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古細菌のエネルギ-転換系

研究課題

研究課題/領域番号 63044047
研究種目

国際学術研究

配分区分補助金
応募区分共同研究
研究機関東京工業大学

研究代表者

大島 泰郎  東京工業大学, 生命理工学部, 教授 (60167301)

研究分担者 ALLISON S.W.  カルフォルニア大学, 生物化学科・サンジエゴ校, 教授
SCHAFER G.  リーベック医科大学, 医学部, 教授
OHNISHI T.  ペンシルバニア大学, 生物化学・生物物理学科, 準教授
HOCHSTEIN L.  NASA, エームス研究センター, 主任研究員
FRIEDMAN S.M  ニューヨーク市立大学, 生物学部・ハンター校, 教授
AZZI A.  ベルン大学, 医学部, 教授
北川 禎三  国立分子科学研究所, 室長 (40029955)
曽根 〓史  自治医科大学, 医学部, 助教授 (20049034)
山中 健生  東京工業大学, 生命理工学部, 教授 (40028113)
吉田 賢右  東京工業大学, 生命理工学部, 教授 (90049073)
SONE H.  Associate Professor, Jichi Medical School, Department of Biochemistry
KITAGAWA T.  Chief, National Institute for Molecular Sciences
YOSHIDA M.  Professor, Tokyo Institute of Technology, Department of Life Science
研究期間 (年度) 1988 – 1990
研究課題ステータス 完了 (1990年度)
配分額 *注記
5,900千円 (直接経費: 5,900千円)
1990年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
1989年度: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
1988年度: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
キーワードATPア-ゼ / 生命の〓期進化 / 電子伝達系 / 遺伝子解析 / シトクロム / カルダエラキノン
研究概要

本研究計画がスタ-トする時点において、古細菌の進化系統上の位置やエネルギ-代謝にかかわる酵素系について多くの疑問があり、国際的に激しい論爭がくりかえされていた。本研究は、そのすべてを明らかにしたわけではなく、なおいくつかの疑問点が残されたが、かなりの疑問を氷解し得た。今回の国際学術研究は極めて満足すべき成果を挙げ、成功裡に終了した。
疑問点の第一は、ATP合成にかかわるATPア-ゼに関するもので、古細菌にはPCCD感受性をもったF_0ーF_1型ATPア-ゼが見つからないという問題であった。この点は、日本側でATPア-ゼ遺伝子のクロ-ニングに成功したこと、アメリカ側が好塩性古細菌の膜ATPア-ゼの単離・精製に成功したことと、双方の密な情報交換により、高等生物の液胞など単膜系細胞器官に存在する膜ATPア-ゼに相同性の高いATPア-ゼが古細菌のエネルギ-代謝の鍵酵素であることが明らかとなった。引きつづいて古細菌ATPア-ゼとその遺伝子の構造が日米独各研究室において精力的に研究され、本研究計画遂行に伴い数多くの論文が発表され、多くの知見をもたらしたが、各研究室間の情報交換は研究の進捗に大いに寄与したと信んじている。
第二の問題点は、末端酸化酵素やそこに至る電子伝達係に関するもので、日欧間に結果のくい違いが見られた。本研究計画に基いて共同実験を実施したことにより、実験方法、特に膜酵素可溶化法のノウハウを交換すること、また同一菌体を用いた研究を行うことでくい違いの一部は実験方法に起因し、一部は用いた菌株の違いによることが明らかとなった。この共同実験を通して、シトクロム系タンパク質の精製がすすみ、日米欧のいくつもの研究室でa型シトクロムの純化した標品が得られるようになった。ことに日本側からは、好酵好熱菌末端酸化酵素には二種あり、膜内には二通りの経路が存在するという新しい仮説が提案されるなど、波及性の高い成果が得られた。しかし、菌株のちがいは分類上の問題かとか、シトクロムC酸化活性を示すシトクロムaの眞の基質は何かなどいくつかの問題は、本研究期間内に解明されず今後の課題として残された。
このほか、古細菌のフエレドキシンの単離・アミノ酸配列決定と結晶化、古細菌の染色体構造とエネルギ-代謝系遺伝子の分布、古細菌のポリアミン組成とその変化など、いくつかの点について日米欧間で協力関係または共同実験が持たれ、それぞれに成果が挙った。そのいくつかはすでに原著論文として公表されている。
最後に、そして最も重要な成果は、これらの研究を総合して古細菌の進化系統上の位置について新たな提案を行うに至ったことである。古細菌は、その提案以来、進化系統上の位置について激しい論爭がくりかえされてきた。ことに、古細菌と呼ぶ界を設けることの是非、第二にこれを認めた場合、眞核細胞との進化的関係の2点が問題であった。本研究計画から得られた成果、ことにどの古細菌からも構造上の相同性の高いATPア-ゼが得られたことは、古細菌とよぶ界を設けることを強く支持した。
第二は、ATPア-ゼの比較分子進化学的研究の結果などから、眞核生物は古細菌を宿主とする細胞への好気性細菌の共生進化に起源を発するとする仮説を提案するに至り、日米合同論文によりこの考えを発表したことである。この提案が刺激となって、塩基配列相同性を研究していたグル-プは有根系統樹の作成を試み、最近になって日米から相次いで有根系統樹が発表されたが、これらの結果は眞核細胞と古細菌の近縁性を示しており、われわれの仮説が支持されている。
以上のように、本研究計画は予期以上の成果を収め、眞核生物の起源、古細菌電子伝達系についてそれぞれ新しい仮説の提唱をはじめ多くの成果を挙げた。しかし、なおいくつかの課題が残されたので、これらについては研究組織を再構築した上で新たな国際学術研究を申請したい。

報告書

(1件)
  • 1990 研究成果報告書概要
  • 研究成果

    (81件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (81件)

  • [文献書誌] X.Xu: "Nucleotide Sequence of the Gene Encoding NADH Dehydrogenase from an Alkalophile,Bacillus sp.strain YNー1." J.Biochem.(1991)

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  • [文献書誌] 曽根 〓史: "細菌の呼吸鎖複合体におけるシトクロムの役割とプロトン輸送" 蛋白質核酸酵素. 36. 44-59 (1991)

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  • [文献書誌] M.Nakagawa: "Identification of the longーlived L' species of bacteriorhodopsin to the N intermediate by Raman / absorption quasiーsimultaneous measurements." J.Mol.Struct.242. 221-234 (1991)

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  • [文献書誌] K.Kakinuma: "Biosynthetic Mechanism of snー2,3ーdiーOーphytanylglycerol,Core Membrane Lipid of the Archaebacterium Halobacterium halobium." J.Am.Chem.Soc.112. 2740-2745 (1990)

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  • [文献書誌] A.Yamagishi: "Circular chromosomal DNA in the sulfurーdependent archaebacterium Sulfolobus acidocaldarius." Nucleic Acids Res.18. 1133-1136 (1990)

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  • [文献書誌] K.Kakinuma: "The stereochemical fate of glycerol during the biosynthesis of membrane lipids in thermoacidophilic archaebacteria Sulfolobus acidocaldarius." J.Chem.Soc.Chem.Commun.1990. 925-927 (1990)

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  • [文献書誌] J.Konishi: "Archaebacterial ATPases:relationships to other ion translocating ATPase families as assessed by immunological crossーreactivity." J. Biochem.108. 554-559 (1990)

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  • [文献書誌] K.Denda: "Structure of an ATPase operon of an acidothermophilic Archaebacterium,Sulforobus acidocaldarius." J.Biol.Chem.265. 21509-21513 (1990)

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  • [文献書誌] K.Yokoyama: "Thermus thermophilus membrane associated ATPase,indication of a eubacterial Vーtype ATPase." J.Biol.Chem.265. 21946-21950 (1990)

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  • [文献書誌] I.Yumoto: "Purification and characterization of catalase from a facultative alkalophilic Bacillus." J.Biochem.108. 583-587 (1990)

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  • [文献書誌] K.Mukai: "The methanolーoxidising system of Methylobacterium extorquens AM1 reconstituted with purified constituents." J.Biochem.107. 714-717 (1990)

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  • [文献書誌] M.Ishizuka: "Nucleotide Sequence of the Gene Coding for Four Subunits of Cytochrome c Oxidase from the Thermophilic Bacterium PS3." J.Biochem.108. 866-873 (1990)

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  • [文献書誌] N.Sone: "Respirationーdriven proton pump.“Bacterial Energetics"" The Bacteria. 12. 1-32 (1990)

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  • [文献書誌] N.Sone: "A fourth subunit is present in cytochrome c oxidase from the thermophilic bacterium PS3." FEBS Lett.262. 249-252 (1990)

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  • [文献書誌] N.Sone: "A cytochrome oーtype oxidase of the thermophilic bacterium PS3 grown under airーlimited conditions." J.Biochem.107. 597-602 (1990)

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  • [文献書誌] T.Ogura: "Observation of the Fe^<II>ーO_2 stretching Raman band for compund A of cytochrome oxidase at room temperature." J.Am.Chem.Soc.112. 5630-5631 (1990)

