[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

エチレンをつかまえて

 

有機化学の研究では生理活性よりも複雑構造の天然化合物ばかり注目されるものではありますが、その逆をいって、植物ホルモンとしても知られるエチレンの化学を、ひとつ紹介したいと思います。小さく単純なエチレンを、どうつかまえて制御するのか、最先端の化学材料が挑みます。その鍵は、植物のエチレン受容体タンパク質と同じく原子にあり!?

生理活性を持つ最も複雑な構造の天然化合物は何でしょうか。ポルフィリンのドレスをまとったコバルトの王妃が住まう紅の城 コバラミンでしょうか。32の環と98の不斉点を持ち分子量3422の最大にして最後の砦 マイトトキシンでしょうか。それとも一足飛びにペプチドホルモンのたぐいでしょうか。

では、逆に、生理活性を持つ最も単純な構造の天然有機化合物は何でしょうか。おそらく断トツのトップにランクインする物質は、植物ホルモンのエチレンだと思います。

 

生理活性物質としてのエチレンをめぐる天然のシステム

高校の化学からおなじみのエチレンは、炭素数2・水素数4の、最も単純な構造をしたアルケンです。ガス灯のそばにあった街路樹が、他よりも早く落葉したことがきっかけになって、エチレンは植物ホルモンとして知られることになりました。エチレンを主成分として含むガスが、当時のガス灯に使われていたのです。植物ホルモンのエチレンには、主として、植物の老化や果実の成熟を調節する機能があります。

エチレンでおなじみの理科実験と言えば、リンゴを使ったものでしょう。リンゴとバナナをいっしょにしておけばバナナはすぐに黒変し、リンゴとホウレンソウをいっしょにしておけばホウレンソウはすぐに黄変します。

GREEN20120606ET2.png

 

リンゴのようなクリマクテリック果実(climacteric fruit)には、成熟のクライマックスでエチレンを大量に放出する性質があります。果樹全体で成熟を揃えるためでしょうか。リンゴと同じバラ科果樹であるナシやモモに加えて、トマトやメロンなどもクリマクテリック果実に該当するとされます。

 

小さく構造も単純なエチレンですが、植物はしっかりと感知する仕組みを持っています。エチレンの受容体タンパク質は、ETR1(ETHYLENE RESPONSE 1)遺伝子産物と、その相同な遺伝子産物です。エチレンの応答が弱い変異体の探索からシロイヌナズナetr1変異型株は単離され、これによりその後ETR1タンパク質はエチレン受容体として同定されました。今ではETR1タンパク質がエチレンを認識した後、植物の成長にかかわる遺伝子の発現が変化するまで、シグナル伝達のおよその道筋も明らかになっています。

ETR1タンパク質は植物細胞の小胞体(endoplasmic reticulum)膜に分布します。エチレンの認識部位には原子が噛んでいることが分かっていますが、タンパク質結晶構造解析[1]は部分構造に対してしか行われておらず、詳しくは分かっていません。揮発化合物との共結晶、かつ膜タンパク質ということで、凄まじく難易度の高い気がしますが、腕に自信のある方は挑戦してみるとよいかもしれません。

 

GREEN20120606ET3.png

この結晶構造ではそもそも正しく折りたたまれているのか?

 

エチレンにまつわる天然のシステムについて、分かっていることをざっとまとめてきました。それではエチレンにまつわる人工のシステムではどうでしょうか、話を移したいと思います。

 

エチレンをつかまえる人工のシステム

高価なガスクロマトグラフィー質量分析機器なしにエチレンが検出できれば、便利な場面がいくつかあります。輸入バナナの追熟や、野菜倉庫で、エチレンの多寡をモニターすることができます。

ここで、エチレンをつかまえるための鍵は、先ほどのETR1タンパク質と同じく原子です。最近の研究で、次に示す銅化合物とエチレンの反応が、わりと扱いやすいことが判明しました。この銅化合物は、炭素間の多重結合の上にあるパイ電子雲に配位することができます。

GREEN20120606ET4.png

ETR1タンパク質と同じく銅原子がエチレンをつかまえる鍵

 

空気の成分に炭素間の多重結合を持つものはありません。そこで、共役系がつらなった高分子を合成し、先ほどの銅化合物を加えた結果がこちらです。銅化合物が配位する相手は、エチレンと共役系のつらなった高分子との間で拮抗します。これにより、蛍光の明暗として、エチレンの有無を検出できます[2]。

 

GREEN20120606ET5.png

共役系のつらなった高分子に銅化合物が配位すると消光[2]

 

感度をさらに高めたシステムが、電気伝導度を用いたこちらです。先ほど登場した高分子の代わりに、炭素間の多重結合にはカーボンナノチューブが採用されています。銅化合物が配位する相手は、エチレンとカーボンナノチューブとの間で拮抗します。これにより、電気の伝わりやすさで、エチレンの多寡を定量できます[3]。

