窒素から見る生命の世界

◆ 窒素から見る生命の世界 ◆

　日本コンピュータ化学会2014春季年会（2014/05/29-30，東京工業大学大岡山キャンパス）において本コンテンツについてポスター発表しました。　※要旨PDF，発表スライド（一部改変）

アンモニアの生成｜アルカロイド｜ニトロゲナーゼ／銅含有亜硝酸還元酵素｜ ATP・ADPとATP合成酵素
アドレナリンとノルアドレナリン｜複素芳香族アミン｜テトラピロール
【話題】　光合成反応中心-集光アンテナ複合体｜鉄フタロシアニン｜エピジェネティクスとアザシチジン
小竹無二雄「もひ」｜体内に窒素は? ｜参考文献など

アンモニアの生成
※関連キーワード例：ハーバー・ボッシュ法　［Haber process - Wikipedia］

N₂ ＋ 3 H₂
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺
→
　（反応熱＝92 kJ/mol）　

2 NH₃
空間充填　球棒　スティック
全選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

アルカロイド　d-ツボクラリン〈初期表示〉ほか　→ 本ページ内“小竹無二雄「もひ」”も参照

●「元素手帳2018」（化学同人）ブックカバー裏面掲載分子の一部
d-ツボクラリン（d-tubocurarine）　［Tubocurarine chloride - Wikipedia］ ∥ ※d-ツボクラリン結合PDBデータ例： 3pmzのChain E（d-ツボクラリンが結合したニコチン性アセチルコリン受容体）　同PDBsumデータ3pmz_TUB$　→ Jmolトピック（ニコチン性アセチルコリン受容体）
アトロピン（atropine）　［Atropine - Wikipedia］
モルヒネ／モルフィン（morphine）　［Morphine - Wikipedia］
コカイン（cocaine）　［Cocaine - Wikipedia］
ニコチン（nicotine）　［Nicotine - Wikipedia］
キニーネ（quinine）　［Quinine - Wikipedia］
アコニチン（aconitine）　［Aconitine - Wikipedia］
レセルピン（reserpine）　［Reserpine - Wikipedia］
●その他，次のページにもアルカロイドが含まれています → 抗うつ剤と神経伝達物質（本サイト）｜危険ドラッグ｜「亀-C-C-N」構造をもつ脳内物質のSITE例

バックボーン　二次構造
全選択　タンパク質選択　リガンド選択

空間充填　球棒　球60％　スティック　針金
アミノ色　Chain色　CPK色　∥　Jmol色　Rasmol色

酸性・中性・塩基性区別　極性・非極性区別
疎水性インデックス順　I/O値順（特性基 R）　等電点順
コンホメーション選択性（αヘリックス・βストランド）#
水素結合表示
　
　　
背景・黒　灰　白　紺

「元素手帳2018」（化学同人）のブックカバー裏面より一部分子を上掲

d-ツボクラリンおよび同分子が結合したニコチン性アセチルコリン受容体3pmzのChain Eと同PDBsumデータ

ニトロゲナーゼ： 1n2c ｜ 4tkvのChain A・B → Jmolトピックス
銅含有亜硝酸還元酵素： 5d4iのChain A　同PDBsumデータ5d4i_NO2 [503(A)]$ → Jmolトピックス

1n2c_HCA-CFM（モリブデン鉄クラスター）
I'/O'＝1.003
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択
Fe-Mo-Sクラスター選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

1n2c_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター）
I'/O'＝0.858
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択

空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

4tkv_ICE [502(A)]（Fe-Mo-Sクラスター；C〈格子間炭素〉含む）
※一酸化炭素と3-ヒドロキシ-3-カルボキシ-アジピン酸が結合
（I'/O'＝0.889）
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択
C-Fe-Mo-Sクラスター（CFe₇MoS₈）選択　一酸化炭素選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

4tkv_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター）

I'/O'＝0.801
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択

空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

4tku_ICS [502(A)]（Fe-Mo-Sクラスター；C〈格子間炭素〉含む）
※3-ヒドロキシ-3-カルボキシ-アジピン酸が結合
（I'/O'＝0.973）
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択
C-Fe-Mo-Sクラスター（CFe₇MoS₉）選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

