CPR

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要旨

シトクロムP450（CYP、ヘムタンパク質）とシトクロムP450還元酵素（CPR、二フラビン酵素）からなる二酵素系は、酸素およびNADPHを利用して、各種細胞・臓器における内因性分子および外因性（異物）分子の産生を媒介する。興味深いことに、代謝において1:1比が最適と考えられるにもかかわらず、広く観察されるCYP:CPRの分布比は10～100:1、あるいはそれ以上である。さらに、これらのin vitroまたはin situのアセンブリにおいて消費されるNADPH当量は、しばしば代謝された基質量を大幅に上回る。CPRが分子状酸素を活性化し、拡散性還元型酸素種（DROS）を生成し得ることが報告されている。加えて、CPRは拡散性ラジカルを介する過程により過酸化物を消費し、その結果として水を生成する（ただし顕著な酸素発生は伴わない）。 

研究者らはまた、CYP+CPR混合系における主要な反応性が、CPRの酸素活性化速度および過酸化物枯渇速度であることを定量的に示した。すなわち、CPRは反応環境中の拡散性還元型酸素種の濃度を調節し得ることが示されている。これらの研究は、CPRが不可避的にDROSを生成・枯渇させる以上、CPR媒介反応にはエネルギー的に「無駄」があり、かつ潜在的に「有害」であり得ることを指摘する。したがって、細胞内でCPRが低密度に分布している理由も説明される。従来CYPのヘム中心に主として帰属されていた一部の活性が、現在ではCPRのフラビンに由来する側面であることが同定されている。 

シトクロムP450およびシトクロムP450還元酵素

シトクロムP450（CYP）は、多様なヘム-チオレートタンパク質ファミリーとして、in vivoにおける複数の内因性分子および外因性（異物）化合物の代謝を担う。CYPは、比較的反応性の低い部位を選択的に酸化し、キラルシントンを生成できることから、グリーンケミストリーにおける高い潜在性を有すると考えられている。CYPは、高度に保存されたシトクロムP450還元酵素（CPR、二フラビン酵素）と協調して機能する。末端の還元当量は還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADPHおよびNADH）から供給され、分子状三重項酸素が主要な酸化剤として用いられる。CYP+CPR反応全体は「脱共役（decoupling）」していることが見出され、その結果、反応系内でスーパーオキシドおよび過酸化物といった拡散性還元型酸素種（DROS）が生成される。基質がCYPの活性部位に結合するとヘム鉄の酸化還元電位が上昇し、このタンパク質間相互作用によりCPRによるCYPの還元が促進され得る。

図1. ヘム中心におけるDROSおよび水生成の旧来機構（Manoj, K.M.; et al. 2010）

「脱共役」はNADPHの還元当量の損失をもたらすため、エネルギー浪費的な過程とみなされる。理論的には、NADPH 1分子は、全体としての2電子過程を通じて、過酸化物1分子または水酸化生成物1分子を生じ得る。しかし、反応媒体中で生成した水酸化生成物およびDROSの総量を、消費されたNADPH量が大きく上回ることを示す実験データが存在する。この化学量論的不均衡を説明するため、ヘム中心に基づく機構が提案されている。すなわち、2電子不足の酸素化CYP触媒中間体であるコンパウンドIが、（CPRの補助のもと）別のNADPH分子を消費し、その結果として水を生成するというものである。

図2. CYP+CPR混合系に関与する反応（Manoj, K.M.; et al. 2010）

CPR媒介の過酸化物枯渇におけるラジカル反応の関与

図3は、強力なラジカル捕捉剤であるアスコルビン酸パルミテート（AAP）を添加した場合の、CPR媒介の過酸化物分解反応への影響を示す。CPRを用いた陽性対照反応では、初期過酸化物の97%以上が40分以内に分解された。AAP単独の対照では約35%のバックグラウンド過酸化物分解が認められた一方、CPRとAAPの両方を含む試験群では同期間で47%の分解であった。過酸化物の自己触媒的分解を考慮すると、AAPを含むCPR反応混合物が示した反応性は、CPRを含む反応性の約19%にとどまる。この結果は、CPR媒介の過酸化物枯渇に拡散性ラジカルが関与することを強く示唆する。

図3. CPR媒介の過酸化物枯渇におけるラジカル捕捉剤の影響（Manoj, K.M.; et al. 2010）