硝酸還元酵素

硝酸還元酵素（NR、EC 1.6.6.1-3）は、硝酸同化のための最初の酵素であり、NAD(P)Hから人工受容体およびレドックスタンパク質への電子供与を媒介することができる多ドメインタンパク質です。NRによる硝酸（NO3−）の亜硝酸（NO2−）への酵素的還元は、主にその基質である硝酸が信号伝達に必要であり、施肥された土壌における主要な窒素源として機能するため、ほとんどの作物植物における窒素獲得にとって重要です。NRは、植物、藻類、真菌において、いくつかの調節メカニズムを通じて還元窒素のフラックスを制御することにより、代謝の統合の中心点です。NRは、モリブデンピリチン、鉄ヘム、FAD（フラビンアデニンジヌクレオチド）からなる1:1:1の化学量論で構成されており、FADおよびMo-pterinドメインはそれぞれNAD(P)HおよびNO3−の結合部位です。シトクロムb5様のヘムドメインは、FADドメインから活性部位のMo-pterinへの電子移動を促進します。

構造

NRモノマーは、約100-kDのポリペプチド、ヘム鉄、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）、およびモリブデン-モリブデンピリチン（Mo-MPT）で構成されています。NRの8つの配列セグメントは、N末端の「酸性」領域、硝酸還元活性部位を持つMo-MPTドメイン、インターフェースドメイン、可逆的な活性調節において14-3-3結合タンパク質によって抑制されるセリンを含むヒンジ1、シトクロムbドメイン、ヒンジ2、FADドメイン、およびNAD(P)Hドメインです。三次元の二量体NR構造モデルは、亜硫酸酸化酵素およびシトクロムb還元酵素の構造から構築されています。

図1. 硝酸還元酵素の構造。（Campbell W H. 1996）

注目すべきは、膜貫通型呼吸NRが3つのサブユニット（アルファ、ベータ、2つのガンマ）を含むことです。これは、Escherichia coliの嫌気性NRの代わりに機能する第2の硝酸還元酵素として機能し、プロトンポンプとして機能し、嫌気呼吸中に硝酸を電子受容体として使用します。NRガンマサブユニットはシトクロムbに類似しており、キノンからベータサブユニットへの電子を転送します。高等植物のNRは細胞質タンパク質に属し、細胞膜の外側に存在するGPIアンカー型の変異体があります。

分類

真核生物のNRはモリブデン酵素の亜硫酸酸化酵素ファミリーの一部であり、NADHまたはNADPHから硝酸への電子移動が可能です。

原核生物のNRはモリブデン酵素のDMSO還元酵素ファミリーの一員です。これらは、同化型硝酸還元酵素（Nas）、呼吸型硝酸還元酵素（Nar）、およびペリプラズミック硝酸還元酵素（Nap）の3つのグループに分けられ、活性部位は2つのピリチン分子の4つのチオラート機能を担うMoイオンです。Moは1つのアミノ酸側鎖および酸素および/または硫黄配位子によって配位され、Napではシステイン配位子によって、Narではアスパラギン酸によってタンパク質に共有結合しています。これらの酵素の中でのMoイオンの正確な環境は依然として議論の余地があります。

メカニズム

硝酸分子は+6酸化状態のMoイオンを持つ活性部位に結合します。活性部位への電子移動は、プロトン-電子移動段階でのみ完了し、ここでMoV種が触媒において重要です。モリブデン配位球内の現在の硫黄原子は、溶媒による攻撃から保護する擬似ジチオレーン配位子を生成する可能性があります。硝酸が結合すると、この環の立体的再配置が起こり、保存されたメチオニンMet141およびMet308によって安定化されます。この再配置により、硝酸とMoVIイオンの直接相互作用が可能になります。メカニズムの第2ステップでは、硝酸が亜硝酸に還元され、硫黄原子の酸化が関与し、モリブデンの酸化は関与しません。2つのジメチルジチオレーン配位子は、化学反応のためにMo原子の近くの過剰な負電荷を分散させる上で重要です。このメカニズムは、Moイオンのみに基づく広く受け入れられているレドックス化学ではなく、モリブデンおよび硫黄に基づくレドックス化学を示唆しています。メカニズムの第2部には、MoV種の存在によって促進される2つのプロトン化ステップが含まれます。プロトンと電子の可用性に応じて、MoVI中間体もこの段階に存在する可能性があります。水分子が生成されると、MoVI種のみが水分子の解離を伴う酵素的なターンオーバーを行うことができます。

図2. 呼吸型硝酸還元酵素による硝酸還元の提案メカニズム。（Coelho C; et al. 2015）

応用

硝酸還元酵素による硝酸の亜硝酸への還元と、亜硝酸還元酵素による亜硝酸のアンモニウムへの還元は、無機硝酸をアンモニウムに生物学的に変換する2つの主要な手順であり、8電子還元プロセスです。NRは、一酸化窒素（NO）の重要な酵素源として提案されています。NRは、NAD(P)Hからそのジアフォラーゼ/脱水素酵素ドメインを介して一酸化窒素を捕捉する二酸化ヘモグロビンTHB1および硝酸からのNO合成を担うモリブデン酵素NO形成亜硝酸還元酵素（NOFNiR）への電子を転送することによって、NOのホメオスタシスにも関与しています。光合成生物における重要な信号分子NOのホメオスタシスは、NRおよびNOFNiRの2つの重要なモリブデン酵素、およびヘモグロビンのジオキシゲナーゼ活性に依存しています。

NR活性は、降雨収量および穀物タンパク質生産を予測するための生化学的ツールとして利用できます。NRはまた、茶葉におけるアミノ酸生産を増加させます。南インドの条件下では、モリブデンとともにさまざまな微量栄養素を散布された茶植物が茶芽のアミノ酸含量を増加させ、作物収量も増加したと報告されています。

参考文献