4tku_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター）

I'/O'＝0.899
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択

空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

※参考：鉄硫黄クラスター／Fe4S4，Fe2S2，Fe3S4等を含む生体分子のSITE例｜ Jmolトピックス（4tkv/4tkuについて）

ニトロゲナーゼの構造例1n2c（Azotobacter vinelandii由来）

銅含有亜硝酸還元酵素5d4iのChain AとそのPDBsumデータ

ASP　GLU　CYS　MET　LYS　ARG　SER　THR　PHE　TYR　ASN　GLN　GLY　LEU　VAL　ILE　ALA　TRP　HIS　PRO

酸性

中性

芳香族

塩基性

ASP　GLU　GLY　ALA　VAL　LEU　ILE　CYS　SER　THR　ASN　GLN　PRO　MET　PHE　TYR　TRP　LYS　ARG　HIS

極性

酸性

塩基性

非極性（疎水性）

SER　THR　TYR　CYS　ASN　GLN　ASP　GLU　LYS　ARG　HIS　GLY　ALA　VAL　LEU　ILE　PHE　PRO　MET　TRP

ARG　LYS　ASN　ASP　GLN　GLU　HIS　PRO　TYR　TRP　SER　THR　GLY　ALA　MET　CYS　PHE　LEU　VAL　ILE

ASN　SER　ASP　GLN　GLU　THR　ARG　HIS　GLY　LYS　TYR　TRP　CYS　MET　PRO　PHE　ALA　VAL　LEU　ILE

ASP　GLU　CYS　ASN　PHE　GLN　TYR　SER　MET　TRP　VAL　GLY　LEU　ALA　ILE　THR　PRO　HIS　LYS　ARG

アミノ酸および特性基の親水性・疎水性｜ Log Pをポケットに！

ATP・ADPとATP合成酵素　PDBデータ1E79（F1部分；ウシミトコンドリア由来）
※今月の分子 No.26: ATP合成酵素（ATP Synthase）（PDBj，2005/12）｜ Molecule of the Month（PDB）
［ATP Synthase - Wikipedia］

バックボーン　二次構造
全選択　タンパク質選択　リガンド選択
ATP選択　ADP選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　針金
アミノ色　Chain色　CPK色　∥　Jmol色　Rasmol色

酸性・中性・塩基性区別　極性・非極性区別
疎水性インデックス順　I/O値順（特性基 R）　等電点順
コンホメーション選択性（αヘリックス・βストランド）
水素結合（太）　OFF
　
　
背景・黒　灰　白　紺

1e79_ATP（ATP合成酵素；F1部分）
I'/O'＝1.8500，I/O＝－
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択
リガンド中N選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

1e79_ADP（ATP合成酵素；F1部分）
I'/O'＝1.9907，I/O＝－
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択
リガンド中N選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　消去
CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順
｜背景・黒　灰　白　紺

ミトコンドリア関連生体分子のSITE例

脳内物質や医薬の「亀-C-C-N」構造；アドレナリンとノルアドレナリンのSITE例

「亀-C-C-N」構造をもつ脳内物質のSITE例

［左］ノルアドレナリン（noradrenaline，PuzMolによる）　［中］同（Jmol形式）　［右］AlphaFill構造 P11086の回転画像（空間充填表示が無秩序・非構造化領域）

両者の3Dプリンタ模型（スタジオミダス製作；サイエンスアゴラ2023で展示）とそれらの“鍵と鍵穴”の位置
→ PDBsumサイトで入手したAlphaFold構造

複素芳香族アミンPhIPのDNAへのインターカレーション　PDBデータ1HZ0のModel 1　→ 発がん性化合物と生体分子
［Heterocyclic amine - Wikipedia］
※ニュース例：POPs汚染でタバコの害が数倍に！（ハフポ，2014/05/25）

バックボーン　二次構造
DNA/RNA（ATGCU，backbone）
全選択　リガンド選択　リガンドの窒素選択
DNA/RNA選択　同backbone選択

空間充填　球棒　球60％　スティック　針金
アミノ色　Chain色　CPK色　∥　Jmol色　Rasmol色

水素結合（太）　OFF
　
　
背景・黒　灰　白　紺

発がん性が認められている複素芳香族アミンの例　→ 発がん性化合物と生体分子

Trp-P-1
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

Trp-P-2
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

Glu-P-1
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

Glu-P-2
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

A-α-C
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

MeA-α-C
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

IQ
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

PhIP
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

PDBデータ1HZ0のModel 1

テトラピロール - 生物界で見られる4種類のテトラピロール　→ 4分子同時表示
※参考：大河内直彦，『分子で地球を読む　テトラピロールと地球環境』，「科学」，2013年7月号
※公開PDF：『分子で地球を読む No.10　テトラピロールと地球環境』（JAMSTEC公開資料一覧）
※関連記事：11億年前の海洋生態系の復元　独自の微量同位体分析技術で先カンブリア代の海洋環境を明らかに（JAMSTEC，2018/07/10）
テトラピロール - Wikipedia ｜ポルフィリン

生物界で見られる4種類のテトラピロール
空間充填　球棒　スティック
全選択　窒素選択
　　　
背景・黒　灰　白　紺

1n2z_CNC

3Dプリンタによる新生体分子模型Kawakami Model（JAISTプレスリリース）
［左］光合成関連3ARCのChain A（以下にYouTube動画）　［右］ヘモグロビン2HHB

