ペルオキシダーゼに対するカタラーゼ活性賦与:過酸化水素との反応の制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 14209019
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 広領域
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 渡辺 芳人 名古屋大学, 大学院理学研究科, 教授 (10201245)
• 研究分担者: 中島 洋 名古屋大学, 大学院理学研究科, 助教授 (00283151) ; 上野 隆史 名古屋大学, 物質科学国際研究センター, 助手 (70332179)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円); 2005年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2004年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2003年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2002年度: 20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円)
• キーワード: カタラーゼ / ミオグロビン / ヘム / 高原子価 / 酸化 / 西洋ワサビペルオキシダーゼ / P450BSβ / 西洋わさびペルオキシダーゼ

研究概要

カタラーゼは生体内に広く存在し、過酸化水素を水と酸素に分解するヘム酵素である。反応サイクルは休止状態(Fe^<III>)のヘムが過酸化水素と反応することにより開始され、cpd I(Fe^<IV>=O Por^<+・>)と水を生成する。さらに、cpd Iは過酸化水素と反応することで水と酸素を生成し、休止状態に戻る(カタラーゼ反応)。この反応は昔から良く知られているものの、カタラーゼのcpd Iと過酸化水素の反応速度は、cpd Iの生成速度とほぼ同じであるため、過酸化水素の分解過程を直接観測することが出来ない。そのため、分子機構はまだ明白になっていない。本研究では、軽水および重水中で反応素過程の測定が可能なミオグロビン(Mb)の変異体をカタラーゼモデルとして用い、Mbのcpd I(Mb-I)と過酸化水素の反応の速度論解析を行なった。その結果、cpd Iが過酸化・水素を分解する素過程には、二種類の異なる反応機構が存在し、ヘム近傍に一般酸塩基触媒が存在するか否かによって反応機構が制御されていることを初めて見いだした。一般酸塩基としてヒスチジンが存在する場合には、過酸化水素の酸化分解はイオン的な機構で進行し、存在しない場合には、ラジカル機構で過酸化水素が分解される。この結論は、Mbのcpd Iと過酸化水素の反応素過程の速度論的な解析によって初めて明らかになったが、カタラーゼ自身を使った研究では、同様な実験を行うことは不可能であり、我々がこれまで進めてきたMbミュータントを用いることで初めて示すことが出来たものである。

研究成果

• [雑誌論文] Monooxygenation of an Aromatic Ring by F43W/H64D/V68I Myoglobin Mutant and Hydrogen Peroxide (2005)
  • 著者名/発表者名: T.D.Pfister, T.Ohki, T.Ueno, I.Hara, S.Adachi, Y.Makino, N.Ueyama, Y.Lu, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 280 ページ: 12858-12866
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Coordinated Design of Cofactor and Active Site Structure in Development of Nnew Protein Catalysts (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, T.Koshiyama, M.Ohashi, K.Kondo, M.Kono, A.Suzuki, T.Yamane, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 6556-6562
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reversible and regioselective Reaction of La@C62 with Cyclepentadiene (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Maed, J.Miyashita, T.Hasegawa, T.Wakahara, T.Tsuchiya, T.Nakahodo, T.Akasaka, N.Mizorogi, K.Kobayashi, S.Nagase, T.Kato, N.Ban, H.Nakajima, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 12190-12191
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structural and Spectroscopic Characterization of (μ-Hydroxo or μ-oxo)(μ-Peroxo)diiron(III) Complexes : Models for Peroxo Intermediates of Non-Heme Diiron Proteins (2005)
  • 著者名/発表者名: X.Zhang, H.Furutachi, S.Fujinami, S.Nagatomo, Y.Maeda, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 826-827
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reversible O-O Bond Cleavage and Formation of a Peroxo Moiety of a Peroxocarbonate Ligand Mediated by an Iron(III) Complex (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Furutachi, K.Hashimoto, S.Nagatomo, T.Endo, S.Fujinami, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 4550-4551
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Watanabe, Monooxygenation of an Aromatic Ring by F43W/H64D/V681 Myoglobin Mutant and Hydrogen Peroxide. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.D.Pfister, T.Ohki, T.Ucno, I.Hara, S.Adachi, Y.Makino, N.Ueyama, Y.Lu, Y.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 280 ページ: 12858-12866
