2019 Volume 18 Issue 5 Pages 239-240
Iron–Sulfur clusters are often found in active sites of electron–transfer proteins. Their redox potentials are well controlled; however, its mechanism has not been understood well. In this study, therefore, we elucidate the effects of the protein-field, especially hydrogen bonds around the active site on the redox potential by using density functional theory (DFT) calculations. The results indicate that the ionization potentials are in proportion to the number of hydrogen bonds around the active site.
鉄-硫黄クラスターは電子伝達タンパク質の活性中心として, 細菌から高等生物まで幅広い生物でよく用いられている. なかでもフェレドキシン(Fd)は, 主として植物の代謝系や光合成系で機能していることが知られている. 本研究で扱う[2Fe–2S] Fdは存在する系によって幅広い酸化還元電位をとるが, その制御機構については不明な点が多い. この酸化還元電位の変化は, クラスターのイオン化ポテンシャル(IP)変化が主たる原因であることが報告されており [1], その制御因子としてクラスターの構造変化や [2], タンパク場などが報告されている [3]. また, 鉄-硫黄クラスター含有電子伝達タンパク質には, 活性中心周辺の硫黄原子がペプチド結合由来のN–Hと形成する[S…H–N]水素結合が存在しているが, 当研究グループでは, 高電位鉄タンパク質(HiPIP)活性中心にある4Fe-4SクラスターのDFT計算から, この水素結合のIPに及ぼす影響の重要性を示してきた [4]．しかし, その詳細な検証は, 未だなされていない. そこで本研究では, 活性中心の硫黄への水素結合が, 鉄-硫黄クラスターのIPに及ぼす影響をDFT計算により詳細に調べた.
モデル構造はAnabaena PCC7119 由来の酸化型 [2Fe–2S]フェレドキシンのX線構造解析結果(PDB ID: 1QT9)を用いて構築した. この際, 水素原子の位置だけは部分構造最適化で求めた. また, IPは酸化状態と還元状態のエネルギー差 IP = E (Ox) −E (Red) (1) から求めた. ここで, E(Ox)およびE(Red)はそれぞれDFT計算で得られた還元状態および酸化状態の全エネルギーである. 水素結合がIPにもたらす影響は, モデル構造含まれるアミノ酸残基の数や種類を変えることで調べた (Figure 1).
(a) Naked cluster model, and (b) model including hydrogen bonds from amino acid residues.
ただし, アミノ酸残基はすべて電荷的に中性な状態でモデル構造に含め, いずれのモデルも形式電荷は等価とした. 全ての計算において汎関数はB3LYPを用い, 基底関数は, 水素の部分構造最適化ではFe, C, Hに対しては6-31G, N, Oに対しては6-31G*, Sに対しては6-31+G*を用いた. またIPの計算においてはSに関しては6-31+G*, その他の原子においては6-31G*を用いた. プログラムはGaussian 09を用いた.
Figure 1に示したモデルにおいて, 酸化状態と還元状態のエネルギーを比較したところ, いずれにおいても酸化状態が安定となり式(1)から得られたIPは負の値となった. しかし, 水素結合を含まないモデルでのIPは–5. 06 eV であったのに対し, 全ての活性中心周辺の水素結合を含んだモデルのIPは–1. 62 eVと大きく変化し, 還元状態が硫黄への水素結合により大きく安定化されていることが示された. 酸化状態と還元状態の電子密度差を求めたところ, 水素結合に関与している水素付近の電子密度が還元状態で大きく減少していることが明らかになった (Figure 2).
(a) A difference in electron density distribution (ρ) between oxidized (ox) and reduced (red) states (ρ(ox)–ρ(red)). Purple and blue colors show positive and negative distributions, respectively. (b) Enlarged view around active sites which show only purple distribution. The areas indicated by red circles show positions of hydrogen atoms concerning hydrogen bonds, suggesting that the electron densities at those positions are decreased in the reduced state.
これは還元状態において水素結合を形成しているペプチド結合のN–H部位がNδ––Hδ+とより大きく分極し, クラスター周辺に正の静電場を強く形成していることを示している. この[2Fe-2S]活性中心は, 直接配位しているシステイン残基まで含めると負に電荷を有していることから, 水素結合(Hδ+)により生成された正の静電場が, クラスターの負電荷を中和した結果, 還元状態が大きく安定化されたことが原因であることが示唆された. また, 側鎖を含むアミノ酸モデルについても同様に計算を行った. その結果, 主鎖のペプチド結合が作る[N-H…S]水素結合の他に, Thr48, Thr78の側鎖のヒドロキシ基が作る[O-H…S]水素結合や, Ser40の側鎖のヒドロキシ基が作る[O-H…N]水素結合の存在も確認でき, これらもIPに影響を及ぼすことが明らかになった.
最後に全ての結果をまとめ, 計算から得られたIPを水素結合の数に対してプロットしたものをFigure 3に示した. 図からわかるように, IPは水素結合の数に比例しその傾きは, 0. 27となった. つまりこの結果より, 活性中心のIPは, 水素結合1つあたり0. 27 eV正の方向に変化することが明らかとなった.
A relationship between number of hydrogen bonds included in the models and calculated IP values.
本研究では, DFT計算により鉄-硫黄クラスター含有電子伝達タンパク質において, 硫黄への水素結合の数により, 活性中心のIPが変化し酸化還元電位が制御されている可能性を示した. この結果は, 鉄-硫黄クラスターを有する触媒設計の際にも適用可能であり, 新たな設計指針となる可能性がある.
本研究は科研費(19K05401)の助成を受けたものである.