 

GREEN20120606ET6.png

ここに先ほどの銅化合物を加える[3]

 

実際に、このような装置で、果実から放出されるエチレンの定量に成功しています[3]。あまりのユニークさに、植物のエチレン受容体であるETR1タンパク質も、もし人格があれば、さぞやこの生体模倣材料にはびっくり驚くことでしょう。

 

たまたま単離された分子の構造が複雑だから価値があるのか

複雑構造の決定から、精密合成といった構造有機化学的な研究は、わが国では長きにわたり伝統的に興味の中心でした。細胞毒性などありきたりな生理活性しか知られていない場合でも、合成経路に実用的な意味がまったくない場合でも、ユニークで複雑な構造を持つ化合物の合成は、合成化学のコミュニティーでは高く評価されてきました。

しかし、外部からの投与によって、究極の複雑系である生物に特異な応答を引き起こし、生命現象を制御するという観点もまた、同時に天然化合物が持つ面白みのひとつです。エチレンからマイトトキシンまで極端なものはともかくとして、その間にある頑張れば作れる難易度の天然化合物では、作って何をするのかという視点もまた、今後は意識していくべきところかもしれません。

一寸の虫ならぬ一寸のエチレンにも、五分ならぬ十分の化学が、魂を吹き込んで活躍しています。モノを取るだけではなく、その作用する仕組みを明かすことには、生体模倣材料をはじめ新たな研究分野がひそんでいることでしょう。

 

参考論文

[1] 植物のエチレン受容体ETR1の部分的な立体構造

“The structure of the signal receiver domain of the Arabidopsis thalianaethylene receptor ETR1” Hans-Joachim Muller-Dieckmann et al. Structure 1999 DOI: 10.1016/S0969-2126(00)88345-8

[2] エチレンを蛍光の明るさで検出

“Detection of Ethylene Gas by Fluorescence Turn-On of a Conjugated Polymer” Birgit Esser et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2010 DOI: 10.1002/anie.201003899

[3] エチレンを電気の伝わりやさで検出

“Selective Detection of Ethylene Gas Using Carbon Nanotube-based Devices: Utility in Determination of Fruit Ripeness” Birgit Esser et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2012 DOI: 10.1002/anie.201201042

 

関連書籍

The following two tabs change content below.
Green

Green

静岡で化学を教えています。よろしくお願いします。
Green

最新記事 by Green (全て見る)

関連記事

  1. 化学者の卵に就職活動到来
  2. なんだこの黒さは!光触媒効率改善に向け「進撃のチタン」
  3. シアノヒドリンをカルボン酸アミドで触媒的に水和する
  4. アレクセイ・チチバビン ~もうひとりのロシア有機化学の父~
  5. 光エネルギーによって二酸化炭素を変換する光触媒の開発
  6. 6年越しで叶えた“海外と繋がる仕事がしたい”という夢
  7. キラルアミンを一度に判別!高分子認識能を有するPd錯体
  8. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」⑥

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. シアヌル酸クロリド:2,4,6-Trichloro-1,3,5-triazine
  2. 信越化学・旭化成ケミカルズが石化品値上げ
  3. MFCA -環境調和の指標、負のコストの見える化-
  4. マイクロプラスチックの諸問題
  5. スタンリー・ウィッティンガム M. S. Whittingham
  6. 岸義人先生来学
  7. ジムロート転位 (共役 1,3-双極子開環体経由) Dimroth Rearrangement via A Conjugated 1,3-Dipole
  8. ブラウンヒドロホウ素化反応 Brown Hydroboration
  9. 太陽電池バックシートの開発と評価【終了】
  10. 光触媒ラジカル付加を鍵とするスポンギアンジテルペン型天然物の全合成

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

ケムステイブニングミキサー2019ー報告

3月16日から19日の日本化学会第99春季年会に参加されたみなさま、おつかれさまでした!甲南大学…

モリブデンのチカラでニトロ化合物から二級アミンをつくる

川上原料のニトロアレーンとアリールボロン酸を用いた二級アミン合成法が報告された。空気下で安定なモリブ…

化学的に覚醒剤を隠す薬物を摘発

化学変化を加えると覚醒剤に加工できる指定薬物を密輸しようとしたなどとして、東京税関成田支署と成田空港…

ニコラス-ターナー Nicholas Turner

ニコラス ターナー (Nicholas Turner, 1960年6月2日イギリス、ケント州Orpi…

博士課程に進学したあなたへ

どういった心構えで研究生活を送るべきかについて、昨年ですが面白い記事がNatureに出ていたので、紹…

【書籍】フロンティア軌道論で理解する有機化学

「軌道の見方がわかる!有機反応を一貫して軌道論に基づいて解説。新しい有機化学を切り拓く読者へ…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP