2016 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on the proton pump mechanism of the terminal oxidase by time resolved analyses at the hydrogen atom level resolution
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26291033
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
吉川 信也 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 名誉教授 (40068119)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 呼吸鎖末端酸化酵素 / プロトンポンプ / 膜タンパク質 / ヘムタンパク質 / 時分割X線構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．時分割解析によるチトクロム酸化酵素(CcO)プロトンポンプ機構の研究。CcOのプロトンポンプはheme aの正荷電とプロトンとの静電的反撥により駆動される。その方向性決定機構の解明のため、CO結合型CcOの光解離過程のX線自由電子レーザー設備(SACLA)を利用した時分割構造解析を行った。その結果、CuBに結合したO2がポンププロトン輸送経路を閉鎖して逆流を防ぐことが明らかにされた（Science Advance査読中）。またCcOのO2還元過程のCOOH基領域の時分割赤外分光解析法がほぼ確立された。
２．静止Ｘ線構造解析。分解能の向上により、プロトンポンプ経路に4当量のプロトン受容部位が認められた（JBC発表済）。２種のO2還元過程反応中間体のO2還元中心とプロトン輸送経路のＸ線構造を決定した。アジ化物結合型の高分解能Ｘ線構造解析により、プロトン輸送経路からのプロトンの流出によりheme aの電子親和性が低下することが明らかにされ、プロトンがheme aに駆動されていることが実験的に示された。1.35angstrom分解能の構造解析によりCOO基のプロトン化状態が決定された。また質量分析によりCcOへの不安定なリン酸化、アセチル化部位が多数発見された（PNAS発表済）。
３．Cytochrome c(Cyt.c)/CcO相互作用解析。Cyt.c/CcO複合体のＸ線構造解析により、両分子界面には多数の水分子が３層に固定されている新規な複合体形成様式が発見された(EMBO J発表済)。Cyt.c/CcO間電子伝達に及ぼすCyt.cのアミノ酸変異効果に基づいて界面のアミノ酸残基の結合の熱力学が理論的に解析された（JBC発表済）。
４．まとめ。以上の研究により、本酵素のプロトンポンプ機構を原子の挙動として（水素原子レベルで）とらえることが現実的研究課題と見做せる段階に到達した。
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| Research Progress Status |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Causes of Carryover |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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[Journal Article] The Mg2+-containing Water Cluster of Mammalian Cytochrome c Oxidase Collects Four Pumping Proton Equivalents in Each Catalytic Cycle2016
Author(s)
Yano N, Muramoto K, Shimada A, Takemura S, Baba J, Fujisawa H, Mochizuki M, Shinzawa-Itoh K, Yamashita E, Tsukihara T, Yoshikawa S.
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Journal Title
J. Biol. Chem.
Volume: 291
Pages: 23882-23894
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Time resolved crystallographic analysis of cytochrome c oxidase using X-ray free electron laser2016
Author(s)
Keita Hatano, Atsuhiro Shimada, Akari Miyamoto, Seiki Baba, Keitaro Yamashita, Minoru Kubo, Hideo Ago, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Masaki Yamamoto, Takashi Kumasaka, Eiki Yamashita, Takashi Ogura, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Tomitake Tsukihara
Organizer
日本蛋白質科学会第１６回年会
Place of Presentation
福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
Year and Date
2016-06-07 – 2016-06-09
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