ニトロゲナーゼ

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ニトロゲナーゼ
識別子しきべつし
EC番号ばんごう 1.18.6.1
CAS登録とうろく番号ばんごう 9013-04-1
データベース
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ExPASy NiceZyme view
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MetaCyc metabolic pathway
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PDB構造こうぞう RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
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ニトロゲナーゼ (nitrogenase, EC 1.18.6.1) はリゾビウム (Rhizobium) 属ぞく（根粒こんりゅう菌きん）など窒素ちっそ固定こていを行おこなう細菌さいきんが持もっている酵素こうそ。大気たいき中ちゅうの窒素ちっそをアンモニアに変換へんかんする反応はんのうを触媒しょくばいする。全体ぜんたい構造こうぞうは活性かっせい中心ちゅうしんを有ゆうするニトロゲナーゼ二に量りょう体からだおよびニトロゲナーゼ二に量りょう体たいに電子でんしを供与きょうよするニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそからなる。極きわめて酸素さんそに弱よわく、酸素さんそに触ふれると数すう分間ふんかんで不ふ可逆かぎゃく的てきに失しつ活かつする。そのため、本ほん酵素こうそを有ゆうする生物せいぶつにはそれぞれ空気くうき中ちゅうの酸素さんそからニトロゲナーゼを隔離かくりする機構きこうが見みられる。

反応はんのう[編集へんしゅう]

窒素ちっそ固定こてい反応はんのうにおいて最もっとも特徴とくちょう的てきなのが、窒素ちっそ分子ぶんしの強固きょうこな三重みえ結合けつごうを解離かいりし無機むき窒素ちっそ化合かごう物ぶつに変換へんかんする点てんにある。この三重みえ結合けつごうは極きわめて安定あんていであり、化学かがく的てきに窒素ちっそからアンモニアを合成ごうせいするハーバー・ボッシュ法ほうの反応はんのう条件じょうけんによっても裏付うらづけられている。

N2 + 3H2 → 2NH3 (ΔでるたG = -8 kcal/mol N2; 450 ℃、200 atm)

上述じょうじゅつの条件じょうけんにおける反応はんのうは発はつエルゴン的てきだが、高温こうおん高だか圧あつ条件下じょうけんかのみで行おこなわれる。一方いっぽう、生物せいぶつによる窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは基本きほん的てきには標準ひょうじゅん状態じょうたい（25 ℃、1 atm、pH 7.0）にて行おこなわれる。ニトロゲナーゼの担になう標準ひょうじゅん状態じょうたいにおけるアンモニア生産せいさん反応はんのうは下記かきの式しきにて表あらわされる。

N2 + 6H+ + 6e- + 12ATP + 12H2O → 2NH3 + 12ADP + 12Pi (ΔでるたG’ = -136 kcal/mol N2)・・・反応はんのう式しき1[1]

水素すいそに代かわり、電子でんし供与きょうよ体たい（フェレドキシンなど）からの電子でんしおよび高こうエネルギーリン酸さん化合かごう物ぶつの加水かすい分解ぶんかいのエネルギーを用もちいてアンモニア生産せいさん反応はんのうを行おこなう。ニトロゲナーゼ系けいにおける反応はんのうは標準ひょうじゅん状態じょうたいであるにもかかわらず発はつエルゴン的てきであり、その自由じゆうエネルギー変化へんかは極きわめて大おおきい。

窒素ちっそ固定こてい化か[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼの窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは以下いかのように表あらわされる。大気たいき中ちゅうの窒素ちっそを還元かんげんし、アンモニアとして固定こてい化かする。アンモニアとして固定こていされた窒素ちっそは他たの細菌さいきんによってグルタミン酸ぐるたみんさん塩しおや硝酸しょうさん塩しおに変換へんかんされ、植物しょくぶつが利用りよう可能かのうな形かたちとなる。

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi・・・反応はんのう式しき2

上述じょうじゅつのアンモニア生産せいさん反応はんのうとの相違そうい点てんは、ニトロゲナーゼの反応はんのう特異とくい性せいの低ひくさによる。ニトロゲナーゼの代表だいひょう的てきな副ふく反応はんのうの一ひとつとしてATPの加水かすい分解ぶんかいと共役きょうやくしたプロトン還元かんげん活性かっせい（水素すいそ生産せいさん）があり、本ほん活性かっせいは還元かんげん的てきATPアーゼ活性かっせいと呼よばれている。

2H+ + 2e- + 4ATP + 4H2O → H2 + 4ADP + 4Pi・・・反応はんのう式しき3

この還元かんげん的てきATPアーゼ活性かっせいと反応はんのう式しき1が合あわさり、見みかけのニトロゲナーゼ活性かっせいである反はん応おう式しき2の反応はんのうが得えられる。なお、反応はんのう式しき2は至いたり適てき条件じょうけんにおける式しきであり、実際じっさいの生理せいり状態じょうたいにおいては20 - 30ATPが必要ひつようであるとされている[2]。

副ふく反応はんのう[編集へんしゅう]

還元かんげん的てきATPアーゼ活性かっせいにも示しめされるようにニトロゲナーゼは反応はんのう特異とくい性せいが低ひくく、様々さまざまな窒素ちっそあるいは有機ゆうき化合かごう物ぶつを触媒しょくばいできる。主要しゅようなものとして、一酸化いっさんか二に窒素ちっそ、シアン、アセトニトリル、アジド、アセチレン、シクロプロペン、シアナミドそしてジアジリンなどがある[3]。

上記じょうきの反応はんのうの中なかで窒素ちっそを生産せいさんする一酸化いっさんか二に窒素ちっそのみが拮抗きっこう阻害そがい剤ざいであり、他たの基質きしつは非ひ拮抗きっこう阻害そがい剤ざいとなる。一酸化いっさんか二に窒素ちっその還元かんげんによって生しょうじた窒素ちっそは、そのまま通常つうじょうの窒素ちっそ固定こてい化か反応はんのうに用もちいられる。アセチレン還元かんげん反応はんのうはニトロゲナーゼの簡易かんい測定そくてい法ほうとして有効ゆうこうであり、生しょうじたエチレンをガスクロマトグラフィーによって分析ぶんせきすることによってニトロゲナーゼ活性かっせいを検出けんしゅつすることができる[2]。また、根粒こんりゅう菌きんによる窒素ちっそ固定こてい化かについて、窒素ちっその安定あんてい同位どうい体たいである15Nを蓄積ちくせきする現象げんしょうが知しられているが、その理由りゆうについては現在げんざい説明せつめいは得えられていない[4][5]。

電子でんし供与きょうよ体たい[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼ反応はんのうに用もちいられる電子でんしは主要しゅような代謝たいしゃ系けい（発酵はっこう、ピルビン酸さんの酸化さんかなど）によって還元かんげんされた電子でんし伝達でんたつ体たいによって供与きょうよされる。嫌気いやけ性せいのグラム陽性ようせい菌きんであるClostridium pasteurianumはフェレドキシンを電子でんし供与きょうよ体たいとして用もちいている[6]。また、Azotobacter vinelandiiのような共生きょうせい的てきな窒素ちっそ固定こてい微生物びせいぶつは、フェレドキシンと比くらべて酸化さんか還元かんげん電位でんいの高たかいフラボドキシンを用もちいている[7]。また、根粒こんりゅう菌きんやThiocapsa roseopersicinaのような光合成こうごうせい細菌さいきんにおいては、還元かんげん的てきATPアーゼ活性かっせいによって生しょうじた水素すいそをuptake-ヒドロゲナーゼによって再さい酸化さんかし、電子でんし供与きょうよ体たいの再さい還元かんげんに用もちいている[8]。

分布ぶんぷ[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼは原核げんかく生物せいぶつ（細菌さいきん、古こ細菌さいきん）に広ひろく分布ぶんぷしており、ゲノム解析かいせきや微生物びせいぶつ生態せいたい学がく的てきアプローチからもその分布ぶんぷ範囲はんいは拡大かくだいの一途いっとをたどっている[9]。しかしながら、窒素ちっそ固定こていの研究けんきゅうの特とくに進すすんでいる微生物びせいぶつ群ぐんについては嫌気いやけ性せい細菌さいきん、シアノバクテリアそして根粒こんりゅう菌きんが主しゅとしてあげられる。また、その生活せいかつ様態ようたいから共生きょうせい的てき窒素ちっそ固定こてい生物せいぶつと非ひ共生きょうせい的てき窒素ちっそ固定こてい生物せいぶつに分類ぶんるいされる[10]。

非ひ共生きょうせい的てき窒素ちっそ固定こてい生物せいぶつ

  1. 絶対ぜったい嫌気いやけ性せい細菌さいきん・・・Clostridium, Desulfovibrio, Desulfotomaculum
  2. 通性つうせい嫌気いやけ性せい細菌さいきん・・・Klebisiella, Bacillus
  3. 好こう気性きしょう細菌さいきん・・・Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia
  4. 光合成こうごうせい細菌さいきん・・・Chromatium, Rhodospirillum, Rhodobacter
  5. シアノバクテリア・・・Anabaena, Nostoc, Gloeocapsa

共生きょうせい的てき窒素ちっそ固定こてい細菌さいきん

  • 根粒こんりゅう菌きん(Rhizobium)
  1. エンドウ根粒こんりゅう菌きん・・・R. legminosarum（エンドウ、ソラマメ）
  2. サイトウ根粒こんりゅう菌きん・・・R. phaseoli（インゲン）
  3. ダイズ根粒こんりゅう菌きん・・・R. japonicum（ダイズ）
  4. クローバー根粒こんりゅう菌きん・・・R. trifolii（クローバー）
  5. ルーピン根粒こんりゅう菌きん・・・R. lupini（ルーピン）
  6. アルファルファ根粒こんりゅう菌きん・・・R. meliloti（ウマゴヤシ、シナガワハギ）
  7. カウピー根粒こんりゅう菌きん・・・“Cowpea rhizobia”（カウピー、ナンキンマメ、アズキ）

一方いっぽうで真ま核かく生物せいぶつからはニトロゲナーゼ系けいを含ふくむ窒素ちっそ固定こてい系けいは見出みいだされていない[11]。

分類ぶんるい[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼは活性かっせい中心ちゅうしんに含ふくまれる金属きんぞくの種類しゅるいによって3つに分類ぶんるいされる。主要しゅようなニトロゲナーゼ群ぐんはモリブデンを活性かっせい中心ちゅうしんに有ゆうするモリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼである。多おおくの窒素ちっそ固定こてい菌きんが本ほんニトロゲナーゼを有ゆうしており、自然しぜん界かいにて行おこなわれている窒素ちっそ固定こていのほとんどは本ほん酵素こうそによるものと考かんがえられている[11]。残のこる二ふたつの群ぐんはバナジウムおよび鉄てつをそれぞれ活性かっせい中心ちゅうしんに含ふくんでおり、それぞれバナジウム含有がんゆう(Vanadium containing)ニトロゲナーゼおよび鉄てつ型がた(Fe-only)ニトロゲナーゼと呼よばれている[12]。バナジウムおよび鉄てつを含ふくんでいるニトロゲナーゼは、その全体ぜんたい構造こうぞうを含ふくめてモリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼとほぼ同一どういつである。しかしながらその分布ぶんぷは著いちじるしく偏かたよっており、モリブデン型がたが主要しゅようなニトロゲナーゼであるのに対たいして、バナジウムおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼは代替だいたいニトロゲナーゼ(Alternative nitrogenase)と呼よばれている。下記かきに分布ぶんぷの例れいを挙あげる。

  • モリブデン、バナジウムおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼの全すべてを有ゆうする・・・Azotobacter vinelandii[13]
  • モリブデンおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼを有ゆうする・・・Rhodobacter capsulatus、Rhodospirillum rubrum [14][15]
  • モリブデンおよびバナジウム含有がんゆうニトロゲナーゼを有ゆうする・・・Anabaena variablis[16]
  • モリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼのみを有ゆうする・・・Krebsiella pneumoniae[17]

