enzyme residue Deprotonation By oxygen Fe2+ O O N R H B Fe2+ O O N R H B Fe2+ O O N R H Fe2+ O O N R H Fe2+ O O N R H Fe2+ O O N R H O O +Trp

In Metal-Binding Proteins,

1. The Properties of the Metal Ions

Can Be Modulated by the Protein

Part.

2. The Protein Part Can Support

the Metal Reactivity.

(38)

蛋白質構造解析の分解能は?

構造変化を理解する

触媒反応を理解する

電子状態を理解する

参照

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