アセチル CoA 合成酵素活性中心の還元状態モデル：二 - 協奏機能触媒

　アセチル CoA 合成酵素活性中心の還元状態モデル：
二核 Ni(II)-Ni(0) および Ni(II)-Ni(I) 錯体
Reduced State Models of Acetyl CoA Synthase Active
Site: Dinuclear Ni(II)-Ni(0) and Ni(II)-Ni(I) Complexes
名古屋大学大学院理学研究科　松本　剛
１．序
自然界の炭素固定反応を担う重要な金属酵素のひとつであるアセチル CoA 合成酵素（ACS）は、 CO2 の
還元で合成される CO とメチルコバラミン上のメチル基、および CoA からアセチル CoA を合成する。活性中
心にはニッケル二核錯体 (Nid–Nip) と [Fe4S4] クラスターからなる A-cluster が存在し、２つのニッケルのうち Nid
には主鎖のトリペプチド Cys-Gly-Cys が N2S2 型で配位し、 Nip にはその２つの Cys- チオラートと、 [Fe4S4] に
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結合した Cys- チオラート、および未同定の軽原子 (X) が配位している（図 1）。 ACS の反応機構を解明す
べく生化学的研究が行われているが、活性状態に関する情報は乏しく、錯体化学的なモデル研究が待たれ
ている。我々は ACS 活性中心のモデル錯体として二核ニッケル
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部位に注目し、 N2S2 キレート配位子である dadtEt (H2dadtEt = N,N’diethyl-3,7-　diazanonane-1,9-dithiol) を持つニッケル錯体を Nid
サイトのモデルとし、これにもう１分子のニッケル錯体を導入してニ
ッケル二核錯体を合成してきた。1 今年度は二核 Ni(II)-Ni(II) 錯
体に加え、触媒サイクルの活性種と考えられる還元状態モデル
錯体の合成と反応を主に検討した。2
２．
二核 Ni(II)-Ni(0) モデル錯体の合成
以前の検討において、二核 Ni(II)-Ni(II) 錯体 [Ni(dadtEt)Ni(tmtu)2](OTf)2 にメチルアニオンとチオラートを
順次作用させることによって、二核錯体 Ni(dadtEt)Ni(Me)(SDmp) (1) の合成に成功した (Scheme 1 左 )。この
錯体は、 ACS 酵素反応の基質であるメチル基とチオラートを持っており、未だ観測されていない ACS 酵素
反応の中間体モデルとして興味深い化合物である。ところで実際の酵素反応では、還元状態の二核ニッケ
ル錯体がメチルカチオン源であるメチルコバラミンと反応し、ニッケル (II) メチル錯体が生成すると考えられて
いる。還元状態のニッケルの酸化数についてはまだ議論が残るところであるが、 Ni(II)-Ni(0) もしくは Ni(II)Ni(I) の状態と考えられている。そこでまず二核 Ni(II)-Ni(0) モデル錯体を合成し、メチルコバラミンのモデル
化合物であるメチルコバロキシム 2 との反応を検討した 36)。 Ni(dadtEt) に Ni(cod)2 を THF 中 –40 ˚C で加え、
Ni(II)-Ni(0) 二核錯体 Ni(dadtEt)Ni(cod) (3) を系中で調製した。この錯体 3 は熱的に不安定なため、 2 を –30
℃で加えて 37 時間かくはんし、チオラート KSDmp を加えると、メチル / チオラート配位二核錯体 1 が収率
60% で得られた (Scheme 1 右 )。
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次に錯体 1 と CO の反応による ACS モデル反応、すなわちアセチルチオエステル生成反応を検討した。
錯体 1 に室温で過剰の CO を加えたところ、 Ni(dadtEt) と Ni(CO)4 の生成にともなって期待した通りアセチ
ルチオエステル CH3C(O)SDmp が収率 89％で得られた (Scheme 2)。一方、同反応を CO 下 –60 ˚C で行う
と、同様に CH3C(O)SDmp が生成し、ニッケル錯体としては単核の Ni(dadtEt) と二核 Ni(II)-Ni(0) 錯体である
Ni(dadtEt)Ni(CO)2 が得られた。この結果は、酵素反応サイクルにおいて Nid(II)-Nip(0) と Nid(II)-Nip(II) の２つ
の酸化状態が利用され、有機金属触媒と同様の酸化的付加と還元的脱離によって反応が進行していることを
示唆する結果である。
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３．
二核 Ni(II)-Ni(I) モデル錯体の合成
ACS のもうひとつの還元状態として提案されている Ni(II)-Ni(I) 状態のモデルとなる二核錯体の合成を検討
した。目的とするモデル錯体を合成するためには、 Ni(I) チオラート錯体が有用な原料になると考えられるが、
これまで Ni(I) チオラート錯体の報告例が全くないため、まずその合成を検討した。ニッケル 1 価アミド錯体
Ni{N(SiMe3)2}(PPh3)2 が知られているので、各種チオールを加えてアミド配位子をアミンとして脱離させ、チ
オラートを導入する方法を検討した。反応は期待したとおりに進行したが、アダマンタンチオール (AdSH) や
2,4,6- トリイソプロピルベンゼンチオール (TipSH) を加えた場合には二核ニッケル 1 価チオラート錯体 4, 5 が
得られ、これらは安定な Ni-Ni 結合をもつため、出発原料としては不適当であった。一方、非常にかさ高い