上述じょうじゅつのリストのとおり、全すべての窒素ちっそ固定こてい菌きんはモリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼを有ゆうしており、バナジウムおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼのみを有ゆうする窒素ちっそ固定こてい生物せいぶつはいまだ見みつかっていない。また既存きそんのニトロゲナーゼとは全まったく異ことなる4つ目めのグループが放線ほうせん菌きんStreptomyces thoermoautotrophicusから見みつかっている。本ほん酵素こうそはモリブドプテリンを活性かっせい中心ちゅうしんに有ゆうしており、サブユニット構成こうせいなど上述じょうじゅつのニトロゲナーゼと全まったく異ことなっている[18]。

立体りったい構造こうぞう[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼは活性かっせい中心ちゅうしんを有ゆうするニトロゲナーゼ二に量りょう体たい(Dinitrogenase、Mo-Feタンパク質たんぱくしつ、component I)およびニトロゲナーゼ二に量りょう体からだを還元かんげんするニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ(Dinitrogenase reductase、Feタンパク質たんぱくしつ、component II)からなる。機能きのう単位たんいはニトロゲナーゼ二に量りょう体からだおよびニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ二に量りょう体たいのヘテロ四よん量りょう体からだをとっているが、生体せいたい内ないにおける構造こうぞうはさらにヘテロ四よん量りょう体たいが2つ結合けつごうしヘテロ八はち量りょう体からだ構造こうぞうにて機能きのうしている（最さい上部じょうぶの『ニトロゲナーゼの構造こうぞう』図表ずひょう参照さんしょう）。なお、本節ほんぶしでは立体りったい構造こうぞうがよく知しられているモリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼのみについて概説がいせつする[11]。

  • ニトロゲナーゼ機能単位：ニトロゲナーゼ二量体（黄、青）およびニトロゲナーゼ還元酵素二量体構造（白、ピンク）。ポリペプチドを除去した図表が下部『ニトロゲナーゼの補因子』。PDB: 1M34
    ニトロゲナーゼ機能きのう単位たんい：ニトロゲナーゼ二に量りょう体たい（黄き、青あお）およびニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ二に量りょう体からだ構造こうぞう（白しろ、ピンク）。ポリペプチドを除去じょきょした図表ずひょうが下部かぶ『ニトロゲナーゼの補ほ因子いんし』。PDB: 1M34
  • ニトロゲナーゼ二量体：αサブユニット（緑）およびβサブユニット（赤）の二量体構造。αサブユニット内にはFeMo-coおよびホモクエン酸が、両サブユニット間にはP-clusterが確認できる。PDB: 1M34
    ニトロゲナーゼ二に量りょう体からだ：αあるふぁサブユニット（緑みどり）およびβべーたサブユニット（赤あか）の二に量りょう体からだ構造こうぞう。αあるふぁサブユニット内ないにはFeMo-coおよびホモクエン酸くえんさんが、両りょうサブユニット間あいだにはP-clusterが確認かくにんできる。PDB: 1M34
  • ニトロゲナーゼ還元酵素：ホモ二量体構造。白およびピンクポリペプチド内にはそれぞれMg-ATPが結合している。また両サブユニット間に[4Fe-4S]クラスターが確認できる。PDB: 1M34
    ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ：ホモ二に量りょう体からだ構造こうぞう。白しろおよびピンクポリペプチド内ないにはそれぞれMg-ATPが結合けつごうしている。また両りょうサブユニット間あいだに[4Fe-4S]クラスターが確認かくにんできる。PDB: 1M34

ニトロゲナーゼ二に量りょう体からだ[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼ二に量りょう体たいの遺伝子いでんしはnifDおよびnifKであり、それぞれαあるふぁおよびβべーたサブユニットをコードしている。αあるふぁβべーた構造こうぞうが機能きのう単位たんいだが、生体せいたい内ないにおいてはαあるふぁ2βべーた2構造こうぞうをとっており、分子ぶんし量りょうは220 - 240 kDa程度ていどである。αあるふぁβべーた構造こうぞう内ないには、活性かっせい中心ちゅうしんである鉄てつ-モリブデン補ほ因子いんし(FeMo-co)および電子でんし伝達でんたつを担になうP-clusterが一ひとつずつ配はい位いしている。FeMo-coは[Mo-3Fe-3S]および[4Fe-3S]クラスターが3つの硫黄いおうリガンドによって結合けつごうし、[Mo-7Fe-6S]クラスター構造こうぞうを有ゆうしている。さらにモリブデンはホモクエン酸くえんさんのC2カルボニル基もととヒドロキシ基もとに結合けつごうし、さらにαあるふぁサブユニットのシステインとヒスチジンに結合けつごうして安定あんていした構造こうぞうをとっている。一方いっぽう、P-clusterは2つの[4Fe-3S]クラスターが1つの硫黄いおうリガンドによって結合けつごうし、[8Fe-7S]クラスター構造こうぞうをとっている。それぞれのクラスターの両りょう端はしはαあるふぁおよびβべーたサブユニットのシステインに結合けつごうし、配はい位いされている。したがって、P-clusterはαあるふぁβべーたサブユニット間あいだに配置はいちしている。

  • FeMo-co補因子：黄色部が硫黄、灰色部が鉄。ただし、左端の灰色はモリブデン。PDB: 1M34
    FeMo-co補ほ因子いんし：黄色おうしょく部ぶが硫黄いおう、灰色はいいろ部ぶが鉄てつ。ただし、左端ひだりはしの灰色はいいろはモリブデン。PDB: 1M34
  • P-cluster：黄色部が硫黄、灰色部が鉄。PDB: 1M34
    P-cluster：黄色おうしょく部ぶが硫黄いおう、灰色はいいろ部ぶが鉄てつ。PDB: 1M34

ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうその遺伝子いでんしはnifHである。機能きのう単位たんいはホモ二に量りょう体たいであり、分子ぶんし量りょうは120 kDaである。ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ内ないには1つの[4Fe-4S]クラスターおよび2つのMg-ATP結合けつごう部位ぶいを有ゆうしている。[4Fe-4S]クラスターはホモ二に量りょう体たいそれぞれのシステインによって配はい位いされ、P-cluster同様どうようサブユニット間あいだに配置はいちしている。一方いっぽう、Mg-ATP結合けつごう部位ぶいについては、ホモ二に量りょう体たいのサブユニットそれぞれに存在そんざいしている。

反応はんのう機構きこう[編集へんしゅう]

ニトロゲナーゼの反応はんのう機構きこう

1960年ねんにCarnahanらによってC. pasteurianum無む細胞さいぼう標しるべ品ひんによる窒素ちっそ固定こてい反応はんのうに成功せいこうした[19][20]。その後ご、モリブデン含有がんゆうニトロゲナーゼの精製せいせいを経へて、ニトロゲナーゼが二ふたつのComponent（ニトロゲナーゼ二に量りょう体からだおよびニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ）によって機能きのうすることが明あきらかになった[21]。その後ごの精力せいりょく的てきな研究けんきゅうにより、ニトロゲナーゼは下記かきの5成分せいぶんの存在そんざい下かにて窒素ちっそ固定こてい反応はんのうを行おこなうことが示しめされた[22][23][24]。

  1. 電子でんし供与きょうよ体たい（フェレドキシン、フラボドキシン）
  2. ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ（[4Fe-4S]クラスター）
  3. ATPおよび2価か金属きんぞくイオン(マグネシウム、カルシウムなど)
  4. ニトロゲナーゼ二に量りょう体たい（P-Cluster、FeMo-co）
  5. 電子でんし受容じゅよう体たい（窒素ちっそ）

なお、上記じょうきの順序じゅんじょで電子でんし伝達でんたつが行おこなわれる。以上いじょう5成分せいぶんの窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは下記かきの順序じゅんじょで行おこなわれる。

  1. ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそにATPおよびマグネシウムが結合けつごうし、複ふく合体がったいをとる。この時ときニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうその標準ひょうじゅん酸化さんか還元かんげん電位でんいは-400 mV付近ふきんまで低下ていかする。
  2. 電子でんし供与きょうよ体たいからニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったいに電子でんし伝達でんたつがおこなわれ、本ほん複ふく合体がったいが還元かんげんされる。
  3. ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったいのATPが加水かすい分解ぶんかいされより低てい電位でんいの電子でんしとなる。結合けつごうしているATPはADPとなる。
  4. ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgADP複ふく合体がったいの[4Fe-4S]クラスターを通つうじて、ニトロゲナーゼ二に量りょう体たいのP-clusterに電子でんし伝達でんたつがおこなわれる。
  5. ニトロゲナーゼ二に量りょう他たのP-clusterからFeMo-coに電子でんし伝達でんたつがおこなわれる。
  6. FeMo-coが窒素ちっそを2電子でんし還元かんげんするとN2H2を生しょうじる。
  7. FeMo-coがN2H2をさらに2電子でんし還元かんげんするとN2H4が生しょうじる。
  8. FeMo-coがN2H4をさらに2電子でんし還元かんげんすると2アンモニアが生しょうじる。
  9. 窒素ちっその還元かんげんを行おこなっている際さい、同時どうじにプロトンも還元かんげんし、水素すいそが発生はっせいする。

以上いじょうの反応はんのうの化学かがく量りょう論ろん式しきは以下いかのとおりである。

  1. ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ + 2Mg2+ + 2ATP → ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったい（酸化さんか型がた）
  2. 2ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったい（酸化さんか型がた） + 2e- → 2ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったい（還元かんげん型がた）
  3. 2ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgATP複ふく合体がったい（還元かんげん型がた） + 2ATP → 2ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ-MgADP複ふく合体がったい（酸化さんか型がた） + 2ADP + 4Pi + 2e-
  4. 1[4Fe-4S]クラスター（酸化さんか型がた） + 2e- → 1[4Fe-4S]クラスター（還元かんげん型がた）+ 1P cluster（酸化さんか型がた） → 1[4Fe-4S]クラスター（酸化さんか型がた） + 1P cluster（還元かんげん型がた）
  5. 1P cluster（還元かんげん型がた） + 1FeMo-co（酸化さんか型がた） → 1P cluster（酸化さんか型がた） + 1FeMo-co（還元かんげん型がた）
  6. 1FeMo-co（還元かんげん型がた） + N2 → N2H2
  7. （1~5の2回かい目めサイクル）1FeMo-co（還元かんげん型がた） + N2H2 → N2H4
  8. （1~5の3回かい目めサイクル）1FeMo-co（還元かんげん型がた） + N2H4 → 2NH3
  9. 2H+ + 2e- + 4ATP + 4H2O → H2 + 4ADP + 4Pi

なお、FeMo-co活性かっせい中心ちゅうしんにおける窒素ちっそ固定こてい反応はんのうスキームについてはいまだ決定けってい打だが出でていない。現在げんざいのところFeが触媒しょくばいとなる経路けいろや、[Mo-3Fe-3S]および[4Fe-3S]のクラスターをつなぐ窒素ちっそ原子げんしが触媒しょくばいとなる経路けいろ、あるいはモリブデンが触媒しょくばい部位ぶいとなる経路けいろなど4つのスキームが提案ていあんされている[25]。

関連かんれん遺伝子いでんしおよび機能きのう[編集へんしゅう]

P clusterやFeMo-coといった複雑ふくざつな金属きんぞくクラスターは自発じはつ的てきに構築こうちくされず様々さまざまなタンパク質たんぱくしつが構築こうちくに関与かんよしている。ニトロゲナーゼ構造こうぞう遺伝子いでんし発現はつげん後ごにタンパク質たんぱくしつ内ないにクラスターが配はい位いされる発現はつげん後ごプロセッシングを経へて活性かっせいを発揮はっきするが、この一連いちれんの現象げんしょうを成熟せいじゅく化か(maturation)という。また、ニトロゲナーゼは発現はつげんに際さいして様々さまざまな調節ちょうせつを受うけており、それらにかかわる遺伝子いでんしも多数たすう存在そんざいする。A. vinelandiiやK. pneumoniaeのニトロゲナーゼ遺伝子いでんしの機能きのう解析かいせきにより、ニトロゲナーゼにかかわる遺伝子いでんしの全貌ぜんぼうが明あきらかになってきている[26][27][28]。
下記かきに、これまで明あきらかになったニトロゲナーゼ関連かんれん遺伝子いでんし群ぐんの名称めいしょうおよび機能きのうを列挙れっきょする。

