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新規時間分解振動分光法によるチトクローム酸化酵素のプロトンポンプ共役機構の探究

研究課題

研究課題/領域番号 15K05393
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
研究分野 物理化学
研究機関奈良先端科学技術大学院大学 (2018)
兵庫県立大学 (2015-2017)

研究代表者

中島 聡  奈良先端科学技術大学院大学, 研究推進機構, URA(チーフ) (80263234)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2016年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードチトクローム酸化酵素 / プロトンポンプ共役機構 / 時間分解赤外分光法 / 時間分解共鳴ラマン分光法 / 反応中間体 / 酸素還元反応 / プロトン放出サイト / ダイナミクス / 時間分解ラマン分光法 / プロトンポンプ / Water pool / カルボキシル基 / 共鳴ラマン分光法 / フェムト秒レーザ / フローシステム / 共役機構 / 振動分光法 / 時間分解 / 逐次的反応
研究成果の概要

チトクロムc酸化酵素(CcO)は酸素の還元反応と共役したプロトン膜間輸送を行う。この共役機構の詳細を解明するため赤外吸収分光法で酸素還元反応ダイナミクスの追跡を行った。反応の観測を可能にするフローセルシステムを完成させ、時間分解赤外測定を行って、プロトン化残基を観察することに初めて成功した。詳細な解析の結果、反応過程で、1.プロトン供給部位がまず構造変化し, 2.プロトン放出サイトでプロトンの逐次的脱着と, 3.プロトン貯蔵部位での構造変化が反応と同期して起こることを見出した。これはCcOにおいて、緩衝溶液中生理条件下での反応でプロトンポンプ関連残基を実時間・直接観測した世界初の例である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ミトコンドリアが生体エネルギー工場と呼ばれるのは、その中でチトクロムc酸化酵素(CcO)が呼吸した酸素で燃焼させて生命活動のエネルギー源を得ているためで、地球上のほとんどの生命体にとり必須の酵素である。しかしこの酵素反応の不具合は活性酸素種を発生させ、様々な疾病(癌、心筋梗塞、脳卒中、アルツハイマー等)の根本原因となる。その不具合は、酵素の内部のほんのわずかな水素結合の違いで起こると言われていて、原子レベルでの機構解明が必須である。本研究はその酵素反応を実際に起こっている状態で直接観測することに成功したもので、こうした原因解明や、燃料電池といった環境負荷の少ないデバイスへの展開も期待できる。

報告書

(5件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 2015 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2019 2018 2017 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] New Assay Method Based on Raman Spectroscopy for Enzymes Reacting with Gaseous Substrates2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawahara‐Nakagawa, K. Nishikawa, S. Nakashima, S. Inoue, T. Ohta, T. Ogura, Y. Shigeta, K. Fukutani, T. Yagi, and Y. Higuchi
    • 雑誌名

      Protein Science

      巻: 28 号: 3 ページ: 663-670

    • DOI

      10.1002/pro.3569

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Performance of a time-resolved IR facility for assessment of protonation T states and polarity changes in carboxyl groups in a large membrane protein, mammalian cytochrome c oxidase, under turnover conditions in a sub-millisecond time resolution2018

    • 著者名/発表者名
      Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura, Satoru Nakashima
    • 雑誌名

      Biochimica et Biophysica Acta

      巻: 1859 号: 10 ページ: 1045-1050

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2018.05.015

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Infrared and Raman spectroscopic studies on the reaction mechanism of cytochrome c oxidase2015

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima, Takashi Ogura and Teizo Kitagawa
    • 雑誌名

      Biochim. Biophy. Acta

      巻: 1847 ページ: 86-97

    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Proton Pumping Dynamics during Catalytic Cycle in Cytochrome c Oxidase Revealed by Time-Resolved IR Spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima, Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
    • 学会等名
      10th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Proton pumping mechanism of cytochrome c oxidase by time-resolved vibrational spectroscopy2018

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Protein Dynamics Relevant to Proton Pump by Cytochrome c Oxidase: Resonance Raman Spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima,Takashi Ogura, Yoshiyuki Nakagawa, Kyoko Shinzawa-Itoh、 Shinya Yoshikawa
    • 学会等名
      CanBIC-6
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Elucidating the proton pumping mechanisms of cytochrome c oxidase by time resolved IR spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Shun Yamauchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, Takashi Ogura
    • 学会等名
      第44回生体分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 中川 由佳,西川 幸志,垣本 敦子,中島聡,樋口 芳樹,小倉 尚志2017

    • 著者名/発表者名
      ラマン分光によるヒトロゲナーセ活性測定法の開発
    • 学会等名
      第44回生体分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Reaction Chase of a Very Small Amount of Enzyme Protein by the Droplet Collision Method2017

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima, Akari Watanabe, Yoshiaki Nishihata, Saori Hodokami, Takashi Ogura
    • 学会等名
      The 5th International Symposium on“Studying the Function of Soft Molecular Systems”
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The coupling mechanism between proton pumping and oxygen reduction reaction of cytochrome c oxidase revealed by time-resolved vibrational spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      S.Nakashima,Y.Nakagawa,LiChen, K.Shinzawa-Itoh,S.Yoshikawa,T.Ogura
    • 学会等名
      The 5th International Symposium on“Studying the Function of Soft Molecular Systems”
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Elucidating the mechanisms of proton pumping in cytochrome c oxidase by time resolved IR spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Shun Yamauchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, Takashi Ogura
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場 茨城県つくば市
    • 年月日
      2016-11-24
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Coupling mechanism of cytochrome c oxidase studied by time-resolved resonance Raman spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      中島聡・中川善之・伊藤-新澤恭子・吉川信也・小倉尚志
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場 茨城県つくば市
    • 年月日
      2016-11-24
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] The effect of the hydrogen bond network on the oxygen reduction reaction of cytochrome c oxidase2016

    • 著者名/発表者名
      中島聡・中川善之・伊藤-新澤恭子・吉川信也・小倉尚志
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場 茨城県つくば市
    • 年月日
      2016-11-24
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] The Coupling Mechanism Between Proton Pumping and Oxygen Reduction Reaction in Cytochrome c Oxidase2016

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashim, Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
    • 学会等名
      International Conference on Porphyrins and Phthalocynanines - 9
    • 発表場所
      中華人民共和国・南京市
    • 年月日
      2016-07-04
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 時間分解振動分光法によるチトクロームc酸化酵素のプロトンポンプ共役機構の研究2016

    • 著者名/発表者名
      中島聡、中川善之、Li Chen、新澤-伊藤 恭子、吉川 信也、小倉 尚志
    • 学会等名
      第43回生体分子科学討論会2016
    • 発表場所
      名古屋大学 愛知県名古屋市
    • 年月日
      2016-06-24
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Dynamics at the reaction site of cytochrome c oxidase studied by time-resolved resonance Raman spectroscopy2016

    • 著者名/発表者名
      中島聡・中川善之・伊藤-新澤恭子・吉川信也・小倉尚志
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場 福岡県福岡市
    • 年月日
      2016-06-07
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] 時間分解振動分光法によるチトクローム酸化酵素の酸素還元反応とプロトンポンプ機構の相関2016

    • 著者名/発表者名
      中島聡
    • 学会等名
      「柔らかな分子系」第 5 回全体合宿会議
    • 発表場所
      ホテルベルナティオ 新潟県十日町市
    • 年月日
      2016-05-30
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] 時間分解共鳴ラマン分光法によるチトクロムc酸化酵素のCO光解離に伴う構造ダイナミクスの研究2016

    • 著者名/発表者名
      中川 善之・新澤-伊藤 恭子・吉川 信也・中島 聡・小倉 尚志
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      京都府京田辺市
    • 年月日
      2016-03-27
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] Time-resolved IR spectroscopic studies for proton pumping mechanisms of cytochrome c oxidase2016

    • 著者名/発表者名
      Chen Li, Tatsuhito Nishiguchi, Shun Yamauchi , Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, Takashi Ogura
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      京都府京田辺市
    • 年月日
      2016-03-27
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] Coupling mechanism in the reaction of cytochrome c oxidase revealed by newly developed time-resolved IR measurements2015

    • 著者名/発表者名
      Satoru Nakashima
    • 学会等名
      SciX2015
    • 発表場所
      Providence, USA
    • 年月日
      2015-10-27
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] チトクロームc酸化酵素における酸素還元反応とプロトンポンプ共役機構2015

    • 著者名/発表者名
      中島 聡・西口達人・Li Chen・新澤-伊藤 恭子・吉川 信也・小倉 尚志
    • 学会等名
      第53回生物物理学会年会
    • 発表場所
      石川県金沢市
    • 年月日
      2015-09-13
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] チトクロームc酸化酵素の酸素還元反応とプロトンポンプの共役機構2015

    • 著者名/発表者名
      中島 聡、西口 善人、Chen Li、中川 善之、青柳 裕大、新澤-伊藤 恭子、吉川 信也、小倉 尚志
    • 学会等名
      第42回生体分子科学討論会
    • 発表場所
      群馬県高崎市
    • 年月日
      2015-06-12
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [備考] Molecular Biophysics II

    • URL

      http://proxy.sci.u-hyogo.ac.jp/life/biophys2/biophys2_2013/main_japanese.htm

    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2015-04-16   更新日: 2020-03-30  

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