窒素固定による窒素の供給が地球上の生命を支えている

Nitrogen supply by nitrogen fixation supports life on the earth

 窒素は、生命の根幹をなすタンパク質や核酸などの化合物に含まれているため、生物に必須の元素であり、環境における利用可能な窒素の量が生物の増殖の律速となっています。窒素は、地球上でさまざまな様態(窒素分子N2、アンモニウムイオンNH4+、硝酸イオンNO3-、亜硝酸イオンNO2-)で存在していますが、特に、大気中にはN2が約78%を占めています。ところが、生物が利用可能な窒素は、私たちヒトを始めとする動物や従属栄養性生物では有機態窒素(R-NH2など、タンパク質や核酸に含まれた状態)、植物や多くの微生物ではアンモニウムや硝酸イオンとしての窒素であり、ほとんどの生物は空気中の窒素分子を利用することはできません。また、環境中の硝酸イオンは微生物の脱窒過程により窒素分子として徐々に大気中に放出されていくので、窒素固定による大気からの供給過程なしでは、生物圏における生物が利用可能な窒素はやがて枯渇してしまいます。雷などの非生物過程でも大気中の窒素が硝酸イオンに変換されますが、その量は限られています。このため、窒素分子をアンモニアに変換する窒素固定は、窒素供給という観点で地球上の生命を支えるたいへん重要な過程です。

 このような生物学的重要性に対して、窒素固定を行うことができる生物は、原核生物一部に限られています。もっとも有名な窒素固定生物は、マメ科植物の根に共生して根粒を形成する根粒菌でしょう。一方、植物などと共生関係をもたないで、単独で光合成を行いながら窒素固定もできる光合成生物が、光合成細菌とシアノバクテリアです。特に、窒素固定性のシアノバクテリアは、炭素源をCO2から、窒素源をN2からと、細胞にとって最も重要な2大元素CNをもっとも単純な無機物から同化するというすばらしい能力をもっています。

 

ニトロゲナーゼ

Nitrogenase

 窒素固定は、窒素分子をアンモニアへと変換する過程です。この反応を触媒する酵素をニトロゲナーゼ (nitrogenase) といいます。窒素分子の三重結合はきわめて安定な結合(225 kcal/mol, 炭化水素のC-H間結合は約100 kcal/mol程度)であるため、これを還元的に開裂して2分子のアンモニアに変えることは並大抵のことではありません。ニトロゲナーゼは、この生体反応でもっとも困難な反応を触媒することができるまさに“Everest of enzyme”(Hoffman et al. 2009)と呼ぶべき酵素です。ニトロゲナーゼは、活性中心を構成する金属の種類で大きく3つに分けられます。Moを含むMo型、Vを含むV型それにFeのみを含むFe型です。このうち、Mo型ニトロゲナーゼがもっとも詳細に研究されてきました。特に、土壌細菌の一種Azotobacter vinelandii(アゾトバクター・ヴィネランディ)のMo型ニトロゲナーゼが、ニトロゲナーゼ研究のモデルとなっています。

ニトロゲナーゼは以下のような反応を触媒します。

 

N2 + 8H+ + 8e- +16Mg-ATP + 16H2O ——> 2NH3 + H2 + 16Mg-ADP + 16Pi

 

 Mo型ニトロゲナーゼは、容易に分離する2つのコンポーネントFe タンパク質 (Fe protein) MoFe タンパク質 (MoFe protein) から構成されています(他の2つのV型、Fe型ニトロゲナーゼも、同様に各々Fe タンパク質とVFeタンパク質、Fe タンパク質とFeFeタンパク質から構成されています。)。Fe タンパク質は、ATPを加水分解して、窒素の還元に必要とされる電子を送り出すはたらきを担う還元コンポーネントです。MoFe タンパク質は、Fe タンパク質から送られてきた電子を使って実際に窒素分子の還元を行う触媒コンポーネントです。Fe タンパク質は、NifHタンパク質の二量体であり、電子伝達のために二量体当たり一つの[4Fe-4S]クラスター4つの鉄と4つの硫黄がキュバン状にアセンブルした鉄硫黄クラスター)をもちます。MoFe タンパク質は、NifDNifKという2つの互いに類似した2つのサブユニットによるα2β2というヘテロ4量体構造をしており、2つの複雑な金属クラスターをもっており、一つはPクラスター([8Fe-7S]であり、もう一つはMo原子を含むFeMo-コファクター(略してFeMo-co(フェモコ)と呼ばれ、[Mo-7Fe-9S-C-ホモクエン酸]という複雑な有機金属クラスターです。)です。Fe タンパク質の[4Fe-4S]クラスターから送られてきた電子は、Pクラスターを経由してFeMo-coに伝達され、FeMo-co上に結合した窒素分子の還元に使われます。

 

ニトロゲナーゼは酸素に極めて弱い

Nitrogenase is extremely vulnerable to oxygen

 ニトロゲナーゼにとってこれら複雑な金属クラスターは電子伝達すなわち窒素固定反応を行う上で必須の補因子ですが、これら金属クラスターは酸素(O2)に曝されると秒単位で速やかに分解されてしまいます。したがって、ニトロゲナーゼを駆動するにはO2を含まない環境すなわち嫌気環境が必要とされます。ニトロゲナーゼをもつ窒素固定生物にとって、どのようにしてニトロゲナーゼをO2から防御するのか、どのようにしてニトロゲナーゼが駆動できる嫌気環境を整えるのかが、窒素固定的に生育するためにたいへん重要です。特に、窒素固定性のシアノバクテリアは、光合成によりO2を発生しながら、酸素に弱いニトロゲナーゼを駆動させなければならないという矛盾した要求を満たさないと、窒素固定的生育ができません。

 

窒素固定性シアノバクテリアはどのようにニトロゲナーゼを駆動させているのだろうか

How do nitrogen-fixing cyanobacteria drive nitrogenase?

窒素固定性シアノバクテリアは、環境のO2に加えて光合成によって自身の細胞で発生するO2からどのようにニトロゲナーゼを駆動させているのでしょうか?窒素固定と光合成を一つの細胞の中で共存させるためにたいへん精妙なメカニズムを進化させてきたに違いありません。

ヘテロシストを分化するシアノバクテリア

もっとも有名なメカニズムは、Anabaena sp. PCC 7120などの糸状性のシアノバクテリアで知られている、窒素固定専門の細胞(ヘテロシストHeterocyst)を分化させるというものです。つまり、光合成は栄養細胞(vegetative cell)で、窒素固定はヘテロシストで行う。二つの相矛盾するプロセスを空間的に分離するという戦略です。ヘテロシストでは、O2を発生する光化学 II がなくなり、外界からのO2流入障壁となる細胞壁構造が作られ、呼吸活性が高まり内部のO2を消費しATPを生成し、ニトロゲナーゼが駆動する嫌気環境を実現します。

ヘテロシストを分化しないシアノバクテリア

窒素固定性のシアノバクテリアには、ヘテロシストを分化しないタイプも多数存在します。では、これらのシアノバクテリアではどのようにこの矛盾を解決しているのでしょう?非ヘテロシスト分化型のシアノバクテリアには、嫌気条件(もしくは微好気条件)でのみ窒素固定をする種と、好気条件で窒素固定をする種があり、解決策はシアノバクテリアによって多様で一つではないようです。