籠型配位子を用いた多核銅錯体によるマルチ銅酸化酵素の反応機構解明

使用笼型配体的多核铜配合物阐明多铜氧化酶的反应机制

基本信息

批准号：
14J00705
负责人：
永田光知郎
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生体で電子伝達や酵素反応中心として働く銅タンパク質の中でも、3つの銅が特異的に集積化した活性部位を持つマルチ銅酸化酵素は酸素を水へと触媒的に還元する。しかし、その還元過程における酸素の活性化様式に関しての情報は限定的である。三核銅中心のモデル化合物に関しての研究は、単核銅錯体を集積化させる手法が用いられているが、酵素反応の過程を説明するには至っていない。それは銅同士が近づき過ぎてO-O結合が切れてしまうことが原因である。つまり、銅を集積化しつつ距離に制約を持たせる必要があると予想される。この点を着想として、複数の配位部位を有する籠状分子を用い、三核銅錯体の合成を行った。次に多核銅(I)錯体を前駆体として分子状酸素の取り込みおよび活性化状態の同定を行った。分光学的手法を用いることにより、三核銅錯体が酸素をペルオキソ状態で捕捉した酸素錯体が得られることが明らかとなった。一方、新しく合成を行った二核銅(I)錯体と酸化還元電位および酸素との反応速度を比較することで、二核銅中心と比較して三核銅中心がより酸素との親和性が高いことを明らかにした。この三核銅酸素錯体の推定構造は酸素と同族のジスルフィド錯体の構造を初期構造としたDFT計算に基づいて計算を行った。構造最適化の結果、三つの銅はペルオキソによって架橋されていることが明らかになった。この酸素錯体は既報のペルオキソ錯体の中でもO-O結合のエネルギーが最も小さいことが判っており、その結果を裏付ける構造を有している。続いて、三核銅酸素錯体の構造に基づきペルオキソ部位に対してプロトン付加を行ったところ、それを切っ掛けとして銅(I)部位からの電子移動を伴ったO-O結合の開裂が生じた。これまでにヘム鉄酵素でプロトン付加と金属からの電子移動を伴うO-O結合の開裂機構は提唱されており、同様な機構で銅酵素も反応が進行する可能性があることは興味深い。

在活生物体中充当电子转移和酶反应的铜蛋白中，多振氧化酶具有活性位点，其中三个铜被特异性地整合，可将催化剂降低到水中。但是，有关在还原过程中氧气激活方式的信息受到限制。三核铜中心模型化合物的研究使用技术来整合单核铜复合物，但尚未解释酶促反应的过程。这是因为铜太近了，O-O键断裂。换句话说，可以预计需要在同时限制距离的同时加入铜。考虑到这一点，使用具有多个配位位点的笼子样分子合成三核铜络合物。接下来，使用多核铜（I）复合物作为前体鉴定分子氧被摄取并鉴定出活化的态。使用光谱技术，已经揭示了一种氧气复合物，其中三核铜络合物可以在其中捕获氧气中的氧气。另一方面，通过比较新合成的双核铜（I）复合物与氧化还原潜力和氧气的反应速率，可以发现三核铜中心与二核铜中心相比具有更高的氧气亲和力。根据DFT计算，使用二硫键复合物的结构计算出该三核铜氧的估计结构，该结构与氧作为初始结构。结构优化表明，这三个铜被过氧化铜交联。在先前报道的过氧络合物中，该氧气复合物具有O-O键的最低能量，并且具有支持结果的结构。随后，基于三核铜氧复合物的结构在过氧部位进行质子化，这被用作引起O-O键的裂解，并伴随着从铜（I）位点的电子转移。迄今为止，在血红素铁酶中提出了一种涉及质子化和电子转移的O-O键的机制，有趣的是，反应可能会以类似的机制进行。