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  • [文献書誌] T.Ogura: "Observation of the Fe^<4+>=O stretching Raman band for cytochrome oxidase compound B at ambient temperature." J.Biol.Chem.265. 14721-14723 (1990)

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  • [文献書誌] Y.Mizutani: "Resonance Raman pursuit of the change from Fe^<II>ーO_2 to Fe^<III>ーOH via Fe^<IV>=O in autoxidation of ferrous ironーporphyrin." J.Am.Chem.Soc.112. 6809-6814 (1990)

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  • [文献書誌] T.Wakagi: "A novel Aーtype terminal oxidase from Sulfolobus acidocaldarius with cytochrome C oxidase activity." Biochem.Biophys.Res.Commun.165. 1110-1114 (1989)

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  • [文献書誌] S.M.Friedman: "Polyamines of SulfurーDependent Archaebacteria and Their Role in Protein Synthesis." J.Biochem.105. 1030-1033 (1989)

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  • [文献書誌] K.Denda: "A Gene Encoding the Proteolipid Subunit of Sulfolobus acidocaldarius ATPase Complex." J.Biol.Chem.264. 7119-7121 (1989)

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  • [文献書誌] J.P.Gogarten: "The Evolution of the Vaculoar H^+ーATPase:Implications for the Origin of Eukaryotes." Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.86. 6661-6665 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.Sato: "Thiobacillus ferrooxidans cytochrome cー552:Purification and some of its molecular features." Biochim.Biophys.Acta.976. 129-134 (1989)

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  • [文献書誌] T.Kurokawa: "Nitrobacter winogradskyi cytochrome bー559:A nonhaem ironcontaining cytochrome related to bacterioferritin." Biochim.Biophys.Acta.976. 135-139 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Kai: "Cytochrome oxidase of an acidophilic ironーoxidizing bacterium,Thiobacillus ferrooxidans,functions at pH 3.5." Biochim.Biophys.Res.Commun.160. 839-843 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Numata: "Some properties of Nitrosomonas europaea cytochrome c oxidase (aa_3ーtype) which lacks Cu_a." J.Biochem.105. 245-248 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N.Sone: "Cytochrome cー551 from the thermophilic bacterium PS3 grown under airーlimited conditions." Biochim.Biophys.Acta.977. 329-334 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Nakagawa: "Transient resonance Raman spectra of neutral and alkaline bacteriorhodopsin photointermediates by using doubleーbeam apparatus:Presence of very fast decaying M_<412>." Biochemistry. 28. 1347-1352 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Nakagawa: "Origin of Raman spectral difference between the spinningーcell and flowーcell measurements for bacteriorhodopsin photointermediates." J.Raman Spectrosc.20. 303-305 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.L.Verma: "SERR Evidence for enzymic reduction of cytochrome c_3 adsorbed on Ag colloids." Chem.Phys.Lett.159. 189-192 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Ogura: "Raman / absorption simultaneous measurements for cytochrome oxidase compound A at room temperature with a novel flow apparatus." Biochemistry. 28. 8022-8027 (1989)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Denda: "The Membraneーassociated ATPase as Assessed from Sulfolobus acidocaldarius Is Distantly Related to F_1ーATPase as Assessed from the Primary Structure of Its αーSubunit." J.Biol.Chem.263. 6012-6015 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Denda: "Molecular Cloning of the βーSubunit of a Possible NonーF_0F_1 Type ATP Synthase from the Acidothermophilic Archaebacterium, Sulfolobus acidocaldarius." J.Biol.Chem.263. 17251-17254 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Yamanaka: "The variety of molecular properties of bacterial cytochromes containing heme a." Ann.N.T.Acad.Sci.550. 39-46 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Yamanaka: "The nitrite oxidizing system of Nitrobacter winogradskyi." FEMS Microbiol.Rev.54. 259-270 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] Y.Fukumori: "Fe(II)ーoxidizing enzyme purified from Thiobacillus ferrooxidans." FEMS Microbiol.Lett.50. 169-172 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Yamazaki: "Catalytic properties of cytochrome c oxidase purified from Nitosomonas europaea." J.Biochem.103. 499-503 (1988)

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  • [文献書誌] Y.Fukumori: "Purification and some properties of cytochrome bー560 from Nitorosomonas europaea." Plant Cell Physiol.29. 1077-1079 (1988)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Wakagi: "Bioenergetics of Sulfolobus,a thermoacidophilic archaebacterium;Prebiological Self Organization of Matter" C.Ponnaperuma and F.R.Eirich (A.Deepak Publishing,New York), 285-294 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Denda: "Molecule and gene of Sulfolobus acidocaldarius.Bioenegetics;Molecular Biology,Biochemistry and Pathology." C.H.Kim and T.Ozawa (Prenum Press,N Y), 341-351 (1990)

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  • [文献書誌] T.Wakagi: "Microbiology of Extreme Environments and its Potential for Biotechnology" M.S.DaCosta,J.C.Duarte,and R.A.D.Williams (Elsevier Applied Science,Amsterdam), 408 (1989)

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  • [文献書誌] X. Xu: "Nucleotide Sequence of the Gene Encoding NADH Dehydrogenase from an Alkalophile, Bacillus sp. strain YN-l." J. Biochem.(1991)

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  • [文献書誌] M. Nakagawa: "Identification of the long-lived L' species of bacteriorhodopsin to the N intermediate by Raman / absorption quasi-simultaneous measurements." J. Mol. Struct.242. 221-234 (1991)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Kakinuma: "Biosynthetic Mechanism of sn-2, 3-di-Dmicron-phytanylglycerol, Core Membrane Lipid of the Archaeo-bacteria Halobacterium halobium." J. Am. Chem. Soc.112. 2740-2745 (1990)

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  • [文献書誌] A. Yamagishi: "Circular chromosomal DNA in the sulfur-dependent archaebacterium Sulfolobus acidocaldarius." Nucleic Acids Res.18. 1133-1136 (1990)

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  • [文献書誌] K. Kakinuma: "The stereochemical fate of glycerol during the biosynthesis of membrane lipids in thermoacidophilic archaebacteria Sulfolobus acidocaldarius." J. Chem. Soc. Chem. Commun.1990. 925-927 (1990)

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  • [文献書誌] J. Konishi: "Archaeo-bacteria ATPases : relationships to other ion translocating ATPase families as assessed by immunological cross-reactivity." J. Biochem.108. 554-559 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Denda: "Structure of an ATPase operon of an acidothermophilic Archaeo-bacteria. Sulforobus acidocaldarius." J. Biol. Chem.265. 21509-21513 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Yokoyama: "Thermus thermophilus membrane associated ATPase, indication of a eubacterial V-type ATPase." J. Biol. Chem.265. 21946-21950 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] I. Yumoto: "Purification and characterization of catalase from a facultative alkalophilic Bacillus." J. Biochem.108. 583-587 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K. Mukai: "The methanol-oxidising system of Methylobacterium extorquens AM1 reconstituted with purified constituents." J. Biochem.107. 714-717 (1990)

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  • [文献書誌] M. Ishizuka: "Nucleotide Sequence of the Gene Coding for Four Subunits of Cytochrome cOxidase from the Thermophilic Bacterium PS3." J. Biochem.108. 866-873 (1990)

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  • [文献書誌] N. Sone: "Respiration-driven proton pump. "Bacterial Energetics"" The Bacteria. 12. 1-32 (1990)

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  • [文献書誌] N. Sone: "A fourth subunit is present in cytochrome c oxidase from the thermophilic bacterium PS3." FEBS Lett.262. 249-252 (1990)

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      1990 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] N. Sone: "A cytochrome o-type oxidase of the thermophilic bacterium PS3 grown under air-limited conditions." J. Biochem.107. 597-602 (1990)

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  • [文献書誌] T. Ogura: "Observation of the Fe^<II> -0_2 stretching Raman band for compound A of cytochrome oxidase at room temperature." J. Am. Chem. Soc.112. 5630-5631 (1990)

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  • [文献書誌] T. Ogura: "Observation of the Fe^<4+>=0 stretching Raman band for cytochrome oxidase compound B at ambient temperature." J. Biol. Chem.265. 14721-14723 (1990)

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  • [文献書誌] Y. Mizutani: "Resonance Raman pursuit of the change from Fe^<II>-O_2 to Fe^<III> -OH via Fe^<IV> =O in autoxidation of ferrous iron-porphyrin." J. Am. Chem. Soc.112. 6809-6814 (1990)

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  • [文献書誌] T. Wakagi: "A novel A-type terminal oxidase from Sulfolobus acidocaldarius with cytochrome C oxidase activity." Biochem. Biophys. Res. Commun.165. 1110-1114 (1989)

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  • [文献書誌] S. M. Friedman: "Polyamines of Sulfur-Dependent Archaeo-bacteria and Their Role in Protein Synthesis." J. Biochem.105. 1030-1033 (1989)

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  • [文献書誌] K. Denda: "A Gene Encoding the Proteolipid Subunit of Sulfolobus acidocaldarius ATPase Complex." J. Biol. Chem.264. 7119-7121 (1989)

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  • [文献書誌] J. P. Gogarten: "The Evolution of the Vaculoar H^+ - ATPase : Implications for the Origin of Eukaryotes." Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.86. 6661-6665 (1989)

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  • [文献書誌] A. Sato: "Thiobacillus ferro-oxidant cytochrome c-552 : Purification and some of its molecular features." Biochim. Biophys. Acta.976. 129-134 (1989)

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  • [文献書誌] T. Kurokawa: "Nitrobacter winogradskyi cytochrome b-559 : A nonhaem iron- containing cytochrome related to bacterioferritin." Biochim. Biophys. Acta.976. 135-139 (1989)

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  • [文献書誌] M. Kai: "Cytochrome oxidase of an acidophilic iron-oxidizing bacterium, Thiobacillus ferro-oxidant, functions at pH 3.5." Biochim. Biophys. Res. Commun.160. 839-843 (1989)

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  • [文献書誌] T. Numata: "Some properties of Nitrosomonas europaea cytochrome c oxisase ( aa_3 -type ) which lacks Cu_A." J. Biochem.105. 245-248 (1989)

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  • [文献書誌] N. Sone: "Cytochrome c-551 from the thermophilic bacterium PS3 grown under air-limited conditions." Biochim. Biophys. Acta.977. 329-334 (1989)

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  • [文献書誌] M. Nakagawa: "Transient resonance Raman spectra of neutral and alkaline bacteriorhodopsin photo intermediates by using double-beam apparatus : Presence of very fast decaying M_<412>" Biochemistry. 28. 1347-1352 (1989)

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  • [文献書誌] M. Nakagawa: "Origin of Raman spectral difference between the spinning-cell and flow-cell measurements for bacteriorhodopsin photo intermediates." J. Raman Spectrosc.20. 303-305 (1989)

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  • [文献書誌] A. L. Verma: "SERR Evidence for enzymic reduction of cytochrome c_3 adsorbed on Ag colloids." Chem. Phys. Lett.159. 189-192 (1989)

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  • [文献書誌] T. Ogura: "Raman / absorption simultaneous measurements for cytochrome oxidase compound LAMBDA at room temperature with a novel flow apparatus." Biochemistry. 28. 8022-8027 (1989)

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  • [文献書誌] K. Denda: "The Membrane-associated ATPase as Assessed from Sulfolobus acidocaldarius Is Distantly Related to F_1 -ATPase as Assessed from the Primary Structure of Its alpha-Subunit." J. Biol. Chem.263. 6012-6015 (1988)

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  • [文献書誌] K. Denda: "Molecular Cloning of the beta-Subunit of a Possible Non-F_0 F_1 Type ATP Synthase from the Acidothermophilic Archaebacterium. Sulfolobus acidocaldarius." J. Biol. Chem.263. 17251-17254 (1988)

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  • [文献書誌] T. Yamanaka: "The variety of molecular properties of bacterial cytochromes containing heme a." Ann. N. Y. Acad. Sci.550. 39-46 (1988)

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  • [文献書誌] Y. Yamanaka: "The nitrite oxidizing system of Nitrobacter winogradskyi." FEMS Microbiol. Rev.54. 259-270 (1988)

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  • [文献書誌] Y. Fukumori: "Fe (II)-oxidizing enzyme purified from Thiobacillus ferrooxidans." FEMS Microbiol. Lett.50. 169-172 (1988)

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  • [文献書誌] T. Yamazaki: "Catalytic properties of cytochrome c oxidase purified from Nitosomonas europaea." J. Biochem.103. 499-503 (1988)

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  • [文献書誌] T. Wakagi: C. Ponnaperuma and F. R. Eirich (A. Deepak Publishing, New York). Bioenergetics of Sulfolobus, a thermoacidophilic Archaeo-bacteria ; Prebiological Self Organization of Matter., 285-294 (1990)

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  • [文献書誌] K. Denda: C. H. Kim and T. Ozawa (Prenum Press, N Y). Molecule and gene of Sulfolobus acidocaldarius. Bioenegetics ; Molecular Biology. Biochemistry and Pathology., 341-351 (1990)

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  • [文献書誌] T. Wakagi: M. S. DaCosta, J. C. Duarte, and R . A . D. Williams (Elsevier Applied Science, Amsterdam). Microbiology of Extreme Environments and its Potential for Biotechnology, 408 (1989)

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公開日: 1988-04-01   更新日: 2016-04-21  

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