シクロヘキサノンモノオキシゲナーゼ

関連する読書

序論

シクロヘキサノンモノオキシゲナーゼは、フラビン依存性モノオキシゲナーゼであり、極めて広範な基質スペクトルを有し、窒素、ホウ素、硫黄などのヘテロ原子の酸素化を含む100種類以上の反応を触媒することが可能である。化学触媒と比較して、シクロヘキサノンモノオキシゲナーゼは触媒反応において分子状酸素を酸化剤として直接利用でき、より温和な条件下で高い立体選択性を達成できることから、現在では有機合成における不可欠なツール酵素となっている。

CHMO

Bacillus 属に由来するシクロヘキサノンモノオキシゲナーゼ（CHMO）は、合成用途への適用可能性を有する最初のCHMOである。シクロヘキサノンモノオキシゲナーゼの分子量は約60 kDaで、環状ケトンおよびアルデヒドなど100種類以上の基質を触媒でき、非常に広い基質スペクトルを示す。さらにCHMOは、スルフィド、第三級アミン、亜硫酸塩などのヘテロ原子含有基質も触媒可能であり、強力な触媒活性と選択性を有する。

分類

CHMO酵素は、補酵素依存性に基づき3つのカテゴリーに分類される。タイプI CHMOはフラビンおよびNADPHを補因子として必要とし、グループBフラビンモノオキシゲナーゼに属する。タイプII CHMOはNADHおよびFADに依存し、クラスCフラビンモノオキシゲナーゼに属する。タイプIII CHMOは非典型的CHMOであり、クラスAフラビンモノオキシゲナーゼに属する。これらのうち、CHMOはフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）およびNADPHを補酵素として必要とするクラスI CHMOに分類される。このクラスのCHMOには、「GXGXXG」という2つの特徴的なフィンガープリント配列が含まれ、2つの構造ドメインに保存されており、それぞれ補酵素FADおよびNADPHの非共有結合性結合部位となる。CHMOは、FAD結合ドメインおよびNADPH結合ドメインの2つの構造ドメインを有する。これら結合ドメインにおけるアミノ酸変異により、補酵素依存性を変化させることができる。Fraaijeらは、NADPH結合に重要な残基を変異させることで、変異体をNADPH依存性からNADH依存性へと変更した。

触媒機構

CHMOが触媒する酵素反応全体を通じて、補酵素NADPHがまずFADを還元して還元型FADを形成し、これが分子状酸素により酸化されてC4α-ペルオキシフラビン中間体を生成する。この中間体は求核試薬として作用し、基質ポケットに結合した基質のカルボニル炭素原子を攻撃して四面体型の「Criegee」中間体を形成し、その後の分子内転位により、Baeyer–Villiger反応として酸素原子が基質へ移動する。転位後、C4α-ペルオキシフラビン中間体から水分子が脱離してFADが再生される。また、反応の全過程にわたりNADPがC4α-ペルオキシフラビン中間体に結合し、中間体の安定性を維持する。

生物学的機能

CHMOは細菌由来のフラボ酵素であり、細胞内での主な機能は、環状ケトンであるシクロヘキサノンをε-カプロラクトンへ変換する反応を触媒することであり、これはシクロヘキサノールの生分解経路における重要なステップである。しかし、CHMOは特異性が低いことから、一般に4〜6員環の各種環状ケトンからラクトンを生成する用途に利用でき、生成したラクトンはさらに加水分解されて脂肪族酸となる。さらにCHMOは、芳香族アルデヒドおよびヘテロ原子含有化合物（例：三価リン化合物やボロン酸）も酸素化できる能力を有し、工業用途の候補となっている。

酵素機構

シクロヘキサノンモノオキシゲナーゼ（CHMO）は、NADPHおよびO₂を共基質として用い、FADを補因子として、基質に酸素原子を挿入する。この過程では、フラビン-ペルオキシドおよびCriegee中間体の形成を伴う。