DmpSH との反応では、単核のニッケル (I) 錯体 Ni(SDmp)(PPh3) (6) が得られた (Scheme 3)。3
そこで、 6 と Ni(dadtEt) の反応を行った。両錯体を 1 ： 1 で反応させたところ、目的とする Ni(II)-Ni(I) 二核
錯体である Ni(dadtEt)Ni(SDmp)(PPh3) (7) が生成し、その構造を X 線構造解析によって明らかにした。そこで、
得られた錯体 7 を用いて酵素モデル反応を検討した。錯体 7 に –30℃でメチルコバロキシム 2 を 1 ：１のモル
比で加えたところ、速やかに溶液の色が変化した。引き続き過剰の CO を作用させたところ、 CH3C(O)SDmp
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が 43% の収率で得られた。一方、同反応を 2 ： 1 のモル比で行うと CH3C(O)SDmp の収率は 90% に向上し、
それ以上錯体 7 の当量を増やしても収率は変化しなかった（但し収率はメチルコバロキシム 2 を基準とした値）。
また 7 と 2 を 2 ： 1 の比で反応させ、 CO を加えずに生成物を単離したところ錯体 1 が得られた。以上の結果
から、 7 と 2 の反応は 2 ： 1 の比で進行し、形式的には 1 当量の 7 は 2 と反応して錯体 1 と Co(II) 状態のコ
バラミンを生成し、もう 1 当量の 7 はすみやかに Co(II) コバラミンを還元して Co(I) コバラミンを与えたと考えら
れる (Scheme 4)。
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４．ACS 還元状態におけるニッケル上の酸化数に関する考察
上記のように、二核錯体は Ni(II)-Ni(0) および Ni(II)-Ni(I) のいずれの酸化状態にあってもメチルコバロキシ
ムと反応し、 Ni(II)-Ni(II) 状態のニッケルメチル錯体を与えることがわかった。しかし、 Ni(II)-Ni(I) 二核錯体
7 を用いた場合は、メチルコバロキシムに対して２当量加える必要があり、酵素反応でも、メチルコバラミンと
の反応では２電子を必要とすると考えられる。以前 Lindahl らは、構造解析されている安定な {Nid(II)-Nip(II)[Fe4S4]2+} 状態の ACS を還元すると、２電子が Nip を還元し、 {Nid(II)-Nip(0)-[Fe4S4]2+} 状態になるという報告
をした。しかし最近、この２電子還元が段階的に起こること、またその状態のメスバウワースペクトルに基づいて、
２電子のうち１電子が Nip を還元し、もう１電子が [Fe4S4] クラスターを還元した {Nid(II)-Nip(I)-[Fe4S4]+} 状態を
提案している。我々の検討でも、 Ni(II)-Ni(I) 二核錯体 7 とメチルコバロキシムとの反応は、 Ni(II)-Ni(0) 錯体
3 を用いた時に比べて極めて速いことがわかっており、この結果は酵素触媒サイクルにおける {Nid(II)-Nip(I)[Fe4S4]+} 状態の重要性を示唆しているのかもしれない。酵素機能の全貌を明らかにする上で、二核ニッケル
部位と [Fe4S4] クラスターを連結した ACS 活性中心モデル錯体を合成することもひとつの課題であろう。
５．引用文献
(1)(a) Song, Y.; Ito, M.; Kotera, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Chem. Lett. 2009, 38, 184. (b) Ito, M.; Kotera,
M.; Song, Y.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Inorg. Chem. 2009, 48, 1250.
(2)(a) Ito, M.; Kotera, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2009, 106, 11862. (b)
Matsumoto, T.; Ito, M.; Kotera, M.; Tatsumi, K. Dalton Trans., 2010, in press.
(3)Ito, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Inorg. Chem. 2009, 48, 2215.
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Reduced State Models of Acetyl CoA Synthase Active Site:
Dinuclear Ni(II)-Ni(0) and Ni(II)-Ni(I) Complexes
Tsuyoshi Matsumoto
Acetyl-CoA synthase (ACS) is a metalloenzyme that assembles acetyl-CoA from CO, methylcobalamine, and
CoA. Recently, crystal structures of ACS have been elucidated; the active site of ACS contains a Nid-Nip dinuclear
site and a [Fe4S4] cluster. In order to elucidate the role of the bimetallic nickel site in the ACS active site, we
synthsized a series of dinuclear nickel complexes that model the ACS active site.
