生体超分子チトクロム酸化酵素のプロトンポンプ機構と酸化還元機構の解明

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チトクロム酸化酵素活性中心には完全酸化型状態において電子密度が存在することがわかっており、この電子密度をめぐっては20年以上も論争が続いている。この電子密度の決定は酸化還元機構を議論する上でも特に重要である。研究代表者らは昨年度にこの電子密度がハーオキサイドであることを発表したが、それに対し多くの反響と反論を得た。そこで本年度、研究代表者らは新たに回折実験を計画した。この実験はX線による異常分散効果を利用して、パーオキサイドに対する反論の矛盾点を指摘するものであった。実験には精度良い回折実験が必要であったが、これを様々な工夫により克服した。得られた結果はパーオキサイド説に対する反論を完全に否定するものであった。また研究代表者は前年度に得た1.4A分解能のX線回折データを用いて高分解能の構造解析を進めた。前年度から実施してきた、精度の高いFcを求めることを目的とした構造精密化を導入することで、原子モデルの結晶学的freeRを0.20から0.15に改善させた。この結晶系ではチトクロム酸化酵素は単量体の状態でパッキングしていたため、これまで得られていた二量体の構造と比較を行った。この比較から脂質がチトクロム酸化酵素の単量体と二量体の構造変化を制御していて、脂質分子が膜蛋白質の機能において特別な役割を果たすという、新しいモデルを提案することができた。さらに研究代表者は構造精密化後の座標中のカルボン酸の炭素原子-酸素原子間の距離からプロトン化状態を判別する方法を検討した。実験誤差をまったく含まないテストデータを用意し、このデータに対して構造精密化を行ってプロトン化状態の再現性を調べた。その結果、freeRが0.10を切る精度の高いFcのもとでは1.7A分解能でもプロトン化状態の判別が可能であることを示した。