[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

向かい合わせになったフェノールが織りなす働き

[スポンサーリンク]

 

リボヌクレオチド還元酵素(RNR)は、DNA合成過程での核酸塩基の供給という面で生命の根幹を支える重要酵素です。また興味深いことに、類を見ない長距離ラジカル移動機構がその触媒活性に重要な役割をもつことが提唱されています。しかしながらそのメカニズムの大部分は未だ不明瞭なままです[1]。最近、米国ハーバード大のNocera教授らはRNRのラジカル移動機構に必須なチロシン残基対(Y730-Y731)に注目し、モデル分子を用いた電気化学実験と計算化学から隣接したフェノール対のラジカル移動機構における協同的な働きを調べました。

“Modulation of Phenol Oxidation in Cofacial Dyads”

Koo, B. J.; Huynh, M.; Halbach, R. L.; Stubbe, J.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11860. DOI: 10.1021/jacs.5b05955

 

リボヌクレオチド還元酵素(RNR)とその働き

 大腸菌I型RNRは2種類のサブユニット(a2とb2)から構成されます。

a2(下図:赤,ピンク)は基質のリボヌクレオチド(NDPs)結合部位と2つのアロステリック部位(基質の選択や還元速度を制御)を有します。

またb2(下図:)は鉄二核クラスターにより安定化されたチロシルラジカルb-Y122・を保持しています (4 °Cで半減期4日)。

2016-05-02_10-48-45

 

このβ-Y122・は芳香族性アミノ酸残基を経由して35 Å以上離れたα-C439を可逆的に酸化し(β-Y122[W48?]β-Y356α-Y731α-Y730α-C439)、生じたチイルラジカルα-C439・が活性種となって(下図, a)リボヌクレオチド還元反応を触媒します(下図1, b)。金属因子を介さない長距離ラジカル移動は非常に珍しく、それぞれの残基間ではプロトン共役電子移動(PCET, Appendix参照)が起こると考えられています。

 RNRのラジカル移動機構を解明する手法として、変異チロシン残基を部位特異的に導入したRNR変異体に対する電子スピン共鳴法、紫外可視吸収スペクトル法がこれまで用いられてきました[2]。また、RNRの触媒機構がPCETを経由することに着目してフェノールの酸化機構を電気化学的に調べる研究もあります[3]

2016-05-02_10-50-17

 

しかしながら実際の酵素はアミノ酸残基の周囲の環境が複雑になっており、フェノール/チロシン“単体”としての挙動を生体内モデルとして適用することは困難です。そこで筆者らはRNR内で特徴的に配置された2つのチロシン残基に着目し、そのモデル化合物の合成と電気化学的実験を行いました。

 

1組の向かい合ったフェノール対構造 ~Y730 & Y731~

上図に示すようにRNRのα2ユニット中のラジカル移動は隣接した2つのチロシン残基Y730とY731を介しています。Y730とY731はフェノールのπ平面が向かい合った対構造をとり、2つの水酸基の距離は3.3 ÅであることがX線結晶構造解析からわかっていました。

筆者らはこの特徴的なフェノール対構造がフェノールの酸化反応にどのような影響を及ぼすのか調べるため、下図に示す3つのモデル化合物を合成しました(下図a)。実際の結晶構造に類似したDPXは、2つのフェノールのπ平面が向かい合った構造をしており、水酸基間の距離が4.35 Åとなっています(下図-b)。

2016-05-02_10-54-22

 

 サイクリックボルタンメトリー(CV)法によりアセトニトリル溶媒中でのDPX、FPX、MPXの酸化反応を調べたところ下図に示す結果が得られました。

FPXとMPXは一段階二電子移動の酸化挙動を示したため(ピークIVとV)、フェノールの電極酸化と同様の機構(図4-i)で酸化されていると推測できます。これに比べて、DPXの酸化ではフェノール酸化に対応する酸化波のピークが2つに割れる(二段階二電子移動)という興味深い結果が得られました(ピークIとII)。

2016-05-02_10-55-21

 

筆者らは酸化電位の掃引速度依存性、塩基添加によるピークIのカソードシフト、DFT計算による中間体の酸化還元電位と酸性度の予測を行うことで下図に示す酸化機構を想定しています。

まず、通常のフェノール(F0)の酸化では一段階目の酸化でフェノールラジカルカチオン(F1)が生成したのち、速やかな脱プロトン化により中性のフェノールラジカル(F2)が生じます。F2はF0と同程度酸化されやすく、生成と同時にフェノキシウムカチオン(F3)への酸化が起きるため、全体として一つの酸化波が観測されます(FPXとMPX)。一方でフェノール対構造をもつDPXでは、隣接したフェノール性水酸基からの水素結合の寄与があるため、一段階目のフェノール酸化が起きやすくなり、また二段階目の酸化ではフェノキシウムカチオン(D3)ではなく一重項ビラジカルカチオン(D4)が生じます。結果として二回の酸化の酸化還元電位の差が大きくなり酸化波の分裂が観測されました。