(OTf)2 with MeMgCl and KSDmp (Dmp=2,6-dimesitylphenyl). Complex 1 could be a possible intermediate
model in ACS reaction. Indeed, upon addition of excess CO to a THF solution of 1 at –60°C, acetylthioester
MeC(O)SDmp and a 1:1 mixture of the dinuclear nickel dicarbonyl complex Ni(dadtEt)Ni(CO)2 and Ni(dadtEt)
were obtained.
We have prepared the Ni(II)-Ni(0) model complex Ni(dadtEt)Ni(cod) (3) and the Ni(II)-Ni(I) model complex
Ni(dadtEt)Ni(SDmp)(PPh3) (7) as possible models for the reduced state of ACS, and then examined the model
reactions. Treatment of 3 with methylcobaloxime and KSDmp led to the formation of 1 in 60% yield. The
reaction of 7 with methylcobaloxime also gave 1. Therefore, both Ni(II)-Ni(0) and Ni(II)-Ni(I) could be served as
possible active states of ACS. References
(1)(a) Song, Y.; Ito, M.; Kotera, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Chem. Lett. 2009, 38, 184. (b) Ito, M.; Kotera,
M.; Song, Y.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Inorg. Chem. 2009, 48, 1250.
(2)(a) Ito, M.; Kotera, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2009, 106, 11862. (b)
Matsumoto, T.; Ito, M.; Kotera, M.; Tatsumi, K. Dalton Trans., 2010, in press.
(3)Ito, M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Inorg. Chem. 2009, 48, 2215.
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Recently we have synthesized [Ni(dadtEt)Ni(Me)(SDmp)] (1) by sequential treatment of [Ni(dadtEt)Ni(tmtu)2]
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松本　剛
広報資料
１．論　文
(1) A Dinuclear Nickel Complex Modeling of the Nid(II)-Nip(I) State for the Active Site of Acetyl CoA Synthase, Matsumoto, T.;
Ito, M.; Kotera, M.; Tatsumi, K. Dalton Trans. 2010, in press (Highlighted in Inside cover)
(2) Host plant genome overcomes the lack of bacterial gene for symbiotic nitrogen fixation, Hakoyama, T.; Niimi, K.; Watanabe,
H.; Tabata, R.; Matsubara, J.; Sato, S.; Nakamura, Y.; Tabata, S.; Li, J.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K.; Nomura, M.; Tajima, S.;
Ishizaka, M; Yano, K.; Imaizumi-Anraku, H.; Kawaguchi, M.; Kouchi, H.; Suganuma, N. Nature, 2009, 462, 514-517.
(3) Evidence for a Rapid Degenerate Hetero-Cope-type Rearrangement in Cp*W(S)2-CH2-CH2-CH=CH2, Eweiner, F.; Senda, S.;
Bergander, K.; Mück-Lichtenfeld, C.; Grimme, S.; Fröhlich, R.; Aoyama, M.; Kawaguchi, H.; Ohki, Y.; Matsumoto, T.; Kehr,
G.; Tatsumi, K.; Erker, G. Chem. Asian J. 2009, 4, 1830-1833.
M.; Matsumoto, T.; Tatsumi, K. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2009, 106, 11862-11866.
(5) Organometallic Chemistry in [NiFe] Hydrogenases: Synthesis of the Structural and Functional Models, Matsumoto, T.; Ohki,
Y.; Tatsumi, K. J. Syn.Org. Chem. Jpn. 2009, 540-553 ( 特集号 ” 錯体化学と合成化学の接点 ”).
２．著書・総説
(1) 自然界の炭酸固定を担うアセチル CoA 合成酵素の化学 , Bull. Jpn. Soc. Coord. Chem. 2009, 54, 38-51 （総説） .
３．講　演
(1) “ 炭素固定を担う金属酵素のモデル研究 – アセチル CoA 合成酵素を中心に – “, 第６回有機元素化学セミナー , 2010 年
2 月 19 日 -20 日（京都）
(2) “Activation of Dihydrogen and Cabon Monoxide by the OH-bridged Ru-Ge Dinuclear Complexes”, The 14th Japan-Korea
Joint Symposium on Organometallic and Coordination Chemistry, 2009 年 10 月 8 日 -10 日（名古屋）
(3) “Dinuclear Nickel Complexes Modeling the Sructure and Function of Acetyl CoA Synthase”, The 14th International
Conference on Bioinorganic Chemistry (ICBIC 14), 2009 年 7 月 25 日 –30 日（名古屋）
４．学会・シンポジウム
(1) 第 14 回有機金属および配位化学に関する日韓合同シンポジウム , 実行委員 , 2009 年 10 月 8-11 日（名古屋）
(2) 第 14 回生物無機化学国際会議（ICBIC-14） Small Molecule Activation (H2 and N2) セッションオーガナイザー , 2009 年 7
月 25-30 日（名古屋）
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(4) Dinuclear Nickel Complexes Modeling the Structure and Function of the Acetyl CoA Synthase Active-Site, Ito, M.; Kotera,
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