ブックタイトル日本結晶学会誌Vol61No3

概要

日本結晶学会誌Vol61No3

生命科学の飛躍のために一層深まるタンパク質結晶学の役割～シトクロム酸化酵素の精密構造解析から見た現状と課題COOHCuA(3+)CuA(2+)ヘムa Cu IIヘムa(OH - )3O 2-COOH4H + Asp51 Glu198(II)OH内側外側H Mg(2+)2 O Arg438H 2 O4H +H 2 OP-状態Cyt.cからCuAに電子が移動Fe(3+)Fe(5+)Fe(3+)Fe(5+)Fe VPCuAからヘムaに電子が移動COOHCuA(3+)COO -CuA(3+)3H +3H +内側OH -内側OH -H 2 OH 3 O +F-状態Fe(3+)ヘムaからヘムa Fe(2+)Fe(4+)3に電子が移動Fe(5+)Cu II(OH - )O 2- Fe IVFHisArgArgAspAspGluGlnMgTyrHisAspHis図10状態PからFに移行する過程の電子移動とそれに共役したプロトン能動輸送．（A proposed mechanism ofproton transfer from the Mg-containing water clusterto the P-side in the reaction cycle from P-state toF-state.）電子がシトクロームcからCuA，ヘムa，ヘムa3へ順次移動するに伴って生じる電子状態変化，構造変化とプロトン移動を示している．サイクルのR状態でのみ開いている．R状態でN側から4プロトンがMg水クラスターに蓄積される．酸素分子が分子内部にある通路を通って酸素還元中心に入ってくると，A状態になり水チャネルの弁は閉じる．次に経路Dを通ってプロトンが酸素還元中心に供給されてP状態に移行する．電子がシトクロムc（Cyt.c）からCuAに供給されて，続いてCuAからヘムaを経てヘムa3に供給される．図10にはP-状態を起点にして，CuA，ヘムa，ヘムa 3へ電子が渡されてF-状態になる過程での構造変化と，プロトン移動を示している．この過程の途中でヘムaが還元型になった時点でMg水クラスターから1プロトンが水素結合ネットワークのヘムa近傍に移行する．次に電子がヘムaからヘムa3に移りヘムaが酸化型になると静電反発によってプロトンは経路の端にあるAsp51まで移動する．シトクロムcからの電子によってCuAが還元されるとAsp51は分子表面に移動してプロトンをP側に放出する．同様の過程が合計4回繰り返されて4電子移動に伴って4プロトンが能動輸送される．Mg水クラスターに4プロトンも蓄積できるのかという疑問は当然出てくる．そのために中性子回折によってプロトン化状態の決定を模索しているが，まだ十分な回折像が得られていない．図11のMg水クラスターにはMgのほかに23カ所の水と多数のプロトン授受が可能なアミノ酸残基などがある．このクラスター内の9カ所の水，Glu198（Ⅱ）とArg438（Ⅰ）はCuA/ヘムa電子状態の変化によって構造を変える．この中にある水についてはそ日本結晶学会誌第61巻第3号（2019）Heme a 3Mg図11 Mg水クラスターの構造．（Structure of the Mgcontainingcluster.）上図ではプロトン化可能な部位を棒モデルで表示している．左下図の小さい球は水，右下図はMgとその配位子を示している．れらの温度因子を一定の値に合わせて占有率を決定したところ，構造が変化しても水の総量は一定であった．46）すなわち反応サイクルの過程では水の出入りはないと言える．実際に構造でも表面が近くなっている部分にはPro残基が集まって硬い壁を作って，水の出入りを妨げている．Glu198（Ⅱ）は主鎖がCuA，側鎖がMgに配位している．CuAの酸化還元に伴うGlu198（Ⅱ）を介したMgの電子状態の変化は，それに配位した水のpKaに影響を与えて，プロトン移動を誘起する．ここに挙げた構造変化はCuAの酸化還元によって起こると推察されるが，CuAとヘムaの両者で酸化還元状態が異なる場合の構造を得ていないので未確定な点もある．N側からMg水クラスターへのプロトン輸送はエネルギーを必要としない受動的な移動であると考えている．このことも含めて4プロトンの蓄積が可能か否かについて理論的な研究も必須であり，それに十分な精度の構造を得るべく努めている．この経路Hによるプロトン能動輸送機構の根拠となっている研究のいくつかに触れておこう．水チャネルの開閉を図12に示している．R状態では水を入れることがで177