ニトロゲナーゼ活性部位のモデル構築と機能

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15750047
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 大木 靖弘 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 助手 (10324394)
• キーワード: 鉄(II)アミド錯体 / 硫黄 / ニトロゲナーゼ / チオラート / P-cluster / ルテニウム / タングステン / チオ尿素

研究概要

従来の鉄-硫黄クラスターの合成方法は、鉄イオンと硫黄元素、チオラート塩を混合するものであったが、この方法では極性溶媒の使用は避けられず、そのため柔軟な骨格を有する多金属系の含硫黄クラスターの合成においては、極性溶媒のサポートを経た骨格の開裂や再編成が容易に起こりやすく、生成物のほとんどが熱力学的に最安定な構造に収束していた。15年度の本研究では、従来の手法から脱却し、出発物質に易溶性の鉄アミド錯体を用い、硫黄元素、チオ尿素誘導体、およびチオラート塩の代わりにチオールを作用させる、非極性溶媒で均一に反応を進行させる新しいクラスター合成方法を開発し、結果としてP-clusterの[Fe_8S_7]骨格を構築することに成功した。合成した[Fe_8S_7]錯体は、まさに生体内に含まれるP-clusterの骨格そのものであり、タンパク中でしか安定に存在し得ないと考えられてきた比較的不安定な骨格が、溶液中で準安定なものであることを示すとともに、生合成の過程が明らかにされていなかった天然のP-clusterが、自己集合反応から生成しうることを証明するものである。本研究で得られた[Fe_8S_7]クラスターに含まれる鉄の形式酸化状態は、Fe(II)_6Fe(III)_2であり、電子状態は天然の還元型P^N-clusterのFe(II)_8とは二電子異なり、酸化型P^<2+>-clusterに相当する。Mossbauerスペクトルにおいて鉄のシグナルが3:1強度比に観察されたことは、還元型P^N-clusterと同じ傾向であり、同じ骨格を有することを支持するものである。また、電気化学的測定から、[Fe_8S_7]クラスターは二電子までの可逆な還元反応を行えることが明らかになった。すなわち、天然の還元型P^N-clusterと同じ酸化状態のクラスターを系中で発生させることが可能である。また、[Fe_8S_7]クラスターのESRスペクトル、磁化率測定から、このクラスターは基底状態で反磁性であることも判明した。
研究対象をニトロゲナーゼにとどめず、酵素ヒドロゲナーゼに関連する水素のヘテロリティックな開裂反応、すなわち水素分子をプロトンとヒドリドに分割する反応を達成するために、新しいW-Ru二核錯体を合成し、水素分子のヘテロリテイックな活性化を達成した。本研究で達成した反応は、水素とプロトン/ヒドリドの変換を可逆に行うものであり、かつ異種金属二核錯体としては初めての例でもある。その反応機構の多くも解明した。
本研究と関連して、易溶性の嵩高いチオラートの利用も種々検討し、低配位の配位不飽和Ru(II)錯体を合成し、その反応性を明らかにした。チオラートが可逆に金属に結合できることを初めて証明する成果でもある。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ohki, Y.Sunada, M.Honda, M.Katada, K.Tatsumi: "Synthesis of the P-cluster Inorganic Core of Nitrogenase"J.Am.Chem.Soc.. 125. 4052-4053 (2003)
• [文献書誌] Y.Ohki, N.Matsuura, T.Marumoto, H.Kawaguchi, K.Tatsumi: "Heterolytic Cleavage of Dihydrogen Promoted by Sulfido-Bridged Tungsten-Ruthenium Dinuclear Complexes"J.Am.Chem.Soc.. 125. 7978-7988 (2003)
• [文献書誌] Y.Ohki, H.Sadohara, Y.Takikawa, K.Tatsumi: "A Coordinatively Unsaturated 2,6-Dimesitylphenyl Thiolate Complex of Half-Sandwich Ruthenium(II)"Angew.Chem.Int.Ed.. 43(in press). (2004)
• [文献書誌] 大木靖弘(執筆分担): "第5版実験化学講座21-有機遷移金属化合物、超分子錯体-"丸善株式会社. 490 (2004)