生命物質化学研究室 の概略

帝京大学大学院医学研究科 生命物質化学研究室

大胡惠樹

（Yoshiki OHGO）

ヒトの体は，有機物であるので，その構成元素はほぼ，C, H, N, Oなどの元素であるが，その他に，鉄，銅，亜鉛，マンガンなどの金属元素も微量元素として必須なものが多数ある．これらの金属元素を利用しているのが，金属酵素群である．代表的なものを挙げると，鉄を利用するヘムタンパク，フェレドキシン，トランスフェリンや亜鉛や銅を利用するSOD（スーパーオキシドジスムターゼ）などである．この中でヘムタンパクは，ヘムと呼ばれる補欠分子を共通して含む酵素群で，酸素を輸送するヘモグロビン，酸素を貯蔵するミオグロビン，過酸化水素を分解するカタラーゼ，外来性有機物や薬物の酸化(解毒),ステロイド類の合成，脂肪酸の酸化など多様な反応に関わるシトクロームP450などがあり，活性中心に存在する同じ補欠分子が多種多様な反応を行っている．驚くべきことは，生体が長い進化の過程の中でヘム，すなわちプロトポルフィリンIX鉄錯体を共通して採用してきたことであり，その意味ではヘムは生体が認めた非常に優秀な分子であると言える．

緒　言

「生命物質化学研究室」では生命現象を担っているこれらの酵素群の役割を探求し，これらのメカニズムを分子レベルで解明し，さらにはこの優れたメカニズムを生体模倣的な手法で生体外に取り出し，これらの機能を備えた分子を医学，薬学的に利用することを目的とする．具体的には，癌の光線力学治療，MRI造影剤の開発，キレート剤を用いた細菌類との戦い，ドラッグデリバリー，ドラッグデリバリー能力を利用した再生医療などの先進医療技術の開発である．

研究室のミッション

Ø 当研究室の研究の概要    •  ヘムタンパク質の機能解明に関する研究  

•  外部刺激応答型錯体の工業的，医療・薬学的応用    •  新規スピンクロスオーバー現象の発見と機構解明    •  SPring-­‐8,  KEK,  Photon  Factoryの放射光を用いた先端分析技術を駆使した生体へのフィードバック  

•  キレート剤を用いた細菌，真菌類の病原性のコントロール（抗生剤と菌耐性の終わりなき戦いからの離脱）  

 

金属とタンパク質

PDB ID: 2ZWT P450cam Sakurai K, Shimada H, Hayashi T, Tsukihara T. (2009) Acta Crystallogr.,Sect.F 65: 80-83

シトクロームP-450

名称の由来：還元状態(Fe2+)で一酸化炭素を結合すると450nm付近に強い吸収を示し、通常の一酸化炭素付加体(420 nm)とは大きく異なる. そこで、この酵素は

P450(pigment, 色素)と命名された.

主な反応

触媒反応

外来性有機物や薬物の酸化(解毒),ステロイド類の合成、脂肪酸の酸化など多様な反応に関わる.その際、１分子の酸素と２電子、２プロトンを用いる.　

カタラーゼ(Catalase)

過酸化水素を不均化して酸素と水に変える反応を触媒する酵素.活性酸素から生体防御を行うヘム酵素.軸配位子はチロシン.　

ペルオキシダーゼ(Peroxidase)

過酸化水素を酸化剤として利用するヘム酵素.　西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)では軸配位子はヒスチジ、クロロペルオキシダーゼでは軸配位子はシステイン.

シトクロームP450, カタラーゼ、ペルオキシダーゼの反応では、いずれも高原子価の鉄錯体が反応の過程で生成. この活性中間体が基質の酸化に直接関わっている.

機能の抽出

生体 マテリアル 光

温度

圧力

溶媒

磁場

電場

生体模倣的アプローチ

外場による機能の調節

外部刺激応答型"スイッチング分子 ヘムタンパク質の"機能解明

理論科学へのフィードバック

!  センサー"!  記録媒体"!  誘電体，半導体"!  光線力学治療"!  MRI造影剤"!  ドラッグデリバリー"!  再生医療"!  NMRのケミカルシフトを再現できる近似，基底関数の選択"

!  ヘムタンパクの電子状態解明"

!  化学結合の可視化"!  電子伝達機構"

研究遂行のための分析手段 •  放射光を用いた精密X線結晶構造解析（SPring-8, KEK）　 •  ab initio 放射光粉末X線結晶構造解析 　　　(SPring-8, KEK, 実験室系) •  放射光軟X線発光分光(SPring-8) •  1H NMR, 13C NMR •  IR，UV-vis •  EPR (ESR) （岡崎国立共同研究機構分子研） •  Mössbauer •  SQUID（分子研，東京大学物性研究所） •  DSCなどの熱分析 •  実験室系PXRD •  DFT計算 •  強磁場応答実験（東北大学金属材料研究所）

