金属依存性酵素

金属依存性酵素、すなわちメタロ酵素は、その活性部位に金属イオンを必要とする触媒です。全酵素の約3分の1が金属を利用すると考えられており、金属が提供する化学的性質が、炭酸脱水酵素の亜鉛からチトクロームP450オキシゲナーゼの鉄に至るまで、酵素の機能を決定します。

Definition

金属依存性酵素（メタロ酵素）は、その触媒活性が活性部位またはその近傍に結合した1つ以上の金属イオンを必要とする酵素であり、金属はルイス酸、レドックス中心、または基質および中間体の幾何学的配置の組織者として反応に参加します。

Scope

このトピックでは、酵素が結合した金属イオンを触媒作用にどのように利用するかについて扱います。具体的には、ルイス酸として機能する亜鉛酵素、マグネシウム依存性リン酸転移酵素、鉄含有オキシゲナーゼおよび鉄硫黄酵素、ならびに銅およびマンガン酵素についてです。これはメタロ酵素の化学に関する参照概要であり、臨床的ガイダンスではありません。金属そのものや細胞がそれらを供給する方法については、金属イオン補因子に関する関連トピックで扱います。

Core questions

• 結合した金属はどのようにして反応の活性化エネルギーを低下させるのでしょうか？
• なぜ亜鉛は加水分解酵素や基転移酵素に広く利用されているのでしょうか？
• 鉄中心はC-H水酸化のような困難な酸化をどのようにして可能にするのでしょうか？
• 強固に結合したメタロ酵素と、緩く金属活性化された酵素を区別するものは何でしょうか？

Key concepts

• 活性部位ルイス酸としての亜鉛
• リン酸転移におけるマグネシウム（キナーゼ、ポリメラーゼ）
• ヘム鉄オキシゲナーゼ（チトクロームP450）
• 非ヘム鉄および鉄硫黄酵素
• 酸素処理における銅酵素
• 酸化還元酵素におけるマンガン
• 触媒的金属部位と構造的金属部位

Mechanisms

メタロ酵素は、金属が利用可能にする化学的性質を利用します。活性部位の亜鉛イオンは、結合した水分子または基質カルボニルを分極させ、求核剤を生成するか、発生する負電荷を安定化させます。これは多くの加水分解酵素や炭酸脱水酵素が用いる戦略です（Maret, 2013; Holm et al., 1996）。マグネシウムイオンはリン酸基を配位させ、キナーゼや核酸ポリメラーゼにおいてインライン攻撃のためにそれらを整列させます（Cowan, 2002）。チトクロームP450のようなヘム鉄酵素は、分子状酸素を高原子価の鉄-オキソ種に活性化し、不活性なC-H結合を水酸化することができます（Denisov et al., 2005）。鉄硫黄中心および非ヘム鉄中心は、電子伝達および追加のレドックス変換を実行します（Beinert et al., 1997）。それぞれの場合において、タンパク質は、その配位子（リガンド）の幾何学的配置と同一性を通じて金属の反応性を調整します。

Clinical relevance

メタロ酵素は、代謝、酸素処理、および異物（例えばチトクロームP450オキシゲナーゼ）の処理に中心的な反応を実行するため、その生化学は薬理学および毒物学に情報を提供します。この項目では触媒メカニズムを説明しており、生化学を記述するものであり、個別の診断や治療の根拠となるものではありません。

History

メタロ酵素の研究は、炭酸脱水酵素における亜鉛に関する初期の研究と、金属部位の構造的特徴付けから発展しました。これにより、配位子（リガンド）が金属の触媒挙動をどのように調整するかが示されました。その後のマグネシウム依存性リン酸転移、ヘム鉄酸素化、および鉄硫黄化学に関するメカニズム研究は、結合した金属がどのようにして他の方法では困難な反応を可能にするかという一般的な全体像を構築しました（Holm et al., 1996; Cowan, 2002; Denisov et al., 2005; Beinert et al., 1997）。

Seminal works

• holm-1996
• denisov-2005
• cowan-2002
• beinert-1997

Frequently asked questions

酵素をメタロ酵素たらしめるものは何ですか？

その反応を触媒するために、活性部位またはその近傍に1つ以上の金属イオンが結合していることを必要とします。金属を除去すると酵素は活性を失います。なぜなら、金属がタンパク質単独では提供できない化学的性質を供給するからです。

なぜ亜鉛はこれほど一般的な酵素金属なのでしょうか？

亜鉛は強力なルイス酸であり、レドックス化学反応を起こさないため、水や基質を確実に分極させ、帯電した中間体を安定化させることができます。このため、多くの加水分解酵素や基転移酵素が利用するのに非常に適しています。