【話題】

光合成反応中心-集光アンテナタンパク質複合体 PDBデータ3WMM

光合成反応中心と集光アンテナタンパク質との複合体の結晶構造を解明（SPring-8，2014/03/27）
Structure of the LH1-RC complex from Thermochromatium tepidum at 3.0Å（Nature，2014/03/26）
※同研究で3wmmがC2結晶，3wmn・3wmoがP2₁結晶

バックボーン　二次構造
全選択　タンパク質選択　リガンド選択
C・L・M・H鎖（反応中心）選択
BCL選択　BPH選択　HEM選択　
HB選択（$印のみ）　
空間充填　球棒　球60％　スティック　針金
アミノ色　Chain色　CPK色　∥　Jmol色　Rasmol色

酸性・中性・塩基性区別　極性・非極性区別
疎水性インデックス順　I/O値順（特性基 R）　等電点順
コンホメーション選択性（αヘリックス・βストランド）
水素結合表示
　
　　
背景・黒　灰　白　紺

BCL・BPH・HEMのみ表示

鉄フタロシアニンが結合したヘム獲得タンパク質HasAp（初の鉄フタロシアニン結合PDBデータ；別リガンド2件も併催）

緑膿菌が分泌する鉄獲得タンパク質の標的誤認識を利用する緑膿菌の増殖阻害人工タンパク質を開発（名古屋大学，2014/02/05） [PDF]
ニュース例：名大など、「緑膿菌」に対する新しい作用機構の人工タンパク質を開発（マイナビニュース，2014/02/07）

新刊から：エピジェネティクスとアザシチジン（DNAメチル化阻害剤）

仲野徹，「エピジェネティクス　―新しい生命像をえがく」，岩波新書(2014)
田嶋正二編，「エピジェネティクス　その分子機構から高次生命機能まで」，化学同人(2013)
太田邦史，「エピゲノムと生命」，講談社ブルーバックス(2013)
日本エピジェネティクス研究会｜役に立つリンク集
がん細胞を制御するエピジェネティクス（同仁ニュース）
今月の分子 139: DNAメチルトランスフェラーゼ（DNA Methyltransferase, DNAメチル基転移酵素）（2011/07）
エピジェネティクス - Wikipedia ∥ Epigenetics
上掲書の本サイト別トピックス

シチジン（cytidine）｜アザシチジン（azacytidine）｜シチジンとアザシチジンの同時表示　アザシチジンの5位の窒素選択
参考（DNAのメチル化）：PDBデータ 4da4（DNAメチルトランスフェラーゼ DNMT1；ヘミメチル化 CpG DNAが結合）　メチル化シトシンの塩基選択　［Methyltransferase - Wikipedia，DNMT1 - Wikipedia］

バックボーン　二次構造
DNA/RNA（ATGCU，backbone）
全選択　タンパク質選択　リガンド選択　
DNA/RNA選択　同backbone選択
空間充填　球棒　球60％　スティック　針金
アミノ色　Chain色　CPK色　∥　Jmol色　Rasmol色

酸性・中性・塩基性区別　極性・非極性区別
疎水性インデックス順　I/O値順（特性基 R）　等電点順
コンホメーション選択性（αヘリックス・βストランド）
水素結合表示
　
　　
背景・黒　灰　白　紺

《参考》有機化学者・小竹無二雄（1894-1976）の随筆から

もひ

　　（中　略）
　話は飛ぶが、前にも言ったように、中国の伝説に出て来る蟇仙人に仕えている蟇は前足が二肢、後足が一肢という変ったものだそうであるが、ちょうど虞美人草が虞美人の化身だという言い伝えをここにもって来て、蟇仙人の蟇が蛙の真似をして水に飛び込んで溺れ死んだ後に菱ができたという作り話をこしらえて見ると、どうもこの菱は棘が三つでないと都合が悪い．そこで四つ角菱二つ角菱等の仲間に三つ角菱というものが仲間入りをして来てもよいことになり、この菱には何か魔がさしておってもよかりそうである．
　私は劈頭から何ということなしに四つ角菱に炭素、二つ角菱に酸素や硫黄をあてがい三つ角菱に窒素をふりあてて来たが、窒素にこの物語りをあてはめて行くと窒素を持っている物が何か不可思議な性格をもっているのもうなずくことができる．第一にアミノ酸という窒素の崇拝者連中が寄り集まって蛋白という私共にも手の下しようのない代物を作っているかと思っているとグルタミン酸やプロリン等と言うアミノ酸は「うまい」と言う味の所有者であったり、かと思うと遺伝の魔法を司るのが、またアミノ酸の一つのトリプトファンの分家のオキシトリプトファンであったり、真に端倪すべからざるものがある．アセトアニリドすなわちアンチヘブリンのごときも、誰が見ても、こんなものが強い解熱作用を持つとは思われないのに、人によって中毒はするものの今だに愛用されるのも蟇菱の化身の窒素が中心になっていればこそであろう．
　　（中　略）
　ところで仙人の蟇をもち出して来たのにはもう一ついわれがあるのであって、窒素は蟇の化身だけに角が三本ときめて置いても、このモルフィン自身は水にとけぬ癖に塩酸水にも酢にもわけなく溶けてしまうのである．これを些細にしらべると、塩酸や醋酸のような酸を窒素菱が抱き込み、その結果として塩酸モルフィンや醋酸モルフィンができて溶けているのである．それにしても角は他の元素との結びつきにもうすっかりつかっているのにと思うと、チャンと妖術をつかって怪しげな角を、どこにかくしているものか二つも出して、塩酸なら塩素と水素とにわけてこの角に吸いつけているのである．すなわち窒素菱は三つ角菱に違いないが、隣の炭素に酸素がついてけん制していない限りは、酸が近くへ来ると腹の中から角を二つ出して五つ角菱に化けて他の元素菱の角五つと吸いつき合うものなのである．これが窒素化合物の特性であって、化学者は研究にしばしばこの特性を利用して隠れている窒素の有無や性質までも調べる方便につかっている．
　　（以下略）

伏見康治監修，「日本の科学精神２　自然に論理を読む」，p.303，工作社(1978) ／初出：1949
江上不二夫・小竹無二雄・千谷利三，「化学の四季」，p.84，学生社(1978)

体内に窒素は?

特別展「元素のふしぎ」 - 国立科学博物館（2012/07/21-10/08）

（今後も内容を追加します）

●参考文献と参考Webページ

桜井弘編，「生命元素事典」，オーム社(2006)

桜井弘，「元素111の新知識　第2版」，講談社ブルーバックス(2009)

中村春木編，「見てわかる構造生命科学　生命科学研究へのタンパク質構造の利用」，化学同人(2014)　※p.107に窒素固定，pp.311-321に光化学系IIなど。

セオドア・グレイ著, 若林文高監修), 武井摩利訳，「世界で一番美しい元素図鑑」，創元社(2010)

船山信次，「アルカロイド　毒と薬の宝庫」，共立出版(1998)

國枝武久・永松朝文・日比野俐・前波勇・村上泰興，「ヘテロ環の化学　医薬品の基礎」，化学同人(2002)

山川浩司・金岡祐一・岩澤義郎，「メディシナルケミストリー第5版」，講談社サイエンティフィク(2004)

生田哲，「脳と心をあやつる物質」，p.71～，講談社ブルーバックス(1999)

生田哲，「脳と心を支配する物質」，p.52・163，169，ソフトバンククリエイティブ(2011)

野口哲典，「マンガでわかる神経伝達物質の働き」，ソフトバンククリエイティブ(2011)

「改訂版フォトサイエンス化学図録」，数研出版(2013)

「改訂版フォトサイエンス生物図録」，数研出版(2013)

大河内直彦，『分子で地球を読む　海に生き物はどれだけいる？』，「科学」，2013年12月号

大河内直彦，『分子で地球を読む　小は大を制する』，「科学」，2017年8月号

生化学の基礎 - 生命体と有機化合物（福岡大学大学院理学研究科化学専攻機能生物化学研究室）｜生物毒

1n2c_HCA-CFM（モリブデン鉄クラスター） I'/O'＝1.003 全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択 Fe-Mo-Sクラスター選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺	1n2c_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター） I'/O'＝0.858 全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺
4tkv_ICE [502(A)]（Fe-Mo-Sクラスター；C〈格子間炭素〉含む） ※一酸化炭素と3-ヒドロキシ-3-カルボキシ-アジピン酸が結合（I'/O'＝0.889）全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択 C-Fe-Mo-Sクラスター（CFe₇MoS₈）選択　一酸化炭素選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺	4tkv_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター） I'/O'＝0.801 全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺
4tku_ICS [502(A)]（Fe-Mo-Sクラスター；C〈格子間炭素〉含む） ※3-ヒドロキシ-3-カルボキシ-アジピン酸が結合（I'/O'＝0.973）全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択 C-Fe-Mo-Sクラスター（CFe₇MoS₉）選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺	4tku_CLF（Fe(8)-S(7)クラスター） I'/O'＝0.899 全選択　タンパク質選択　リガンド選択　HB選択空間充填　球棒　球60％　スティック　消去 CPK色　酸性・中性・塩基性　I/O値順｜背景・黒　灰　白　紺

Trp-P-1 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	Trp-P-2 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	Glu-P-1 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	Glu-P-2 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺
A-α-C 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	MeA-α-C 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	IQ 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺	PhIP 空間充填　球棒　スティック全選択　窒素選択　　　背景・黒　灰　白　紺