ブックタイトル日本結晶学会誌Vol56No4

概要

日本結晶学会誌Vol56No4

特集：生物研究における結晶学－生命現象の可視化への挑戦－日本結晶学会誌56，236-240（2014）結晶構造を基にした酵素反応機構の解析～オロチジン一リン酸脱炭酸酵素を題材に～京都大学大学院理学研究科藤橋雅宏Masahiro FUJIHASHI: Investigation of the Reaction Mechanism of Enzymes Based ontheir Crystal StructuresCrystallographic investigation combined with QM/MM simulation and biochemical analysisis the powerful tool to elucidate the enzyme mechanisms. Here, orotidine 5’-monophosphatedecarboxylase（ODCase）is selected as a representative example of intensively investigatedenzymes. This enzyme accelerates the conversion of orotidine 5’-monophosphate into uridine5’-monophosphate by 17 orders of magnitude, and is known as one of the most proficientenzymes. Although the decarboxylation reaction is an electrophilic-like reaction, ODCase alsocatalyzes nucleophilic-like reactions at the same catalytic site with the decarboxylation. Ourcrystallographic analysis at 1.0?1.8 A resolution combined with ab initio calculation and biochemicalassays elucidated the catalysis of ODCase utilizes the substrate distortion in additionto the transition state stabilization.1．はじめにこれまでに非常に多数の酵素について,結晶構造を基にした反応機構の提案がなされている.しかし,反応に重要な水素原子位置を決定できる分解能での結晶構造解析を行うことは,現在でも容易ではない.また,反応機構を理解する上で非常に重要な,酵素と反応基質そのものの複合体（触媒反応が進行してしまう）や,遷移状態の結晶構造の解析例はほとんどない.本稿では,比較的高分解能（1.0～1.8 A）の結晶構造に,QM/MM計算やさまざまな生化学的解析などを組み合わせることによって,反応機構をどこまで明らかにできるのかという問題について,筆者が深くかかわってきたオロチジン一リン酸脱炭酸酵素（ODCase）を例に示す.2．オロチジン一リン酸脱炭酸酵素（ODCase）2.1最も効率の良い酵素オロチジン一リン酸脱炭酸酵素（ODCase）は,ピリミジン新規合成の最終段階である,図1Aに示す脱炭酸反応を触媒する酵素である.この反応は,酵素非存在下でのt 1/2が数千万年程度と非常に起こりにくい反応であるが,ODCase存在下では数十ミリ秒で完了する.そのk cat/K Mとk non（酵素非存在下での反応速度）の比は10 23倍にも及ぶことから,この酵素は世界で最も効率の良い酵素の1つとして知られている. 1)反応に金属イオンや補酵素などは必要としない.われわれは,この酵素の非常に大きな反応加図1 ODCaseの触媒する反応と基質結合部位.（The catalyticreaction and the ligand-binding site of ODCase.）（A）触媒反応.ピリミジン環上の原子名を灰色で示した.（B）ODCaseと阻害剤（6-OH-UMP）の複合体.脱炭酸されるカルボキシル基は,星印で強調した原子に対応する.速の機構を解明することと,ピリミジン新規合成経路の阻害による抗マラリアをはじめとした新規薬剤の開発を目指して,研究を続けてきた.ODCaseの結晶構造は, 2000年に4種の生物由来のものが初めて得られている（文献2)ほか）.全体構造は, TIMbarrel型構造のサブユニットからなる二量体である.活性236日本結晶学会誌第56巻第4号（2014）