タンパク質が鉄硫黄電子伝達を微調整する仕組みを解明(How Proteins Fine-Tune Nature’s Iron-Sulfur Electron Relays)

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2026-06-30 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国パシフィックノースウェスト国立研究所(PNNL)の研究チームは、鉄硫黄(Fe–S)クラスターを含むタンパク質が電子伝達能力をどのように精密制御しているかを解明した。研究では、1,049種類のタンパク質構造を解析し、[4Fe–4S]クラスターを固定するシステイン配位子に5種類の代表的な配置が存在することを見出した。量子化学計算の結果、配位子の局所的な幾何構造は酸化還元電位を最大約0.1V変化させる一方、タンパク質全体の構造や周囲の水環境が酸化還元電位の基準値を決定する主要因であることが判明した。すなわち、タンパク質環境が大まかな電子移動特性を決め、配位構造がその特性を微調整するという階層的な設計原理が明らかになった。この知見は、生体内電子伝達経路の理解を深めるだけでなく、人工酵素やバイオ触媒、酸化還元材料など、生体模倣型触媒の高精度設計への応用が期待される。

タンパク質が鉄硫黄電子伝達を微調整する仕組みを解明(How Proteins Fine-Tune Nature’s Iron-Sulfur Electron Relays)

<関連情報>

[4Fe–4S]クラスターにおける酸化還元電位の幾何学的構造、スピン結合、および誘電率制御 Geometry, spin coupling, and dielectric control of redox potentials in [4Fe–4S] Clusters

Peter S. Rice,Bruno Jacob,Khushbu Agarwal,Marcel D. Baer & Simone Raugei
JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry
DOI:https://doi.org/10.1007/s00775-026-02151-2

Abstract

Iron–sulfur (Fe–S) clusters are common biological cofactors that facilitate vital redox reactions. Despite extensive research, the molecular basis of redox potential tuning in ferredoxin-like proteins remains an active area of debate. In this study, we combine statistical analysis of over one thousand [4Fe–4S]-containing protein structures from the Protein Data Bank (PDB) with broken-symmetry and extended broken-symmetry density functional theory to examine how cysteine ligand orientations and environmental screening affect redox properties of the clusters. We identified five main ligand configurations, three of which are predominant in natural structures. Among these, the adiabatic electron affinity differs by less than 0.1 V, indicating that, while geometry plays a secondary role, it allows localized fine-tuning of redox properties. In contrast, electrostatic and solvation effects primarily determine the overall potential range.

生物化学工学
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