フェレドキシン

フェレドキシンとは

フェレドキシン（ferredoxin）は、鉄-硫黄クラスターを含む鉄硫黄タンパク質であり、主に電子伝達体として機能します。このタンパク質は、動物や原核生物に広く分布し、光合成や窒素固定、炭酸固定等、さまざまな代謝過程に関与しています。具体的には、フェレドキシンは酸化還元反応において重要な役割を果たし、特に還元性の電子供与体としての機能が際立っています。酸化還元電位（E0'）は−0.43Vであり、略号はFdと表示されます。

フェレドキシンの種類と酸化還元様式

フェレドキシンは、アミノ酸配列よりもその保有する鉄-硫黄クラスターの種類によって分類されます。以下のようなクラスターがあります。

1. 2Fe-2S

このクラスターは、鉄と不安定な硫黄がそれぞれ2つずつ結合しているもので、植物や動物に広く見られます。また、真正細菌や古細菌（高度好塩菌）にも見られます。

2. 3Fe-4S

この形状は、4Fe-4Sクラスターの酸化状態から成るものとされています。主に真正細菌と古細菌に見られます。

3. 4Fe-4S

このクラスターは立方体の形状を持ち、嫌気的な環境で機能することが多いです。真正細菌と古細菌（メタン菌や好熱菌）において発見されます。

さらに、1つのフェレドキシンに複数の鉄-硫黄クラスターが含まれる場合もあります。例えば、[3Fe-4S]と[4Fe-4S]を1つずつ持つものは[7Fe-8S]フェレドキシンと呼ばれ、2つの4Fe-4Sを持つものは[8Fe-8S]または2[4Fe-4S]とされます。メタン菌は、12個の4Fe-4Sクラスターからなるポリフェレドキシンを持っており、フェレドキシンの多様性を示しています。

フェレドキシンの酸化還元様式は、各クラスターによって異なります。以下はそれぞれの酸化還元様式の概要です。

• - 2Fe-2S: 2 Fe³⁺（酸化型） ⇄ Fe³⁺•Fe²⁺（還元型） ⇄ 2 Fe²⁺（超還元型）
• - 3Fe-4S: 3 Fe³⁺（超酸化型） ⇄ 2 Fe³⁺•Fe²⁺（酸化型） ⇄ 1 Fe³⁺•2 Fe²⁺（還元型）
• - 4Fe-4S: 3 Fe³⁺•Fe²⁺（超酸化型） ⇄ 2 Fe³⁺•2 Fe²⁺（酸化型） ⇄ Fe³⁺•3 Fe²⁺（還元型）

これらの超還元型や超酸化型は、通常の生理的状態では存在せず、精製したフェレドキシンに還元剤や酸化剤を加えることで観察できる状態です。また、これらの酸化還元状態を調査するために電子スピン共鳴（ESR）が使用されます。

生理的意義と機能

フェレドキシンは、様々な反応において重要な役割を果たします。基本的には、有機物の酸化や光合成によって得られた電子を用いて、還元反応を促進します。

光合成系における役割

光化学系複合体Iでは、フェレドキシンが電子供与体となり、NADPHの生成に寄与しています。光合成の過程で得られた電子がフェレドキシンに渡され、フェレドキシンとNADP+が反応してNADPHが生成されます。

水素生成への寄与

フェレドキシンは、ヒドロゲナーゼに電子を提供することで水素の生成も助けます。特に、硫酸還元菌では乳酸の酸化を通じてフェレドキシンが水素の生産に寄与しています。

窒素循環への関与

さらには、窒素固定や硝酸還元にも関与し、窒素循環においても重要な役割を担っています。

フェレドキシンは、これら多様な反応や機能を通じて、生物のエネルギー代謝や栄養素の循環に寄与しています。また、その合成は遺伝子からの転写・翻訳を経て行われ、クラスター構築には他のタンパク質が関与することもあります。

高電位鉄-硫黄タンパク質（HPIP）との比較

高電位鉄-硫黄タンパク質（HPIP）は、フェレドキシンと同じ[4Fe-4S]クラスターを持ちながら、酸化還元電位が高いことが特徴です。HPIPの酸化還元様式は、フェレドキシンとは異なる反応特性を示します。この違いが生じるメカニズムについては、まだ解明されていない部分が多く、研究が進められています。

結論

フェレドキシンは、鉄-硫黄クラスターを有する重要なタンパク質であり、生物の代謝反応に多様に関与しています。その機能や特性についての理解が進むことで、生物のエネルギー利用や栄養素循環の解明に貢献することが期待されています。

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