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Coordinated Design of Cofactor and Active Site Structures in Development of Nnew Protein Catalysts. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, T.Koshiyama, M.Ohashi, K.Kondo, M.Kono, A.Suzuki, T.Yamane, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 6556-6562
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Reversible and Regioselective Reaction of La@C62 with Cyclopentadiene. (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Maed, J.Miyashit, T.Hasegawa, T.Wakahara, T.Tsuchiya, T.Nakahodo, T.Akasaka, N.Mizorogi, K.Kobayashi, S.Nagase, T.Kato, N.Ban, H.Nakajima, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 12190-12191
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Structural and Spectroscopic Characterization of (μ-Hydroxo or μ-Oxo)(μ-Peroxo)diiron(111) Complexes : Models for Peroxo Intermediates of Non-Heme Diiron Proteins. (2005)
  • 著者名/発表者名: X.Zhang, H.Furutachi, S.Fujinami, S.Nagatomo, Y.Maeda, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 826-827
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Reversible O-O Bond Cleavage and Formation of a Peroxo Moiety of a Peroxocarbonate Ligand Mediated by an Iron(1ll) Complex. (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Furutachi, K.Hashimoto, S.Nagatomo, T.Endo, S.Fujinami, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 4550-4551
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Functionalization of Myoglobin. (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Watanabe, T.Hayashi
  • 雑誌名: in Progress in Inorganic Chemistry.(Wiley-Interscience) ページ: 449-493
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Monooxygenation of an Aromatic Ring by F43W/H64D/V68I Myoglobin Mutant and Hydrogen Peroxide (2005)
  • 著者名/発表者名: T.D.Pfister, T.Ohki, T.Ueno, I.Hara, S.Adachi, Y.Makino, N.Ueyama, Y.Lu, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 280 ページ: 12858-12866
• [雑誌論文] Reversible and Regioselective Reaction of La@C62 with Cyclopentadiene (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Maed, J.Miyashit, T.Hasegawa, T.Wakahara, T.Tsuchiya, T.Kato, N.Ban, H.Nakajima, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 12190-12191
• [雑誌論文] Coordinated Design of Cofactor and Active Site Structures in Development of New protein Catalysts (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, T.Koshiyama, M.Ohashi, K.Kondo, M.Kono, A.Suzuki, T.Yamane, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 6556-6562
• [雑誌論文] Structural and Spectroscopic Characterization of(μ-Hydroxo orμ-Oxo)(μ-Peroxo)diiron(III)Complexes : Models for Peroxo Intermediates of Non-Heme Diiron Proteins (2005)
  • 著者名/発表者名: X.Zhang, H.Furutachi, S.Fujinami, S.Nagatomo, Y.Maeda, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 826-827
• [雑誌論文] Reversible O-O Bond Cleavage and Formation of a Peroxo Moiety of a Peroxocarbonate Ligand Mediated by an Iron(III)Complex (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Furutachi, K.Fujinami, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 4550-4551
• [雑誌論文] Structural and Spectroscopic Characterization of (μ-Hydroxo or μ-Oxo)(μ-peroxo)diiron (III) Complexes : Models for Peroxo Intermediates of Non-Heme Diiron Proteins (2005)
  • 著者名/発表者名: X.Zhang, H.Furutachi, S.Fujinami, S.Nagatomo, Y.Maeda, Y.Watanabe, T.Kitagawa, M.Suzuki
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 826-827
• [雑誌論文] Monooxygenation of an Aromatic Ring by F43W/H64D/V68I Myoglobin Mutant and Hydrogen Peroxide (2005)
  • 著者名/発表者名: T.D.Pfister, T.Ohki, T.Ueno, I.Hara, S.Adachi, Y.Makino, N.Ueyama, Y.Lu, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 280(印刷中)
