CPO

CPO (EC 1.11.1.10、クロロペルオキシダーゼ) は、オキシド還元酵素のクラスに属し、ペルオキシダーゼです。この酵素の系統名は塩化物:過酸化水素オキシドレダクターゼです。一般的に使用される他の名前には、クロロペルオキシダーゼ、CPO、バナジウムハロペルオキシダーゼが含まれます。CPOは、無機基質塩化物と過酸化水素を結合させて有機化合物の塩素化を触媒し、炭化水素基質中のプロトンを置き換えてCl⁺を生成します。反応中にヘムまたはバナジウムを補因子として使用します。CPOは、海洋真菌Caldariomyces fumagoによって分泌されるヘムを含む糖タンパク質です。CPOの各分子は、ハロゲン化、ペルオキシ化、エポキシ化などのさまざまな反応を触媒するフェリプロトポルフィリンIXの補因子を含んでいます。長年にわたり、CPOはP450と類似のスペクトル特性を示す唯一のペルオキシダーゼとして知られていましたが、現在では他の生物にも類似の酵素が見つかっています。

構造

完全なCPO遺伝子は373アミノ酸のタンパク質をコードしており、成熟したCPOに加工されるために2つのプロテオリティックプロセスを経ます。1つはN末端で20アミノ酸のシグナルペプチドを除去し、もう1つはC末端で52アミノ酸のペプチドを除去します。CPOの三次構造は、他のペルオキシダーゼやP450と類似した50%のヘリックスを含んでいますが、全体のトポロジーは他のヘム酵素と同一ではありません。活性部位付近の構造には類似性があります。他のヘムペルオキシダーゼと同様に、CPOはN末端とC末端のドメインに折りたたまれ、ヘムは2つのドメインの間に挟まれています。この折りたたみは、8つのαヘリカルセグメント（A-H）、3つの短い3₁₀ヘリックス（C'、D'、G'）、および短い逆平行βペアを含みます。他のヘム酵素と同様に、CPOにはヘム側にプロキシマルヘリックス（ヘリックスA）があり、タンパク質の軸方向ヘムリガンドを含み、遠位ヘリックス（ヘリックスF）は過酸化物活性化に必要な触媒群を提供します。CPOでは、プロキシマルヘリックスAはヘム平面に対して垂直ですが、ペルオキシダーゼやP450ではヘム平面に平行です。

図1. CPOの構造。(Sundaramoorthy M. 1995)

研究により、Cys29がチオ化ヘムリガンドを提供し、CPOのN末端ドメインに位置する軸方向リガンド残基であることが示されています。他の2つのシステイン、Cys79とCys87は、ジスルフィド結合を形成します。3つのプロリン（Pro9、Pro230、Pro292）はシス構造を持ち、Pro9は古典的なシスプロリンターンを示します。残基26-37のポリペプチドはシステインリガンド（Cys29）を囲み、鉄と硫黄の相互作用のための剛直な足場を形成します。Asn33の側鎖とAla27のバックボーン原子は水素結合の対を形成し、Arg26とAsp37の側鎖は互いに水素結合を形成します。

図2. 水素結合相互作用を示す立体図。(Sundaramoorthy M. 1995)

触媒メカニズム

現在知られているすべてのヘムペルオキシダーゼの中で、CPOはさまざまな反応タイプを触媒し、最も多用途な酵素と見なされています。最初の反応タイプは、過酸化水素または他のヒドロペルオキシドを開始剤として使用し、ハロゲン化反応に対して感受性のある化合物を基質として使用するハロゲン化です。2番目の反応タイプは最初の反応タイプに似ていますが、基質は尿酸です。3番目の反応タイプはペルオキシ化反応です。CPOは、カタラーゼ特異的反応である過酸化水素の不均化を触媒することができます。さらに、CPOはP450様のモノオキシゲナーゼ反応や選択的にハロゲン化された芳香族化合物の脱ハロゲン化も触媒できます。

図3. CPOによって触媒される反応。(Poulos T.L. 2014)

CPOの安静状態はフェリヘム中心を含んでいます。過酸化水素がヘム鉄に結合すると反応が開始され、次に2つの電子がヘム中心から過酸化水素に転送され、過酸化物結合が切断され、水分子と活性ヘム中間体化合物Iが形成されます。化合物Iは、ほとんどのヘムペルオキシダーゼ触媒反応の共通中間体です。化合物Iの化学構造は、オキソフェリルポルフィリンカチオンラジカル[ヘム（Fe⁴⁺=O）^•+]です。タンパク質の性質に応じて、ヘムタンパク質の化合物Iは異なる化学反応に参加することができます。カタラーゼ反応では、化合物Iが2番目の過酸化水素分子と相互作用して二酸素を形成し、ヘム鉄を三価鉄に還元します。ペルオキシ化反応では、化合物Iが有機分子（HA）をラジカル生成物（A•）に変換し、有機基質に1つの電子を転送して化合物IIに還元されることができます。化合物IIの構造はFe^IV=Oです。2番目の基質の酸化は三価鉄を再生することができます。塩素化反応では、化合物Iが塩化物イオンと相互作用して、化合物Xと呼ばれる三価鉄複合体（ヘムFe³⁺-O-X）を形成し、これは不安定で酵素の安静状態、ハロニウムイオン（X⁺）および水酸化物イオン（OH⁻）に分解されやすく、さらに反応してハイポハロウ酸（HOX）を形成することができます。

図4. CPO触媒反応のメカニズム。(Lin J. 2012)

応用

CPOは合成応用において最も有望なヘムペルオキシダーゼの1つです。光学活性な2,3-エポキシアルコールは、合成生物学的または製薬において重要な化合物の重要な成分です。アリルアルコールのシャープレス非対称エポキシ化は、光学活性エポキシアルコールの調製に最も多用途な方法の1つです。CPOによるオレフィンのエポキシ化は高いエナンチオ選択性を示しますが、酵素はエポキシ化のためにアリルアルコールの形成を触媒せず、代わりにアルデヒドを形成します。

参考文献