CPO（契約製造機関）

CPO（EC 1.11.1.10、クロロペルオキシダーゼ）は酸化還元酵素（オキシドレダクターゼ）に分類されるペルオキシダーゼである。本酵素の系統名は chloride:hydrogen-peroxide oxidoreductase（塩化物：過酸化水素酸化還元酵素）である。一般に用いられる別名として、chloroperoxidase、CPO、vanadium haloperoxidase が挙げられる。CPOは、無機基質である塩化物イオンと過酸化水素を結合させて Cl⁺ を生成し、炭化水素基質中のプロトンを置換することにより、有機化合物の塩素化反応を触媒する。反応中の補因子としてヘムまたはバナジウムを利用する。CPOは海洋性真菌 Caldariomyces fumago により分泌されるヘム含有糖タンパク質である。各CPO分子は、ハロゲン化、ペルオキシ化およびエポキシ化など多様な反応を触媒するフェリプロトポルフィリンIXの補欠分子族を含む。長年にわたり、CPOはP450と類似した分光学的特性を示す唯一のペルオキシダーゼとして知られていたが、現在では他の生物においても類似酵素が見出されている。

構造

完全長のCPO遺伝子は373アミノ酸からなるタンパク質をコードしており、成熟CPOへと至る過程で2段階のタンパク質分解処理を受ける。すなわち、N末端側では20アミノ酸からなるシグナルペプチドが除去され、C末端側では52アミノ酸からなるペプチドが除去される。CPOの三次構造は、他のペルオキシダーゼおよびP450と同様に約50%がヘリックスで構成されるが、全体トポロジーは他のヘム酵素と同一ではない。一方、活性部位近傍の構造には類似性が認められる。他のヘムペルオキシダーゼと同様に、CPOはN末端ドメインおよびC末端ドメインへと折り畳まれ、ヘムは両ドメインの間に挟み込まれている。フォールドは8本のαヘリックス（A〜H）、3本の短い3₁₀ヘリックス（C'、D'、G'）および短い逆平行βシート対から構成される。他のヘム酵素と同様に、CPOはヘム近位側に、タンパク質の軸配位子（ヘムの軸配位リガンド）を含む近位ヘリックス（ヘリックスA）を有し、遠位側には過酸化物活性化に必要な触媒基を提供する遠位ヘリックス（ヘリックスF）を有する。CPOでは近位ヘリックスAはヘム平面に対して垂直であるのに対し、ペルオキシダーゼおよびP450ではヘム平面に対して平行である。

図1. CPOの構造。（Sundaramoorthy M. 1995）

研究により、Cys29がチオレート型ヘム配位子を提供し、CPOのN末端ドメインに位置する軸配位残基であることが示されている。残りの2つのシステインであるCys79およびCys87はジスルフィド結合を形成する。3つのプロリン（Pro9、Pro230、Pro292）はシス配座をとり、特にPro9は典型的なシスプロリンターンを示す。残基26〜37のポリペプチドはシステイン配位子（Cys29）を取り囲み、鉄—硫黄相互作用のための剛直な足場を形成する。Asn33の側鎖とAla27の主鎖原子は一対の水素結合を形成し、Arg26とAsp37の側鎖は互いに水素結合を形成する。

図2. 水素結合相互作用を示すステレオ図。（Sundaramoorthy M. 1995）

触媒機構

現在知られているヘムペルオキシダーゼの中で、CPOは多様な反応型を触媒し、最も汎用性の高い酵素と考えられている。第1の反応型は、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用い、（フッ化物を除く）ハロゲン化物およびハロゲン化反応を受けやすい化合物を基質とするハロゲン化反応である。第2の反応型は第1の反応型に類似するが、基質が尿酸である。第3の反応型はペルオキシ化反応である。CPOは過酸化水素の不均化反応も触媒し、これはカタラーゼ特異的反応である。さらにCPOは、P450様のモノオキシゲナーゼ反応および特定のハロゲン化芳香族化合物の脱ハロゲン化反応も触媒し得る。

図3. CPOが触媒する反応。（Poulos T.L. 2014）

CPOの休止状態はフェリヘム中心を含む。過酸化水素がヘム鉄に結合することで反応が開始され、その後ヘム中心から過酸化水素へ2電子が移動し、過酸化物結合が開裂して水分子が生成するとともに、活性化ヘム中間体である化合物Iが形成される。化合物Iは、多くのヘムペルオキシダーゼ触媒反応に共通する中間体である。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［heme（Fe⁴⁺=O）^•+］である。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関与し得る。カタラーゼ反応では、化合物Iが第2の過酸化水素分子と反応して二酸素を生成し、ヘム鉄を三価鉄へ還元する。ペルオキシ化反応では、化合物Iは有機分子（HA）をラジカル生成物（A•）へ変換し、有機基質へ1電子を移動することで化合物IIへ還元される。化合物IIの構造は Fe^IV=O である。第2の基質の酸化により三価鉄が再生される。塩素化反応では、化合物Iが塩化物イオンと反応して、化合物Xと呼ばれるフェリック複合体（heme Fe³⁺-O-X）を形成する。化合物Xは不安定であり、容易に分解して酵素の休止状態、ハロニウムイオン（X⁺）および水酸化物イオン（OH⁻）を生じ、これらはさらに反応して次亜ハロゲン酸（HOX）を形成し得る。

図4. CPO触媒反応の機構。（Lin J. 2012）

応用

CPOは、合成用途において最も有望なヘムペルオキシダーゼの一つである。光学活性2,3-エポキシアルコールは、生物学的に重要な化合物または医薬品として重要な化合物の合成における重要な構成要素である。アリルアルコールのSharpless不斉エポキシ化は、光学活性エポキシアルコールを調製するための最も汎用的な手法の一つである。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すが、本酵素はアリルアルコールからエポキシドを生成する反応は触媒せず、代わりにアルデヒドを生成する。

参考文献