• [雑誌論文] Size Selective Olefin Hydrogenation by a Pd Nanocluster Provided in the Apo-Ferritin Cage (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, M.Suzuki, T.Goto, T.Matsumoto, K.Nagayama, Y.Watanabe
  • 雑誌名: Angew.Chem.Int.Ed. 43 ページ: 2527-2530
• [雑誌論文] Crystal Structures of Artificial Metalloproteins (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, M.Ohashi, M.Kono, K.Kondo, A.Suzuki, T.Yamane, Y.Watanabe
  • 雑誌名: Inorg.Chem. 43 ページ: 2852-2858
• [雑誌論文] Hybridization of Modified-Heme Reconstitution and Distal Histidine Mutation to Functionalize Sperm Whale Myoglobin (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Sato, T.Hayashi, T.Ando, Y.Hisaeda, T.Ueno, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 436-437
• [雑誌論文] Mechanistic Studies of the Isomerization of Peroxynitrite to Nitrate Catalyzed by Distal Histidine Metmyoglobin Mutants (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Herold, S.Kalinga, T.Matsui, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 6945-6955
• [雑誌論文] Interaction of Plastocyanin with Oligopeptides : Effect of Lysine Distribution within the Peptide (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Hirota, H.Okumura, S.Arie, K.Tanaka, M.Shionoya, T.Takabe, N.Funasaki, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Inorg.Biochem. 98 ページ: 849-855
• [雑誌論文] Catalase Reaction by Myoglobin Mutants and Native Catalase (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Kato, T.Ueno, S.Fukuzumi, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 279 ページ: 52376-52381
• [雑誌論文] pH-Selective Synthesis and Structures of Alkynyl, Acyl, and Ketonyl Intermediates in Anti-Markovnikov and Markovnikov Hydrations of a Terminal Alkyne with a Water-Soluble Iridium Aqua Complex in Water (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Ogo, K.Uehara, T.Abura, Y.Watanabe, S.Fukuzumi
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 16520-16527
• [雑誌論文] Molecular Engineering of Cytochrome P450 and Myoglobin for Selective Oxygenations (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Ueno, T.Ohki, Y.Watanabe
  • 雑誌名: J.Por.Phthal. 8 ページ: 279-289
• [雑誌論文] Why do Nitrogenases Waste Electrons by Evolving Dihydrogen? (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Ogo, B.Kure, H.Nakai, Y.Watanabe, S.Fukuzumi
  • 雑誌名: Appl.Organometal.Chem. 18 ページ: 589-594
• [雑誌論文] 金属酵素による小分子の活性化 (2004)
  • 著者名/発表者名: 城 宜嗣, 渡辺 芳人
  • 雑誌名: 生化学 76 ページ: 429-439
• [雑誌論文] ミオグロビン骨格を利用した人工ヘム酵素の創成 (2004)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 芳人
  • 雑誌名: 触媒 46 ページ: 268-273
  • NAID: 10013449997
• [雑誌論文] 蛋白質空間を利用した物質返還-ヘム酵素を中心とした金属酵素の分子設計 (2004)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 芳人
  • 雑誌名: 蛋白質・核酸・酵素 49 ページ: 2253-2259
• [図書] Functionalization of Myoglobin In Progress in Inorganic Chemistry (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Watanabe, T.Hayashi
  • 総ページ数: 43
  • 出版者: Wiley-Interscience
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Abura, S.Ogo, Y.Watanabe, S.Fukuzumi: "Isolation and Crystal Structure of Water-Soluble Iridium Hydride. Robust and Highly Active Catalyst for Acid-Catalyzed Transfer Hydrogenations of Carbonyl Compounds in Acidic Media"J.Am.Chem.Soc. 125. 4149-4154 (2003)
• [文献書誌] S.Fukuzumi, K.Shimoosako, T.Suenobu, Y.Watanabe: "Mechanisms of Hydrogen-, Oxygen-, and Electron-Transfer Reactions of Cumylperoxy Radical"J.Am.Chem.Soc. 125. 9074-9082 (2003)