  • nifH・・・ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ
  • nifD・・・ニトロゲナーゼ二に量りょう体たいαあるふぁサブユニット
  • nifK・・・ニトロゲナーゼ二に量りょう体たいβべーたサブユニット
  • nifT・・・機能きのう不明ふめい
  • nifY/nafY・・・ニトロゲナーゼ二に量りょう体たいのシャペロン。FeMo-coの挿入そうにゅうにかかわる。
  • nifE・・・FeMo-co構築こうちく
  • nifN・・・FeMo-co構築こうちく
  • nifX・・・FeMo-co構築こうちく
  • nifU・・・鉄てつ硫黄いおうクラスター骨格こっかく
  • nifS・・・鉄てつ硫黄いおうクラスターの不安定ふあんてい硫黄いおうの運搬うんぱん
  • nifV・・・ホモクエン酸くえんさん合成ごうせい酵素こうそ
  • nifW・・・FeMo-co安定あんてい化か
  • nifZ・・・機能きのう不明ふめい
  • nifM・・・ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうその成熟せいじゅく化か
  • nifF・・・フラボドキシン
  • nifL・・・陰性いんせい調節ちょうせつ因子いんし
  • nifA・・・陽性ようせい調節ちょうせつ因子いんし
  • nifB・・・FeMo-co構築こうちく
  • fdnN・・・フェレドキシン
  • nifQ・・・FeMo-co構築こうちく
  • nifJ・・・ピルビン酸さん：フラボドキシン（フェレドキシン）オキシドレダクターゼ

なお、バナジウム含有がんゆうおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼも、それぞれvnf遺伝子いでんし群ぐん(Vanadium Nitrogen Fixation)およびanf遺伝子いでんし群ぐん(Alternative Nitrogen Fixation)をそれぞれ有ゆうし、良よく似にた機構きこうで発現はつげんにかかわっていると考かんがえられている[29]。また、幾いくつかの'nif'遺伝子いでんしはバナジウム含有がんゆうおよび鉄てつ型がたニトロゲナーゼで共有きょうゆうされている[30]。

発現はつげん調節ちょうせつ[編集へんしゅう]

まず、ニトロゲナーゼ系けいは大量たいりょうのATPを要求ようきゅうするため、酸化さんか的てきリン酸化さんかあるいは光ひかりリン酸化さんかがおこなわれる条件じょうけんでのみ窒素ちっそ固定こてい反応はんのうが見みられる。さらにニトロゲナーゼ活性かっせいは酵素こうそ発現はつげん量りょうの調節ちょうせつおよびADPの拮抗きっこう阻害そがいによって行おこなわれる。ニトロゲナーゼは生産せいさん物ぶつであるアンモニアの存在そんざいによって発現はつげん量りょうが低下ていかする。アンモニア自体じたいはニトロゲナーゼ反応はんのうの阻害そがい物質ぶっしつにはならない。ADPの拮抗きっこう阻害そがいについて、リボシル化かされたADPがニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうその強力きょうりょくな阻害そがい剤ざいとなることが明あきらかになっている[31]。ADPのリボシル化かはニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそADPリボシル転移てんい酵素こうそ(DRAT: Dinitrogenase Reductase ADP-ribosyltransferase)がかかわっており、本ほん酵素こうそは暗くら条件じょうけん（光ひかりリン酸化さんかがおこなわれない条件じょうけん）やアンモニウム塩しおの添加てんかによって誘導ゆうどうされる。リボシル化かADPによって阻害そがいされたニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそはニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそ活性かっせい化かグリコヒドロキシラーゼ(DRAG: Dinitrogenase Reductase Activating Glycohydrolase)によって付づけ活かつされ、再さい活性かっせい化かする。DRATおよびDRAGはともに精製せいせいされ、性状せいじょう解析かいせきがおこなわれている[32]。

