モルフィノン還元酵素

モルフィノン還元酵素は、モルフィノンとコデイノンの炭素-炭素二重結合のNADH依存性飽和を触媒し、それぞれヒドロモルホンとヒドロコドンを生成する酵素である。 ^{[ 1 ]}この飽和反応はFMN補因子によって促進され、この酵素はα/βバレルフラボタンパク質ファミリーの一員である。^{[ 1 ]}この酵素の配列は細菌Pseudomonas putida M10から得られており^{[ 2 ]}、酵母^{[ 3 ]}や他の細菌種[4]で正常に発現されている。^{この酵素は}、酵母種のフラビン依存性酸化還元生体触媒の大きなグループであるオールドイエロー酵素^{[ 5 ]}や、カンジダアルビカンスのエストロゲン結合タンパク質と高い配列および構造類似性を持つことが報告されている。^{[ 4 ]}この酵素は微生物におけるセミオピオイド薬の生合成において有用であることが実証されており、^{[ 6 ]} BIA生合成の化学的多様性を拡大している。^{[ 7 ] [ 8 ]}

モルフィノン還元酵素は、2 つの 8 回対称の α/β バレル ドメインからなる二量体フラボ酵素であり、各バレルには、中央と C 末端に向かって非共有結合した FMN補欠分子族が位置している。 ^{[ 9 ]}活性部位では、Cys-191 残基が、α/β 不飽和エノンとの酸化半反応においてプロトン供与体として機能する。His-186 および Asn-189 残基はリガンド結合に関与しており、オールド イエロー酵素でも見られる保存された特徴である。^{[ 10 ]} Arg-238 残基は、フラビンとの重要な相互作用に寄与しており、この基の側鎖はフラビン イソアロキサジン環の N-1/C-2 カルボニル領域の近くに位置しており、酵素還元中に発生する負電荷を安定化させる。

モルフィノン還元酵素は、モルフィノンとコデイノンという2つの基質を受け取り、それぞれをヒドロモルホンとヒドロコドンに変換します。この触媒作用は、Pseudomonas putida M10におけるモルヒネとコデインの分解経路の一部です。モルヒネ脱水素酵素とモルフィノン還元酵素が共に2段階​​の触媒作用を形成し、モルヒネをヒドロモルホンに、コデインをヒドロコドンに変換します。^{[ 1 ]}

補欠分子族FMNは、モルフィノン還元酵素によって触媒される酸化還元反応の補因子として機能します。^{[ 1 ]}モルフィノンからヒドロモルホンへの還元では、FMNH2_がFMNに酸化され、その後NADH（およびH ^{+ ）によって還元されて}_FMNH2が再生されます。以前の研究^{[ 1 ] [ 9 ]}では、 NADPHは還元剤として使用できないことが示されており、これは酵素がNADHを基質として特異的であることを示唆しています。モルフィノン還元酵素におけるフラビン還元のメカニズムには、FMN還元の前にE-NADH ^CT電荷移動中間体の迅速な形成が関与していることが研究で示されています。^{[ 12 ] [ 13 ]}この酵素は、酸化された酵素（状態A）が酵素-補酵素電荷移動中間体（状態B）を経て、FMN補因子の還元型（状態C）を再生する2段階の速度論モデルを採用していることが示唆されています。還元機構は、FMNのN5原子から2-シクロヘキセノンへのヒドリドイオンの移動を伴う。飽和反応のもう一方のプロトン供与体は不明のままである。^{[ 9 ]}

定常状態の速度論実験では、モルヒノン還元酵素はハイブリッド2部位ピンポン速度論機構^{[ 1 ]}に従う可能性があり、アルカロイド基質、すなわちモルヒノンとコデイノンは別々の部位に独立して結合し、酸化還元活性補欠分子族、すなわちFMNを介して結合部位間で渡される還元当量によって連続的な酸化還元反応が促進されることが示唆された。

この酵素は、真菌種カンジダ・アルビカンス由来のエストロゲン結合タンパク質と非常に類似していることが示されており^{[ 1 ] [ 14 ]}、エストロゲンの結合により2-シクロヘキセノンの還元が阻害される。さらに、以前の実験的特性評価結果[ ^{1 ]では}、モルフィノン還元酵素活性はプロゲステロンとコルチゾンによって競合的に阻害されることが示唆されており、モルフィノン還元酵素の調節機構はエストロゲン結合タンパク質との構造的類似性に関連している可能性がある。

この酵素は、貴重な半合成オピオイド薬であるヒドロモルホンとヒドロコドンを生成する。ヒドロモルホンは強力な鎮痛剤であり、モルヒネよりも強力であることが示されている。^{[ 15 ]}ヒドロコドンはFDA承認の軽度の鎮痛剤および鎮咳剤である。^{[ 16 ]}

特に、モルヒネとコデインは、ケシ（Papaver somniferum）のオピオイド生合成経路の天然物である。遺伝子工学と代謝工学の現代技術により、これらの天然物を微生物で生産することが可能になった。^{[ 17 ]}オピオイド化合物の完全な生合成は、遺伝子操作が可能な生物であるサッカロミセス・セレビシエ^{[ 3 ]}と大腸菌^{[ 18 ]}で達成されている。モルフィノン還元酵素も、これら2つの生物で正常に発現されている。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 19 ]}この酵素は、オピオイド化合物の下流修飾の有望な候補であり、微生物で貴​​重な半合成オピオイド薬の生合成を可能にする。^{[ 6 ]}例えば、モルフィノン還元酵素は、酵母におけるヒドロコドンのde novo生合成経路の一部として使用された。^{[ 3 ]}