ヘムプロピオン酸側鎖が関与するヘムタンパク質の高次構造形成と機能発現機序の解明

• Project/Area Number: 20051015
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 林 高史 大阪大学, 工学研究科, 教授 (20222226)
• Project Period (FY): 2008 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥6,200,000 (Direct Cost: ¥6,200,000); Fiscal Year 2009: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2008: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
• Keywords: 蛋白質 / 酵素 / ヘムタンパク質 / ヘム

Research Abstract

ヘムタンパク質は、補欠分子であるヘム(鉄ポルフィリン錯体)がタンパク質マトリクスと結合し、様々な機能を発現している生体分子である。このヘムは2本のプロピオン酸側鎖を有し、プロピオン酸側鎖はタンパク質のアミノ酸側鎖と水素結合ネットワークを形成している。今回、ヘムタンパク質の1つであるチトクロムP450camに着目し、そのプロピオン酸側鎖の酵素活性に対する役割の解明を行った。特に、片方のプロピオン酸(7位)と相互作用しているアミノ酸(Asp297)に着目し、変異体D297Lの挙動を検討した。この変異体は、活性が非常に低下し、resting state(休止状態)で存在する基質結合部位の水クラスターが、酵素外部に排出される過程が極めて遅いことを実験及び計算結果から明らかにした。したがって、Asp297は酵素内に存在する水排出は、このプロピオン酸-Asp297のネットワークが深く関与していることを主張するに至った。これまで、チトクロムP450camのカンファー水酸化の触媒反応において、最初のステップである水の排出機構については、殆ど言及されていなかったため、今回の研究成果は今後の酵素中での水の動的役割において、新たな知見を与えるものと期待される。さらに、チトクロムP450camだけでなく、代表的なヘムタンパク質であるHRP(西洋ワサビペルオキシダーゼ)についても、ヘムプロピオン酸側鎖の役割解明に着手した。こちらは、2本のプロピオン酸側鎖の片方が欠損した片足ヘムをアポ化したペルオキシダーゼに挿入した再構成タンパク質を調製し、その構造と活性の評価を行った。その結果、6位プロピオン酸は、タンパク質の中でヘムを安定化する重要な働きを示すこと、また活性の制御に役立っていることが明らかとなった。

Research Products

• [Journal Article] Substrate binding induces structural changes in cytochrome P450cam (2009)
  • Author(s): Keisuke Sakurai
  • Journal Title: Acta Cryst.Sec.F Volume: F65 Pages: 80-83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Role of the Heme-7-Propionate Side Chain in Cytochrome P450cam as a Gate for Regulating the Acess of Water Molecules to the Substrate-Binding Site (2009)
  • Author(s): Takashi Hayashi
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc 131 Pages: 1398-1400
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Assembly of One-and Two-Dimensional Hemoprotein Systems by Polymerization through Heme-Heme Pocket Interactions (2009)
  • Author(s): Hiroaki Kitagishi
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed 48 Pages: 1271-1274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Substrate binding induces structural changes in cytochrome P450cam (2009)
  • Author(s): Keisuke Sakurai
  • Journal Title: Acta Cryst. Sec. F F65 Pages: 80-83
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular Mechanism of Water Expelling System in the Initial Step of Cytochrome P450cam Catalytic Cycle (2010)
  • Author(s): 林高史
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] A Role of Heme-7-Propionate Side Chain in Cytochrome P450cam (2009)
  • Author(s): Takashi Hayashi
  • Organizer: The 2nd Japan-Korea Seminar on Bio-molecular Sciences-Experiments and Simulations
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-12-22
• [Presentation] Evaluation of Functional Role of Heme-Proponate Side Chains in Cytochrome P450cam (2008)
  • Author(s): Takashi Hayashi
  • Organizer: The 4th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference(AsBIC IV)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2008-11-11
• [Book] Handbook of Porphyrin Science (2010)
  • Author(s): Takashi Hayashi
  • Total Pages: 69
  • Publisher: World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.