酸素さんそ耐たい性せい機構きこう[編集へんしゅう]

窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは古ふるくから知しられていたが、1960年ねんのCarnahanの無む細胞さいぼう標しるべ品ひんの抽出ちゅうしゅつまで長ながらく生化学せいかがく的てき性質せいしつが明あきらかではなかった[19][20]。Carnahanは酸素さんそを極力きょくりょく除去じょきょし、通常つうじょう4 ℃で扱あつかうタンパク質たんぱくしつ標しるべ品ひんを20 ℃で扱あつかうことによってニトロゲナーゼの活性かっせいを残存ざんそんさせることに成功せいこうした。ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうそおよびニトロゲナーゼ二に量りょう体たいのいずれも酸素さんそに対たいして不可ふか逆ぎゃく失しつ活かつする。ニトロゲナーゼ還元かんげん酵素こうその空気くうき暴露ばくろに対たいする半減はんげん期き(t1/2)は30秒びょう、そしてニトロゲナーゼ二に量りょう体たいのt1/2は4分ふんである[1]。

上述じょうじゅつのように、嫌気いやけ性せい菌きん以外いがいにも通性つうせい嫌気いやけ性せい菌きん、好こう気性きしょう菌きんそして根粒こんりゅう菌きんがニトロゲナーゼ活性かっせいを有ゆうしている。嫌気いやけ性せい菌きんについては完全かんぜん嫌気いやけ状態じょうたいでなければ窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは行おこなわない。また通性つうせい嫌気いやけ性せい菌きんについては酸素さんそ濃度のうどが1キロパスカル以下いかの条件じょうけんでなければ窒素ちっそ固定こてい反応はんのうは同様どうように行おこなわれない。また、A. vinelandiiのような好こう気性きしょう細菌さいきんについては自みずからの高たかい酸素さんそ呼吸こきゅう活性かっせいによって細胞さいぼう周辺しゅうへんの酸素さんそを極力きょくりょく除去じょきょし、なおかつニトロゲナーゼの立体りったい構造こうぞうの違ちがいによって酸素さんその影響えいきょうを回避かいひしている[2][33]。

根粒こんりゅう菌きんについては酸素さんそに高たかい親和しんわ性せいを有ゆうするレグヘモグロビンを根粒こんりゅうの周囲しゅういに配置はいちすることによってニトロゲナーゼ系けいから酸素さんそを除去じょきょしている。レグヘモグロビンにとりこまれた酸素さんそはニトロゲナーゼ系けいに触ふれることなく、植物しょくぶつの根ねを経へて吸収きゅうしゅうされ、体内たいないで酸化さんか的てきリン酸化さんかに用もちいられる[2]。

シアノバクテリアは光化学こうかがく系けいのIとIIを同時どうじに有ゆうし、酸素さんそ発生はっせい型がた光合成こうごうせいをおこなう。したがって、ニトロゲナーゼ系けいとは極きわめて相性あいしょうが悪わるい。しかしながらAnabaena属ぞくのような繊維状せんいじょうのシアノバクテリアは酸素さんそを発生はっせいする光化学こうかがく系けいIIを細胞さいぼうから除去じょきょしたヘテロシスト（異質いしつ細胞さいぼう）にニトロゲナーゼを発現はつげんし、窒素ちっそ固定こてい反応はんのうを行おこなっている[10]。しかしながら、繊維状せんいじょうの形態けいたいをとらない単細胞たんさいぼうのシアノバクテリア（Trichodesmium属ぞくなど）においてもニトロゲナーゼ系けいおよび窒素ちっそ固定こてい反応はんのうが確認かくにんされている。そうしたシアノバクテリアは昼間ひるまに光合成こうごうせいを行おこないATPを蓄積ちくせきした後のちに、夜間やかん窒素ちっそ固定こてい反応はんのうを行おこなうといった方法ほうほうをとっている[2]。ただし、光合成こうごうせいと窒素ちっそ固定こていを同時どうじに行おこなうシアノバクテリアも見みつかっており、それらの機構きこうについてはいまだ謎なぞに包つつまれている[34]。

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]
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関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

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