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Elucidation of proton generation and transport mechanisms in catalytic reaction of [NiFe] hydrogenase

Research Project

Project/Area Number 18K05318
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 37010:Bio-related chemistry
Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

Principal Investigator

太 虎林  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 博士研究員 (40512554)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2019-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords水素 / ヒドロゲナーゼ / 触媒反応 / プロトン輸送 / FT-IR / 金属蛋白質 / Ni酵素
Outline of Annual Research Achievements

H2の分解/合成酵素[NiFe]ヒドロゲナーゼの触媒反応には、H2のガス拡散、電子伝達、およびH+輸送の3つのプロセスが必要であるが、そのうちNi-Fe活性部位でのH+生成と輸送機構については殆ど解明されていない。申請者が提唱した触媒反応サイクル(Ni-SIa, Ni-L, Ni-C, Ni-R)のうち(Angew. Chem. Int. Ed. 2014)、Ni-RにおけるH-とH+の結合様式は解明されているが(Nature 2015)、触媒反応におけるH+の輸送機構は不明である。本課題では、光操作技術とFT-IR分光法を駆使して、Ni-CとNi-LおよびNi-SIaにおける、Niに末端配位しているCys546のプロトン化の有無を突き止めた。光照射前後のNi-LとNi-C間の超高感度FT-IR差スペクトルでは、2505 cm-1にS-Hの伸縮振動に由来する正のバンドが観測され、D2O/D2で調整した酵素では1826 cm-1(S-D伸縮振動)に同位体シフトして観測された。従って、Ni-CではCys546が脱プロトン化されているのに対し、Ni-Lではプロトン化されていること、Ni-C(Ni3+)からNi-L(Ni+)への反応では、Ni-Cにおける架橋したH-がH+として放出され、Cys546の硫黄に輸送されることが明らかになった。一方、Ni-SIaとNi-C間の超高感度FT-IR差スペクトルでは、S-Hの伸縮振動に由来するバンドは観測されず、Ni-LからNi-SIa(Ni2+)への反応では、Cys546の脱プロトン化が関与することが示された。また、Ni-Fe活性部位と直接にリンクしたGlu34とH2Oのバンドを検出することに成功し、触媒反応でのH+輸送と密接に関与していることを明らかにした。これらの結果は、ヒドロゲナーゼの触媒反応機構の本質的な理解に寄与するものである。

Report

(1 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (1 results)

All 2018

All Presentation (1 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Presentation] Picobiology of metalloproteins: Vibrational spectroscopic studies of cytochrome c and [NiFe] hydrogenase2018

    • Author(s)
      Shun Hirota, Hulin Tai, Yoshiki Higuchi, Sachiko Yanagisawa, and Takashi Ogura
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2021-01-27  

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