• [文献書誌] H.Furutachi, M.Murayama, A.Shiohara, S.Yamazaki, S.Fujinami, A.Uehara, M.Suzuki, S.Ogo, Y.Watanabe, Y.Maeda: "Regioselective Hydroxylation of the Xylyl Linker in a Diiron(III) Complex having a carboxylate-Rich Ligand with H2O2"J.Chem.Soc., Chem.Commun.. 1900-1901 (2003)
• [文献書誌] H.Yang, T.Matsui, S.Ozaki, S.Kato, T.Ueno, G.N.Phillips, Jr., S.Fukuzumi, Y.Watanabe: "Molecular Engineering of Myoglobin : Influence of Residue 68 on the Rate and the Enantioselectivity of Oxidation Reactions Catalayzed by H64D/V68X Myoglobin"Biochemistry. 42. 10174-10181 (2003)
• [文献書誌] H.Sato, T.Hayashi, T.Ando, Y.Hisaeda, T.Ueno, Y.Watanabe: "Hybridization of Modified-Heme Reconstitition and Distal Histidine Mutation to Functionalize Sperm Whale Myoglobin"J.Am.Chem.Soc.. 126. 436-437 (2004)
• [文献書誌] T.Ueno, M.Suzuki, T.Goto, T.Matsumoto, K.Nagayama, Y.Watanabe: "Size Selective Olefin Hydrogenation by a Pd Nanocluster Provided in the Apo-Ferritin Cage"Angew.Chem.Int.Ed.. 43(印刷中). (2004)
• [文献書誌] T.Ueno, M.Ohashi, M.Kono, K.Kondo, A.Suzuki, T.Yamane, Y.Watanabe: "Crystal Structures of Artificial Metalloproteins"Inorg.Chem.. 43(印刷中). (2004)
• [文献書誌] Y.Watanabe, T.Ueno: "Introduction of P450, peroxidase, and catalase Activities into Myoglobin by Site-Dorected Mutagenesis : Diverse Reactivity of Compound I"Bull.Chem.Soc.Jpn. 76. 1309-1322 (2003)
• [文献書誌] 渡辺芳人: "P450の分子生物学(分担執筆)"講談社サイエンティフィク. 255 (2004)
• [文献書誌] Y.Watanabe: "Constraction of Heme Enzymes : Four Approaches"Curr. Opin. Chem. Biol.. 6. 208-216 (2002)
• [文献書誌] Y.Watanabe: "Rational Molecular Design of a Catalytic Site : Engineering of Catalytic Functions to the Myoglobin Active Site Framework"Ind. J. Chem.. 41. 86-87 (2002)
• [文献書誌] A.Wada, S.Ogo, S.Nagatomo, T.Kitagawa, Y.Watanabe, K.Jitsukawa, H.Masuda: "Reactivity of Hydrogen peroxide Bound to a Mononuclear Non-Heme iron Site"Inorg. Chem.. 41. 616-618 (2002)
• [文献書誌] K.Hashimoto, S.Nagatomo, S.Fujinami, H.Furutachi, S.Ogo, M.Suzuki, A.Uehara, Y.Maeda, Y.Watanabe, T.Kitagawa: "A New Mononuclear Iron(III) Complex Containing a Peroxocarbonate Ligand"Angew. Chem. Int. Ed.. 41. 1201-1205 (2002)
• [文献書誌] S.Ogo, T.Abura, Y.Watanabe: "pH-Dependent Transfer Hydrogenation of ketones with HCOONa as a Hydrogen Donor Promoted by (η^6-C_6Me_6)Ru Complexes"Organometallics. 21. 2964-2969 (2002)
• [文献書誌] R.Yamahara, S.Ogo, H.Masuda, Y.Watanabe: "(Catecholata)iron(III) Complexes : Structural and Functional Models for the Catechol-Bound iron(III) Form of Catechol Dioxygenase"J. Inorg. Biochem.. 88. 284-294 (2002)
• [文献書誌] H.Nakai, S.Ogo, Y.Watanabe: "pH-Dependent Cross-Coupling reactions of water-Soluble organic halides with organoboron Compounds Catalyzed by the organometallic Aqua Complex [(SCS)Pd^<II>(H_2O)]^+ (SCS=C_6H_3-2,6-(CH_2SBut)_2)"Organometallics. 21. 1674-1678 (2002)
• [文献書誌] S.Ogo, R.Yamahara, M.Roach, T.Suenobu, M.Aki, T.Ogura, T.Kitagawa, H.Masuda, S.Fukuzumi, Y.Watanabe: "Structural and Spectroscopic Features of a cis (Hydroxo)-FeIII-(Carboxylato) Configuration as an Active Site Model for Lipoxygenases"Inorg. Chem.. 41. 5513-5530 (2002)
• [文献書誌] T.Abura, S.Ogo, Y.Watanabe, S.Fukuzumi: "Isolation and Crystal Structure of Water-Soluble Iridium Hydride. Robust and Highly Active Catalyst for Acid-Catalyzed Transfer Hydrogenations of Carbonyl Compounds in Acidic Media"J. Am. Chem. Soc.. 125(印刷中). (2003)
• [文献書誌] M.Ohashi, T.Koshiyama, T.Ueno, M.Yanase, H.Fujii, Y.Watanabe: "Isolation and Crystal Structure of Water-Soluble Iridium Hydride. Preparation of Artificial Metalloenzymes by Insertion of Chromium (III)Schiff Base Complexes into Apomyoglobin Mutants"Angew. Chem. Int. Ed.,. 42. 1005-1008 (2003)