Area: -3.217 J/g ΔH=3.07 kJ/mol Peak: 266.8 K Onset: 246.5 K End: 276.9 K

Area: 2.785 J/g ΔH=2.66kJ/mol Peak: 263.2K Onset:261.8K End:273.4K

DSC

スピンクロスオーバー

フォトクロミズム • 光

サーモクロミズム • 温度

ピエゾクロミズム • 圧力

ソルバトクロミズム • 溶媒 ベイポク

ロミズム • 蒸気

外部磁場応答性

誘電応答性

相転移 • メカニカル機能

スピンクロスオーバー錯体が持つ分子スイッチ機能

記録媒体 CD-R, DVD-R

液晶

各種センサー （光，温度，圧力）

光増感物質 造影剤

ドラッグデリバリー

TumorPhotosensing Dye

Dye(D)hν(pulse laser)

1D* 3D*

3D* + 3O2 D + 1O2

1O2 + tumor Cell death

Heme Derivatives

適用の可能性

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

300 400 500 600 700 800Intensity

Wavelength(nm)

吸収スペクトル

1. 光線力学治療

集積の ON/OFF

活性化

2. MRI 造影剤 3. ドラッグデリバリー 4. 再生医療　

activation

accumulation

放射光を使って何ができるか

X線の10億倍の明るさの光で100兆分の1秒の現象を切り取る

生体における構造解析の例

H. Shimizu et al, Cell 132, 67–78, 2008

カリウムチャネルKcsAの１分子ねじれ運動

生体膜構造を模倣したリポソームなどのDDS材料がどのようなメカニズムで生体に機能するのか?

X線小角散乱実験

結晶多形と医薬品

市販のテオフィリン錠剤、テオフィリン無水物、テオフィリン1水和物の粉末の構造比較（粉末X線結晶構造解析）

結晶多形：同じ物質でありながら異なる数種の結晶形が存在すること。物質の物理的性質に様々な違いが生じる。 • 顔料は、結晶形により色目が変わる • 食品の口溶け感が異なる • 医薬関連では、体内での溶解性が変化するために薬効に違いを生じる

東邦大学薬学部、寺田教授らの報告

アスピリン(鎮痛剤）やカルバマゼピン（てんかん治療薬）などは結晶多形が存在する

P. Vishweshwar et al, JACS, 127,16802,2005

単結晶構造解析

粉末構造解析

単結晶構造解析と粉末構造解析の長所と短所

• ターゲットが小さいものから 　大きいものまで可能 • 詳細な構造が得られる • 反射数が数十万となるため測定時間が膨大 • 結晶作成が非常に困難 • 混合物や構造変化を追跡するのが困難

• ターゲットが小さいものや自由度の少ない 　ものに限られる • 反射が重なって畳み込まれるために解析が 　難しい。 • 測定時間は数分 • 放射線のダメージが少ない • 結晶を作らなくても良い • サンプル量が非常に少量で測定できる • 混合物や構造変化を追跡可能

放射光の特性を用いてこれらの短所を克服

単結晶構造解析

粉末構造解析

S

OH2

S

S

S

O

S

O O

e-

e-

RH

FeII

RH

FeIII

H2O

RHFeIII

FeIV

O2

RH

FeIII

2H+

H2O

RH

H2OROH

FeIII(S=1/2)

FeIII(S=5/2)

RH + O2 + 2H+ + 2e-P450

ROH + H2O

(E)

(F)

FeII(S=2)

(B)

(C)FeIII(S=1/2)

.

(FeIV=O)(S=1); Por.(S=1/2)

(A)

S

O O

FeII

RH

(D)FeII(S=0)

S

O O

FeIII

RH

FeIII(S=1/2), O2.(S=1/2)

(D'):

.−

−

−

2−

Catalytic Cycle of Cytochrome P450

E0=-300mV

E0=-173mV

M. Nakamura, Y. Ohgo, A. Ikezaki: Handbook of the Porphyrin Science, Vol. 7, Chapter 1, 1-146.

Turn ON/OFF the π-Donation Switch without Conformational Change of Axial Ligand

in-plane square coordination field

out-of-plane rectangular

π-donation OFF π-donation ON

Electron Transport Mechanism in Cyt b6f

ヘムタンパクの機能

Summary & Prospect (Research)

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外部刺激応答型"スイッチング素子

生体ヘムタンパク質の"機能解明

放射光ab inito !粉末構造解析

放射光精密構造解析"電子密度分布解析

Ø  光線力学治療"Ø  MRI造影剤"Ø  ドラッグデリバリー"

Ø  再生医療"Ø  ナノスイッチ"Ø  センサー"Ø  イメージング創薬（PET, SPECT）"

Ø  太陽電池"

Ø  薬剤多形"Ø  有機結晶"Ø  Rietveld, "Ø  MEM解析"Ø  薬剤安定性"Ø  包接による薬効の変化"

Ø  電子的相互作用の解明"

Ø  化学結合の可視化"

Ø  生体のメカニズム解明"

Ø  ヘムタンパクの電子状態解明"

Ø  高原子価中間体の電子構造"

Ø  代謝のメカニズム"Ø  電子伝達機構"