酵素の持つNi-Feヘテロ2核金属錯体における水素活性化機構の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14380317
• 研究機関: 姫路工業大学
• 研究代表者: 樋口 芳樹 姫路工業大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90183574)
• 研究分担者: 柴田 直樹 姫路工業大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (30295753)
• キーワード: [NiFe]ヒドロゲナーゼ / 超高分解能X線構造解析 / 硫酸還元菌 / CO結合型ヒドロゲナーゼ / 準動的X線結晶解析法 / クリーンエネルギー / 燃料電池 / 金属タンパク質

研究概要

生物が持つ水素の代謝能力の本質はヒドロゲナーゼという金属タンパク質である。ヒドロゲナーゼは水素の酸化・還元を触媒する機能を持つ。従って本酵素の工業的利用の可能性を探る研究は新規燃料電池の開発や石油に変わるクリーンエネルギー生成の道を拓くことにつながると期待できる。活性部位にNiおよびFeを持つ[NiFe]ヒドロゲナーゼはこれまでに多くの菌株について分光学的および結晶学的な構造化学的研究がなされ、金属活性部位周辺で起こる触媒反応についていろいろな奇妙な現象が報告されている。本研究では、Desulfovibrio vulgaris Miyazaki株由来の酵素について酸化型・還元型の構造化学を進めてきている。
平成15年度は、ヒドロゲナーゼの活性部位へのCOの結合・遊離により電子密度がどのように変化しているかを詳細に調べた。差の電子密度図には、CO分子の電子密度およびNi原子とCys546のイオウ配位子のまわりに正の電子密度と負の電子密度が対になって存在することがはっきりと観察できた。この電子密度は、(Fo(CO結合型)-Fo(CO遊離型))にCO結合型構造の位相を与えて計算した差の電子密度であるため、正の電子密度はCO結合型にはあるがCO遊離型にはない電子密度を示す。逆に負の電子密度は、CO遊離型にはあるがCO結合型には存在しない電子密度を示す。これはCOの結合・遊離に伴ってNiやイオウ原子が動いたか、あるいはそれらの原子の電子密度分布が変化したことを意味している。詳細な検討の結果、本活性部位では原子が移動することなく電子密度分布のみが大きく変化したことがわかった。このNiとCys546のイオウ原子以外の原子(Feや他のイオウ配位子)のまわりにはこのような電子密度分布の変化は見られないことから酵素活性の阻害で特にこれらの原子の電子状態が大きな変化を受けていることが示唆された。

研究成果

• [文献書誌] S.Foerster, M.Stein, M.Brecht, H.Ogata, Y.Higuchi, W.Lubitz: "Single Crystal EPR Studies of the Reduced Active Site of [NiFe] Hydrogenase from Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F"J.Am.Chem.Soc. 125. 83-93 (2003)
• [文献書誌] M.Fujihashi, D.H.Peapus, E.Nakajima, T.Yamada, J.Saito, Y.Higuchi, A.Ando, N.Kamiya, Y.Nagata, K.Miki: "X-ray crystallographic characterization and phasing of a fucose specific lectin from Aleuria aurantia"Acta Crystallogr.. D59. 373-380 (2003)
• [文献書誌] N.Mizuno, G.Voordouw, K.Miki, A.Sarai, Y.Higuchi: "Three-dimensional crystal structure of dissimilatory sulfite reductase D (DsrD) protein - possible interaction with B- and Z-DNA by its winged-helix motif"Structure. 11. 1133-1140 (2003)
• [文献書誌] K.Ozawa, Y.Takayama, F.Yasukawa, T.Ohmura, M.A.Cusanovich, Y.Tomimoto, H.Ogata, Y.Higuchi, H.Akutsu: "Role of the Aromatic Ring of Tyr43 in Tetraheme Cytochrome c_3 from Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F"Biophys.J.. 85. 3367-3374 (2003)
• [文献書誌] T.Chatake, N.Mizuno, G.Voordouw, Y.Higuchi, S.Arai, I.Tanaka, N.Niimura: "Crystallization and preliminary neutron analysis of the dissimilatory sulfite reductase D (DsrD) protein from the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio vulgaris"Acta Crystallogr.. D59. 2306-2309 (2003)