生体エネルギー変換における金属イオンと蛋白質の役割

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08249106
• 研究機関: 岡崎国立共同研究機構
• 研究代表者: 北川 禎三 岡崎国立共同研究機構, 分子科学研究所, 教授 (40029955)
• 研究分担者: 茂木 立志 東京大学, 大学院理学系研究科, 助手 (90219965) ; 堀 洋 大阪大学, 基礎工学部, 助手 (20127294) ; 柏木 浩 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (10000853) ; 吉川 信也 姫路工業大学, 理学部, 教授 (40068119)
• キーワード: プロトン輸送 / 末端酸化酵素 / 生体エネルギー変換 / チトクロム酸化酵素 / 電子伝達 / 金属タンパク質 / 共鳴ラマン / 光合成反応中心タンパク複合体

研究概要

酸素呼吸をする生物は、栄養素の代謝で得られる電子を電子伝達系という膜タンパク群を通してO_2分子に伝達し、その電子移動で駆動されるプロトンポンプを動かして電気化学ポテンシャルを発生させる。次にこの電気化学ポテンシャルを利用してADPよりATPを合成する。O_2分子はヘム鉄に結合し、伝達されてくる電子で還元されて水になる。この触媒反応は鉄-銅2核センターで起こるが、金属錯体と蛋白質の巧妙な連携プレーで初めて生理機能を果たしている。本研究班は、それらの各素過程における蛋白質の役割を明らかにすることを主要テーマとした。動物呼吸系の末端酸化酵素としてウシ心筋チトクロム酸化酵素をとり上げ、吉川はその単結晶をつくってX線結晶解析を行った。酸化型、還元型、CO結合型の構造を明らかにし、プロトン輸送経路にまで議論を進めている。北川は時間分解共鳴ラマン法でその反応段階における鉄と酸素の伸縮振動を観測し、活性中心における反応素過程を解明した。茂木は大腸菌の末端酸化酵素に対してナノ秒測定系を構築し、プロトン輸送のダイナミクスを調べた。金属蛋白質の電子状態を調べる最も鋭敏な方法として電子スピン共鳴法が知られているが、堀は多くの班員の持つヘム蛋白質のEPRスペクトルを観測し、ヘム鉄の電子状態について詳しい情報を得た。柏木は金属蛋白質全電子の分子軌道を非経験的に求める計算機プログラムを密度汎関数法にもとづいて製作し、チトクロムC_3に適用した。タンパク中の電子移動を、このような分子軌道にもとづいて議論できるようになったことは画期的である。赤外吸収や紫外共鳴ラマン法でタンパク中のプロトン担体のダイナミクスを観測し、電子移動とプロトン移動がどのようにカップルするかを明らかにすることが次の目標である。

研究成果

• [文献書誌] T.Kitagawa, et al.: "Oxygen Activation Mechanism at Binuclear Site of Heme-Copper Oxidase Superfamily Revealed by Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy" Progress in Inorganic Chemistry. 45. 431-479 (1997)
• [文献書誌] X.Zhao, et al.: "Observation of the Resonance Raman Spectra of the Semiquinones. Q_A and Q_B in Photosynthetic Reaction Centers from Rb.Sphaeroides R26" Journal of the American Chemical Society. 119. 5263-5264 (1997)
• [文献書誌] T.Tsukihara, et al.: "The Whole Structure of the 13 Subunit Oxidized Bovine Heart Cytochrome c Oxidase at 2.8Å" Science. 272. 1136-1144 (1996)
• [文献書誌] F.Sato, et al.: "Development of a New Density Functional Program for All Electrons Calculation of Proteins" International Journal of Quantum Chemistry. 63. 245-256 (1997)
• [文献書誌] M.Tsubaki, et al.: "Existence of Two Heme B Centers in Cytochrome b561 from Bovine Adrenal Chromaffin Vesicles as Revealed by a New Purification Procedure and EPR Spectroscopy" Journal of Biological Chemistry. 272. 23206-23210 (1997)
• [文献書誌] K.Saiki, et al.: "Exploring Subunit-Subunit Interactions in the Escherichia coli bo-type Ubiquinol Oxidase by Extragenic Suppressor Mutation Analysis" Journal of Biological Chemistry. 272. 14721-14726 (1997)