酵素活性中心の構造変化とゆらぎにリンクする触媒反応遷移状態の制御機構

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16KT0055
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 岡島 俊英 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (10247968)
• 研究分担者: 中井 忠志 広島工業大学, 生命学部, 准教授 (00333344) ; 庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550) ; 村川 武志 大阪医科大学, 医学部, 助教 (90445990)
• 研究期間 (年度): 2016-07-19 – 2020-03-31
• キーワード: 銅アミン酸化酵素 / 補酵素 / 遷移状態 / ゆらぎ / 中性子結晶構造

研究実績の概要

本研究の目的は、細菌由来の銅アミン酸化酵素(AGAO)を用いて、反応促進に特化したタンパク質がもつ動的な特性が、反応の遷移状態の安定化にどのように寄与しているのか明らかにする点にある。酸化型酵素の中性子構造より、補酵素トパキノン（TPQ）の化学構造に平衡状態があることが判明していたが、さらにTPQが平面性を失った歪んだ構造を取っていることも明らかとなった。基質アミンを結合したミカエリス複合体、あるいは初発の反応中間体である基質シッフ塩基中間体においては、この歪みは解消されることが予測された。すなわち、初期構造の不安定化により、相対的に活性化エネルギーを減少させ、反応を促進していることが考えられた。また、TPQ-C5カルボニル基の酸素原子と触媒塩基Asp298の側鎖カルボニル基の２つの酸素原子の間に、プロトンが存在し、合計３つの酸素原子間で非局在化していることがわかった。酸化型TPQの歪みの原因は、この強い水素結合により、TPQが引っ張られることにあることがわかった。これらの知見は中性子構造解析によって決定したプロトン化状態の解析によって、初めて見出されたことであり、国際的にも高く評価された．
また、AGAO触媒反応において、アミノレゾルシノール中間体からセミキノンラジカル中間体への構造変化の経路を、量子化学計算によって詳細な解析を行った。予測されるエネルギーレベルの変化から、コンフォメーション変化の経路をほぼ決定することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murakawa, Kazuo Kurihara, Mitsuo Shoji, Chie Shibazaki, Tomoko Sunami, Taro Tamada, Naomine Yano, Taro Yamada, Katsuhiro Kusaka, Mamoru Suzuki, Yasuteru Shigeta, Ryota Kuroki, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, Motoyasu Adachi, Toshihide Okajima
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1073/pnas.1922538117
  • 査読あり
• [雑誌論文] In crystallo thermodynamic analysis of the catalytic reaction in bacterial copper amine oxidase (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murakawa, Seiki Baba, Toshihide Okajima
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] 銅含有アミン酸化酵素触媒反応におけるコンフォメーション変化のin crystallo熱力学解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村川武志，馬場清喜，岡島俊英
  • 雑誌名: 生化学 巻: 91 ページ: 565-571
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2019.910565
  • 査読あり
• [学会発表] 銅アミン酸化酵素のトパキノン補酵素生合成反応における中間体形成の分光学的解析・速度論的解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 酒井克輝、佐々木康、村川武志、谷澤克行、岡島俊英
  • 学会等名: 日本農芸化学会2020年度大会
• [学会発表] Structural basis for conformational change of the topaquinone cofactor during the catalytic reaction of bacterial copper amine oxidase (2019)
  • 著者名/発表者名: Toshihide Okajima, Takeshi Murakawa, Seiki Baba, Satoshi Kanagawa, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Takashi Kumasaka, and Katsuyuki Tanizawa
  • 学会等名: 33rd Annual Symposium of The Protein Society
  • 国際学会
• [学会発表] 銅含有アミン酸化酵素触媒機構の“in crystallo” 熱力学的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村川武志
  • 学会等名: 第42回 SPring-8先端利用技術ワークショップ/大阪大学蛋白質研究所セミナー
  • 招待講演
• [備考] 宙に浮く水素イオン？! 大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200428_1
• [備考] 宙に浮く水素イオン？！ ―大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界―
  • URL: https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/hot_topics/topics_20200428/
• [備考] 宙に浮く水素イオン?! ―大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界―
  • URL: https://www.osaka-med.ac.jp/news/research/f2pjgc000000fjnt.html
• [備考] 宙に浮く水素イオン？！―大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界―
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/press/40567.html
• [備考] 宙に浮く水素イオン？！―大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界―
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p202004280400.html