RNRのラジカル移動機構では、β-Y356α-Y731の経路でおよそ100 mVの大きな電位差を超える必要がありました[4]。今回のフェノール対の協同的な酸化機構は、この段階のラジカル移動の鍵になると考えられる。

 

参考文献

  1. Minnihan, E. C.; Nocera, D. G.; Stubbe, J.  Chem. Res.201346, 2524.
  2. Nick, T. U.; Lee, W.; Koßmann, S.; Neese, F.; Stubbe, J.; Bennati, M. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 289.
  3. Constentin, C.; Robert, M.; Savéant, J.-M. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 11179.
  4. Yokoyama, K.; Smith, A.; Corzilius, B.; Griffin, R.; Stubbe, J Am. Chem. Soc. 2011133, 18420.

 

[Appendix]

PCET

Proton Coupled Electron Transfer (PCET)とはプロトン移動(PT)と1電子移動(ET)が協同的に起こる機構で、両者が逐次的に進行する経路(EPT or PET)と同時に進行する経路(CPET)の2つに分類できる。また、前者に比べ後者は熱力学的に有利な経路であることが知られている。PCETはRNR以外にもシトクロムcオキシダーゼやガラクトースオキシダーゼなど多岐にわたる酵素でも見られ、フェノール部位を持つチロシンはこれらの酵素活性に大きく関与するアミノ酸残基である。したがってPCETを経由しうるフェノールの酸化機構(図)を理解することは、生物化学の理解へとつながることが期待される。

2016-05-02_10-57-42

 

bona

bona

投稿者の記事一覧

愛知で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. 留学せずに英語をマスターできるかやってみた(6年目)(留学後編)…
  2. マダンガミンの網羅的全合成
  3. 5分でできる!Excelでグラフを綺麗に書くコツ
  4. 化学者のためのエレクトロニクス講座~5Gで活躍する化学メーカー編…
  5. 【22卒就活スタートイベント】Chemical Live(ケミカ…
  6. アメリカ大学院留学:TAの仕事
  7. 「全国発明表彰」化学・材料系の受賞内容の紹介(令和元年度)
  8. 化学に関係ある国旗を集めてみた

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. ボロン酸エステル/ヒドラゾンの協働が実現する強固な細胞Click反応
  2. ゼロから学ぶ機械学習【化学徒の機械学習】
  3. 2009年度日本学士院賞、化学では竜田教授が受賞
  4. 立体特異的アジリジン化:人名反応エポキシ化の窒素バージョン
  5. ボイランド・シムズ酸化 Boyland-Sims Oxidation
  6. ピーター・シュルツ Peter G. Schultz
  7. 第48回「分子の光応答に基づく新現象・新機能の創出」森本 正和 教授
  8. トップ・ドラッグ―その合成ルートをさぐる
  9. リッター反応 Ritter Reaction
  10. 山口マクロラクトン化 Yamaguchi Macrolactonizaion

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2016年5月
« 4月   6月 »
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

注目情報

注目情報

最新記事

多価不飽和脂肪酸による光合成の不活性化メカニズムの解明:脂肪酸を活用した光合成活性の制御技術開発の可能性

第346回のスポットライトリサーチは、東京大学 大学院総合文化研究科(和田・神保研究…

10手で陥落!(+)-pepluanol Aの全合成

高度な縮環構造をもつ複雑天然物ペプラノールAの全合成が、わずか10工程で達成された。Diels–Al…

吉野彰氏が2021年10月度「私の履歴書」を連載。

今年の10月はノーベル化学賞が有機化学分野から出て、物理学賞を真鍋淑郎先生が受賞して、非常に盛り上が…

ガラス工房にお邪魔してみたー匠の技から試験管制作体験までー

実験器具を試して見たシリーズ第10弾! ついにシリーズ10回目を迎えました。今回は特別編です…

ダイセルよりサステナブルな素材に関する開発成果と包括的連携が発表される

株式会社ダイセルは、環境にやさしい酢酸セルロースを当社独自の技術で加工した真球状微粒子を開発し、20…

市販の化合物からナノグラフェンライブラリを構築 〜新反応によりナノグラフェンの多様性指向型合成が可能に〜

第345回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院 理論化学研究室(前田・高橋研究室)…

PCに眠る未採択申請書を活用して、外部資金を狙う新たな手法

みなさんは毎年何本の研究申請書を書きますか?そして、残念ながら日の目を見ずに、アイデアのままパソコン…

フラーレン〜ケージを拡張、時々、内包〜

トリアジン誘導体とN-フェニルマレイミドを用いた、フラーレンのケージを拡張する新規手法が開発された。…

エキノコックスにかかわる化学物質について

Tshozoです。40年以上前、手塚治虫氏の作品「ブラック・ジャック」でこういう話が載ってい…

秋田英万 Akita Hidetaka

秋田 英万(あきた ひでたか)は、日本の有機化学者である。千葉大学薬学研究院および東北大学薬学研究院…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP