銅含有亜硝酸還元酵素のソースを表示

{{Otheruses|'''銅含有亜硝酸還元酵素（どうがんゆうあしょうさんかんげんこうそ）'''|一般的な亜硝酸還元酵素|亜硝酸レダクターゼ_(NO形成)}}
[[File:Nir1oe1.png|thumb|280px|right|銅含有亜硝酸還元酵素(CuNIR)の[[結晶構造]]([[蛋白質構造データバンク|PDB]]コード:1OE1)]]

'''銅含有亜硝酸還元酵素'''（どうがんゆうあしょうさんかんげんこうそ、{{Lang-en|Copper-containing Nitrite Reductase}}）は[[補因子]]として[[銅]]イオンを含む [[異化|異化型]]の[[亜硝酸レダクターゼ_(NO形成)|亜硝酸還元酵素]]で、[[亜硝酸]]イオン(NO<sub>2</sub><sup>-</sup>)を[[一酸化窒素]](NO)へと一電子[[還元]]する反応を[[触媒]]する[[酵素]]である。'''Copper'''-containing '''Ni'''trite '''R'''eductaseを略して'''CuNIR'''（カッパ―エヌアイアール）と呼ばれることが多い。本酵素の[[構造遺伝子]]である''nirK''は水中や土壌中の窒素酸化物を分子状[[窒素]](N<sub>2</sub>)へと段階的に還元する[[脱窒]]に関わる[[古細菌]]、[[真正細菌]]および一部の[[菌類]]に広く存在する<ref name="pmid9409151">{{citation | author = Zumft WG. | title = Cell biology and molecular basis of denitrification. | journal = Cell Mol Life Sci.| year = 1997 | month = Dec | pmid = 9409151}}</ref><ref name="pmid19270125">{{citation | author = Kim SW, Fushinobu S, Zhou S, Wakagi T, Shoun H. | title = Eukaryotic nirK genes encoding copper-containing nitrite reductase: originating from the protomitochondrion? | journal = Appl Environ Microbiol.| year = 2009 | month = May | pmid = 19270125| doi = 10.1128/AEM.02536-08 }}</ref>。脱窒自体は[[嫌気呼吸]]の1つであり、''nirK''を持つ生物の多くは[[通性嫌気性生物]]である。脱窒過程の最初の段階である[[硝酸塩]]の還元を触媒する[[硝酸塩還元酵素]]は多くの生物が有する酵素であるが、次の段階を触媒する異化型の亜硝酸還元酵素を持つ生物は限られており、酸素の少ない環境下では脱窒菌がエネルギー合成上有利なため、このような[[代謝]]系が[[進化]]してきたものと考えられている。

== 構造 ==
[[File:Nircu.png|thumb|280px|right|CuNIRの2つの銅中心のジオメトリー]]
CuNIRは{{仮リンク|マルチ銅酸化還元酵素（マルチ銅タンパク質）|en|multicopper oxidase}}の1種である。[[1991年]]に初めて''{{仮リンク|Achromobacter cycloclastes|en|Achromobacter}}''由来のCuNIRの結晶構造が明らかになって以来、[[X線結晶構造解析]]や[[核磁気共鳴|NMR]]を用いた解析で構造が知られているCuNIRの多くはホモ3量体構造を取り、各モノマーはグリークキー[[βバレル]]構造からなる2つのキュプレドキシン[[タンパク質ドメイン|ドメイン]]によって構成される<ref name="metapro">{{citation | author = Adman ET,Murphy ME. | title = Copper Nitrite Reductase| journal = Handbook of Metalloproteins| year = 2006 | month = Apr |  doi = 10.1002/0470028637.met201  }}</ref><ref name="pmid1862344">{{citation | author = Godden JW, Turley S, Teller DC, Adman ET, Liu MY, Payne WJ, LeGall J. | title = The 2.3 angstrom X-ray structure of nitrite reductase from Achromobacter cycloclastes. | journal = Science | year = 1991 | month = Jul | pmid = 1862344 | doi =10.1126/science.1862344   }}</ref>。[[メタノール]]資化性脱窒菌である''Hyphomicrobium denitrificans''から単離されたCuNIR(''Hd''NIR)のモノマーは、N末端側にさらにもうひとつのキュプレドキシンドメインが付加した構造をしており、一般的なCuNIRのような3量体構造が2つ向き合った6量体構造を取ることが知られている<ref name="pmid17360521">{{citation | author = Nojiri M, Xie Y, Inoue T, Yamamoto T, Matsumura H, Kataoka K, Deligeer, Yamaguchi K, Kai Y, Suzuki S. | title = Structure and function of a hexameric copper-containing nitrite reductase.| journal = Proc Natl Acad Sci U S A. | year = 2007 | month = Mar | pmid = 17360521 | doi = 10.1073/pnas.0609195104  }}</ref>。このようなドメイン付加型CuNIRは、他の生物にも広く分布していることがゲノム解析によって明らかになっている。例えば[[類鼻疽]]菌(''Burkholderia pseudomallei'')が有する''nirK''遺伝子は、C末端側に[[シトクロムc|シトクロム''c'']]ドメインが付加した構造であることが知られている<ref name="pmid17712582">{{citation | author = Ellis MJ, Grossmann JG, Eady RR, Hasnain SS. | title = Genomic analysis reveals widespread occurrence of new classes of copper nitrite reductases.| journal = J Biol Inorg Chem. | year = 2007 | month = Nov | pmid = 17712582 | doi = 10.1007/s00775-007-0282-2  }}</ref>。CuNIRの各モノマーには2つの銅イオンが含まれている。これらの銅イオンはその[[配位]]環境の違いから区別され、それぞれタイプ1銅、タイプ2銅と呼ばれている。

=== タイプ1銅 ===
; 構造的・分光学的特徴
: タイプ1銅(Type 1 Cu, T1 Cu)は1つの[[システイン]]と2つの[[ヒスチジン]]が平面3配位に近い形で配位し、さらに軸位の方向に[[メチオニン]]が4つ目の[[配位子|リガンド]]として存在する。タイプ1銅は酸化状態(Cu<sup>2+</sup>)の[[紫外可視吸収スペクトル]]において、システインの[[π結合]]性のp軌道から銅のd軌道への[[電荷移動遷移]](LMCT)に由来する強い吸収を600nm付近に持つため,その溶液は青色を呈し、別名ブルー銅とも呼ばれる<ref name="pmid16999398">{{citation | author = Solomon EI. | title = Spectroscopic methods in bioinorganic chemistry: blue to green to red copper sites. | journal = Inorg Chem.| year = 2006 | month = Oct | pmid = 16999398| doi = 10.1021/ic060450d}}</ref>。CuNIRの多くはさらに、システインの[[σ結合]]性のp軌道から銅のd軌道へのLMCTに由来する吸収も450nm付近に持つため、緑色から青緑色を呈する。タイプ1銅は還元状態(Cu<sup>+</sup>)ではLMCTが起こらず、溶液は無色になる。また、酸化状態で[[EPR]]活性であるが、[[不対電子]]がシステイン上に[[非局在化]]する傾向が強いため、銅の[[電子]]と[[核スピン]]の相互作用が弱められ、EPRによって測定される超微細結合定数は5-7mT程度と小さい。
; 機能
: タイプ1銅は[[アズリン]]や[[シュードアズリン]]などのブルー銅タンパク質や、シトクロム''c''<sub>551</sub>のような''c''型[[ヘム]]タンパク質といった[[電子伝達体|生理的電子供与体]]から電子を受け取る場であると考えられている<ref name="pmid9409151">{{citation | author = Zumft WG. | title = Cell biology and molecular basis of denitrification. | journal = Cell Mol Life Sci.| year = 1997 | month = Dec | pmid = 9409151}}</ref><ref name="pmid19890332">{{citation | author = Nojiri M, Koteishi H, Nakagami T, Kobayashi K, Inoue T, Yamaguchi K, Suzuki S. | title = Structural basis of inter-protein electron transfer for nitrite reduction in denitrification.| journal = Nature.| year = 2009 | month = Nov| pmid = 19890332| doi = 10.1038/nature08507}}</ref>。タイプ1銅のリガンドであるシステインと、タイプ2銅のリガンドの3つのヒスチジンの1つはアミノ酸配列上隣同士であり、タイプ1銅が受け取った電子は[[ペプチド結合]]を含む11の[[共有結合]]を通して12～13Å離れたタイプ2銅へ伝達されると言われている。

=== タイプ2銅 ===
; 構造的・分光学的特徴
: タイプ2銅はサブユニット間に存在する。CuNIR表面からは約8Åの深さに位置し、3つのヒスチジンが配位している。このうち2つのヒスチジンはタイプ1銅のリガンドと同じモノマー内の残基であるが、残りの1つは隣のサブユニットに存在するヒスチジンである。酵素反応が行われないときはさらに軸位から[[水]]、または[[水酸化物イオン]]が配位しており、全体としてはゆがんだ四面体型構造をとっている。タイプ2銅はタイプ1銅と異なり、紫外可視吸収スペクトルにおいて明瞭な吸収帯を持たないが、酸化状態でEPR活性であり、タイプ1銅よりも大きな超微細結合定数(10-20mT)を持つ。
; 機能
: タイプ2銅は、タイプ1銅から伝達された電子を用いて亜硝酸イオンの還元反応が行われる活性中心である。亜硝酸還元反応の際には亜硝酸イオンが軸位に配位している水分子と入れ替わって銅に配位するとされている。活性中心構造が類似した[[スーパーオキシドディスムターゼ]](SOD)活性も持つとされるがその活性能は低い（SODの半分程度）<ref name="pmid 10222206">{{citation | author = Strange RW, Murphy LM, Dodd FE, Abraham ZH, Eady RR, Smith BE, Hasnain SS. | title = Structural and kinetic evidence for an ordered mechanism of copper nitrite reductase. | journal = J Mol Biol. | year = 1999 | month = Apr | pmid = 10222206 | doi = 10.1006/jmbi.1999.2648   }}</ref>。

== 推定されている反応メカニズム ==
CuNIRが触媒する反応の化学反応式は以下のとおりであり、1つの電子と2つの[[プロトン]]が消費され、NO分子と2分子の水が生成する。
:<math>
\rm NO_2^- + e^- + 2H^+ \longrightarrow NO + 2H_2O
</math>

タイプ2銅に配位している水分子が基質である亜硝酸イオン(プロトン化された亜硝酸イオンと言われている)と入れ替わり、2つの酸素で配位する（窒素も配位結合距離にある構造も知られている）<ref name="pmid15131305">{{citation | author = Tocheva EI, Rosell FI, Mauk AG, Murphy ME. | title = Side-on copper-nitrosyl coordination by nitrite reductase. | journal = Science.| year = 2004 | month = May | pmid = 15131305|}}</ref><ref name="pmid16093314">{{citation | author = Antonyuk SV, Strange RW, Sawers G, Eady RR, Hasnain SS. | title = Atomic resolution structures of resting-state, substrate- and product-complexed Cu-nitrite reductase provide insight into catalytic mechanism. | journal = Proc Natl Acad Sci U S A.| year = 2005 | month = Aug | pmid = 16093314| doi = 10.1073/pnas.0504207102 }}</ref>。2つの酸素と銅との間の配位結合距離はほぼ等しい。タイプ2銅上部にある[[アスパラギン酸]]が、配位した亜硝酸イオンの酸素原子と水素結合をつくり、この水素が反応に使われる1つ目のプロトン源であると言われている。もう１つのプロトンは、やはりタイプ2銅上部に位置するヒスチジンが関わる水素結合ネットワークであるとされている<ref name="pmid11041837">{{citation | author = Suzuki S, Kataoka K, Yamaguchi K | title = Metal coordination and mechanism of multicopper nitrite reductase | journal = Acc. Chem. Res. | volume = 33 | issue = 10 | pages = 728–35 | year = 2000 | month = October | pmid = 11041837 | doi = }}</ref>。[[密度汎関数理論|DFT]]計算を用いた研究によれば、2つ目のプロトンが供給された時点で自発的に片方のNO結合が開裂し、NOと水が生成するとされる<ref name="pmid17455972">{{citation | author = Sundararajan M, Hillier IH, Burton NA | title = Mechanism of nitrite reduction at T2Cu centers: electronic structure calculations of catalysis by copper nitrite reductase and by synthetic model compounds | journal = J Phys Chem B | volume = 111 | issue = 19 | pages = 5511–7 | year = 2007 | month = May | pmid = 17455972 | doi = 10.1021/jp066852o }}</ref>。生成物であるNO結合型CuNIRのX線結晶構造解析から、NOは銅に対して、モデル錯体でよく見られるようなエンドオンではなくサイドオンで結合しているとされる<ref name="pmid15131305">{{citation | author = Tocheva EI, Rosell FI, Mauk AG, Murphy ME. | title = Side-on copper-nitrosyl coordination by nitrite reductase. | journal = Science.| year = 2004 | month = May | pmid = 15131305|}}</ref><ref name="pmid17924665">{{citation | author = Tocheva EI, Rosell FI, Mauk AG, Murphy ME. | title = Stable copper-nitrosyl formation by nitrite reductase in either oxidation state. | journal = Biochemistry.| year = 2007 | month = Oct | pmid = 17924665| doi = 10.1021/bi701205j}}</ref>。

分光学的・結晶構造学的研究によれば、「亜硝酸イオンが銅に配位するとタイプ1銅からタイプ2銅への分子内電子移動が促進されること」、「タイプ2銅が還元状態の時はタイプ1銅からの電子移動が起こらないこと」が示唆されるため、亜硝酸還元反応においては基質の配位と分子内電子移動がこの順に秩序だって起こるとされるが(ordered mechanism)<ref name="pmid 10222206">{{citation | author = Strange RW, Murphy LM, Dodd FE, Abraham ZH, Eady RR, Smith BE, Hasnain SS. | title = Structural and kinetic evidence for an ordered mechanism of copper nitrite reductase. | journal = J Mol Biol. | year = 1999 | month = Apr | pmid = 10222206 | doi = 10.1006/jmbi.1999.2648   }}</ref><ref name="pmid18353369">{{citation | author = Hough MA, Antonyuk SV, Strange RW, Eady RR, Hasnain SS. | title = Crystallography with online optical and X-ray absorption spectroscopies demonstrates an ordered mechanism in copper nitrite reductase.| journal = J Mol Biol. | year = 2008 | month = Apr | pmid = 18353369| doi = 10.1016/j.jmb.2008.01.097 }}</ref>、基質の配位より先に分子内電子移動が起こることも可能であるとする研究もあり、すなわち2つのルートが組み合わさって反応が起こる(random sequential mechanism)のだとも言われている<ref name="pmid16613859">{{citation | author = Wijma HJ, Jeuken LJ, Verbeet MP, Armstrong FA, Canters GW. | title = A random-sequential mechanism for nitrite binding and active site reduction in copper-containing nitrite reductase.| journal = J Biol Chem. | year = 2006 | month = Jun | pmid = 16613859 | doi = 10.1074/jbc.M601610200 }}</ref><ref name="pmid21969548">{{citation | author = Goldsmith RH, Tabares LC, Kostrz D, Dennison C, Aartsma TJ, Canters GW, Moerner WE. | title = Redox cycling and kinetic analysis of single molecules of solution-phase nitrite reductase| journal = Proc Natl Acad Sci U S A. | year = 2011 | month = Oct | pmid = 21969548| doi = 10.1073/pnas.1113572108  }}</ref>。近年になって、この分子内電子移動はプロトン移動とカップルして起こることが示唆されている<ref name="pmid21469743">{{citation | author = Leferink NG, Han C, Antonyuk SV, Heyes DJ, Rigby SE, Hough MA, Eady RR, Scrutton NS, Hasnain SS. | title = Proton-coupled electron transfer in the catalytic cycle of Alcaligenes xylosoxidans copper-dependent nitrite reductase. | journal = Biochemistry| year = 2011 | month = May | pmid = 21469743| doi = 10.1021/bi200246f }}</ref>。

また、タイプ2銅上部に存在する[[イソロイシン]]は多くのCuNIRで保存されており、基質の配向を制御する働きをしていると言われている<ref name="pmid12538888">{{citation | author = Boulanger MJ, Murphy ME. | title = Directing the mode of nitrite binding to a copper-containing nitrite reductase from Alcaligenes faecalis S-6: characterization of an active site isoleucine. | journal = Protein Sci.| year = 2003 | month = Feb | pmid = 12538888| doi = 10.1110/ps.0224503}}</ref>。

== 分類と進化 ==
かつては溶液が緑色を呈するCuNIRをgreen NIR、青色を呈するCuNIRをblue NIRとして分類していたが、green NIRとblue NIRの間には大きな構造的違いは見られない。[[淋菌]]（''Neisseria gonorrhoeae''）が有するCuNIRホモログであるAniA(アニエー、アニア)の結晶構造解析によって既知のCuNIRと異なる構造のCuNIRが認知されて以来、CuNIRはクラス I CuNIRとクラス II CuNIRに分類される<ref name="pmid11827480">{{citation | author = Boulanger MJ, Murphy ME. | title = Crystal structure of the soluble domain of the major anaerobically induced outer membrane protein (AniA) from pathogenic Neisseria: a new class of copper-containing nitrite reductases. | journal = J Mol Biol.| year = 2003 | month = Feb | pmid = 11827480| doi = 10.1006/jmbi.2001.5251 }}</ref>。クラス I CuNIRはクラス II CuNIRに比べ、タワーループと呼ばれるループおよび、2つのキュプレドキシンドメインを繋ぐリンカーループが長いという特徴がある。また、上述の''Hd''NIRのようにさらに別のドメインが付加したCuNIRをクラス III CuNIRと呼ぶ場合もある<ref name="pmid21918782">{{citation | author = Anna C. Merkle and Nicolai Lehnert  | title = Binding and activation of nitrite and nitric oxide by copper nitrite reductase and corresponding model complexes | journal = Dalton Trans. | year = 2012| pmid = 21918782 | doi =10.1039/C1DT11049G  }}</ref>。

CuNIRを含むマルチ銅酸化酵素の[[進化]]的起源についてはいくつかの研究があり、提唱されている説によればCuNIRは、ゲノム上の1つのブルー銅タンパク質の構造遺伝子に[[遺伝子重複]]が生じ、連続する2つのキュプレドキシンドメインを持ったタンパク質が生まれ、これが3量体を形成するようになり、それと前後して2つのうち片方のキュプレドキシンドメインのタイプ1銅サイトが消失し、新たにサブユニット間にタイプ2銅サイトが形成されるように進化したと考えられている<ref name="pmid16091847">{{citation | author = Nakamura K, GO N. | title = Function and molecular evolution of multicopper blue proteins. | journal = Cell Mol Life Sci.| year = 2005 | month = Sep | pmid = 16091847| doi = 10.1007/s00018-004-5076-x }}</ref>。

== 脚注 ==
{{Reflist}}

{{デフォルトソート:とうかんゆうあしようさんかんけんこうそ}}
[[Category:酸化還元酵素]]
[[Category:銅タンパク質]]
[[Category:EC 1.7.99]]