ナセ

酵素学において、微生物のニトリル同化に関与するニトリルヒドラターゼ（NHase; EC 4.2.1.84）は、関与する金属に応じて大まかに二つのグループに分類されます：単核鉄と非コリノイドコバルト酵素で、これらは多様なニトリルを対応するアミドに加水分解し、その後アミダーゼによってカルボン酸に変換されます。NHaseは、穏やかな条件下でニトリルを対応する高価値のアミドに変換できるため、有機化学プロセスの触媒として大きな可能性を秘めており、アミドを驚異的に速い速度で非常に高濃度に蓄積できるため、最も重要な産業酵素の一つとなっています。NHaseとアミダーゼは、ニトリルを唯一の窒素と炭素の供給源として利用できる細菌におけるニトリルの連続的な代謝に責任を持ち、ニトリルの加水分解を中間の一次アミドを形成することなく引き起こすニトリラーゼの代替として協調して機能することができます。

出典

多くの微生物においてNHaseが検出されています。知られている中温性NHase産生微生物の集団は、属Rhodococcusが支配しており、これまでに報告された熱帯性NHase産生生物はわずか5種です。さまざまなNHaseサブグループは、起源、安定性、補因子の要求、触媒特性において顕著な違いを示しますが、これらの酵素間のサイズとタンパク質配列に関しては高い類似性があります。有鞭毛虫Monosiga brevicollisのゲノム中の配列はNHaseをコードする可能性があり、Monosiga brevicollisの遺伝子はαおよびβサブユニットの両方を含み、単一の遺伝子に融合しています。αおよびβサブユニットの融合から構成される類似のNHase遺伝子もいくつかの真核生物の超群で同定されており、そのようなNHaseがすべての真核生物の共通の祖先に存在することを示唆しています。

分子構造

NHaseは、アミノ酸配列に関連しないαおよびβサブユニットで構成され、αβ二量体またはα₂β₂四量体の形で存在し、1つの金属原子をαβユニットごとに結合します。多くのNHaseの3D構造の決定は、αサブユニットが2つのαヘリックスを含む長い伸びたN末端アームと、異常な4層構造を持つC末端ドメインで構成されていることを示しています。βサブユニットは、αサブユニットを巻きつける長いN末端ループ、αサブユニットのN末端ドメインとパッキングするヘリカルドメイン、βロールと1つの短いヘリックスを持つC末端ドメインをカバーしています。NHaseはαβおよびα₂β₂の両方の形で存在し、in vitro質量分析実験は、αおよびβサブユニットが最初に組み立てられてαβ二量体を形成し、その後相互作用して四量体を形成することをさらに明らかにしています。

金属補因子

生化学において、コバルトは一般にコリン環に存在し、NHaseはコバルトを非コリノイドの方法で利用する珍しいタイプの酵素の一つです。コバルトを細胞膜を越えて輸送するコバルト透過酵素が同定されていますが、コバルトが毒性を引き起こすことなくNHaseに輸送されるメカニズムはまだ不明です。アミノ酸配列VCTLCの存在はCo中心のNHaseを示し、VCSLCの存在はFe中心のNHaseを示します。NHaseの活性部位における金属の同一性は、金属が結合している領域のαサブユニットの配列データを分析することによって予測できます。

メカニズム

金属中心は二つのサブユニットのインターフェースにある中央の空洞に位置し、金属原子へのすべてのタンパク質リガンドはαサブユニットによって提供されます。二つのカルボキシアミド窒素、一つのシステイン硫黄、そしてそれぞれシステイン-スルフェニック（Cys-SO）およびシステイン-スルフィニック（Cys-SO₂）酸部分からの二つの硫黄が、NHaseの金属中心の周りのドナー設定を構成します。金属イオンは八面体的に配位され、五つの頂点にタンパク質リガンドがあります。第六の位置はNOまたは溶媒交換可能なリガンド（水酸化物または水）によって占められます。鉄(III)中心の第六のサイトでのNOの結合は酵素の活性を調整する可能性があり、金属結合水酸化物がニトリルの加水分解に寄与する可能性があるとも示唆されています。金属に配位された二つのCys残基は、Cys-スルフィニック（Cys-SO₂）およびCys-スルフェニック（Cys-SO）酸に翻訳的に修飾されます。量子化学的研究は、Cys-SO残基が親核的な水分子を活性化するための塩基または親核剤として機能する可能性があることを予測しています。鉄(III)およびコバルト(III)複合体に関する構造的および分光学的研究は、金属(III)部位の異常な配位構造がそのポテンシャルを高め、すべての酸化還元活性を遮断し、第六のサイトでのNOの結合と結合したSドナーの酸化的修飾を可能にし、金属結合水のpKaを7に近づけることを示しています。

産業応用

NHaseは、アクリルニトリルからアクリルアミドの工業生産において、年間60万トンの規模で効率的に使用されており、化学製品の製造におけるバイオトランスフォーメーションプロセスの最初の成功例です。NHaseは、廃水からニトリルを除去するためにも使用されています。鉄中心に一酸化窒素（NO）が結合したNHaseは本質的に光感受性であり、光解離を通じて活性化されることができます。ニコチンアミドは、Rhodococcus rhodochrous J1のニトリルヒドラターゼの触媒作用の下で3-シアノピリジンを加水分解することによって工業的に生産され、同時に年間3500トンのニコチンアミドが動物飼料に応用されています。

参考文献