ヘムオキシゲナーゼによるヘム分解反応の全貌を明らかにする

• Project/Area Number: 14740358
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Inorganic chemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 松井 敏高 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90323120)
• Project Period (FY): 2002 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2003: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2002: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
• Keywords: ヘムオキシゲナーゼ / ヘム / 酸素活性化 / ベルドヘム / ヒドロパーオキシ / compound I

Research Abstract

ヘムオキシゲナーゼ(HO)は生体内で不要になったヘムを3段階の酸化反応で分解する酵素であり、その特異な反応のメカニズムに興味が持たれている。平成15年度は、HO反応の第1段階(αメソ位の水酸化)の詳細な機構を明らかにするとともに、第3段階(ベルドヘム開環)についても、その概要を初めて実験的に解明した。
第1段階の活性種はヒドロパーオキシ種(Fe-OOH)と考えられているが、メソ位水酸化におけるFe-OOHの活性化機構は不明であった。低温還元法によりHO複合体中においてFe-OOHを調製し、メソ位水酸化の素過程を検討したところ、顕著な溶媒同位体効果が見られた。また、メソ位水素にも有意な2次同位体効果が見られた。これらの結果から、Fe-OOHはプロトン化により活性化され、メソ位水素の脱離と協奏的に水酸化を行うことが明らかになった。さらに、変異型HOの反応解析および結晶構造解析などから、活性化に必要なプロトンはFe-OOH近傍の水分子によっで供給され、活性部位のアスパラギン酸がこの水分子の固定に重要であることが示された。
HO反応の第3段階については直接観測が困難であり、反応の概要すら明らかでなかった。そこで、化学合成したベルドヘム(酸素に不安定)を用い、HOとの再構成や全ての反応を嫌気グローブボックス中で行うことにより、詳細な検討に耐えうる反応系の確立に成功した。現在までに、酸素濃度依存性などの基礎的なデータの蓄積を終えている。特に、変異型HOを用いた研究から、第一段階と同様に活性部位のアスパラギン酸がベルドヘムによる酸素活性化に深く関与していることを明らかにした。これらの結果は、ベルドヘム代謝機構の解明の糸口になると期待され、HO反応の全貌を近い将来に明らかに出来ると期待される。

Research Products

• [Publications] Unno et al.: "Crystal structure of the dioxygen-bound heme oxygenase from Corynebacterium diphtheriae : Implications for heme oxygenase function"The Journal of Biological Chemistry. (In press). (2004)
• [Publications] Davydov, R. et al.: "Kinetic isotope effects on the rate-limiting step of heme oxygenase catalysis indicate concerted proton transfer/heme hvdroxylation"Journal of the American Chemical Society. 125(52). 16208-16209 (2003)
• [Publications] Hirata, S. et al.: "Characterization of Met95 mutants of a heme-regulated phosphodiesterase from Escherichia coil."European Journal of Biochemistry. 270(23). 4771-4779 (2003)
• [Publications] Yang et al.: "Molecular engineering of myoglobin : influence of residue 68 on the rate and the enantioselectivity of oxidation reactions catalyzed by H64D/V68X myoglobin"Biochemistry. 42(34). 10174-10181 (2003)
• [Publications] Taguchi et al.: "Binding of Oxygen and Carbon Monoxide to a Heme-regulated Phosphodiesterase from Escherichia coli"The Journal of Biological Chemistry. 279(5). 3340-3347 (2004)
• [Publications] Sasakura et al.: "Characterization of a direct oxygen sensor heme protein from Escherichia coli. Effects of the heme redox states and mutations at the heme-binding site on catalysis and structure"Journal of Biological Chemistry. 277. 23821-23827 (2002)
• [Publications] Watanabe et al.: "Unusual cyanide bindings to a heme-regulated phoshodiesterase from Escherichia coli : effect of Met95 mutations"Biochemical and Biophysical Research Communications. 299. 169-172 (2002)