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Neutron crystallographic study on rubredoxin from ${it Pyrococcus furiosus}$ by BIX-3, a single-crystal diffractometer for biomacromolecules

生体高分子用中性子回折装置BIX-3による${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの中性子結晶構造解析

栗原 和男; 田中 伊知朗*; 茶竹 俊行*; Adams, M. W. W.*; Jenney, F. E. Jr.*; Moiseeva, N.*; Bau, R.*; 新村 信雄

Kurihara, Kazuo; Tanaka, Ichiro*; Chatake, Toshiyuki*; Adams, M. W. W.*; Jenney, F. E. Jr.*; Moiseeva, N.*; Bau, R.*; Niimura, Nobuo

原研原子炉JRR-3設置の生体高分子用中性子回折装置BIX-3を用いて、高い熱安定性を持つ${it Pyrococcus furiosus}$由来ルブレドキシンの中性子結晶構造解析を行った。結晶化はH原子からのバックグラウンドを抑えるため重水中で行った。回折実験は常温で行い、1.5${AA}$分解能でデータ収率81.9%を得た。立体構造モデルの精密化では、306個のH原子と50個のD原子及び37個の水和水を同定した。その結果、モデルの信頼性を示す${it R}$因子及び${it R}$$$_{free}$$因子は最終的に各々18.6%, 21.7%となった。この中性子解析により、X線解析では明確でなかったアミノ酸側鎖のO-D結合の方位を明らかにできた。また、主鎖のN-H結合のH原子は多くがD原子に置換されている一方で、その中で5つのH原子は置換されずに保たれていることがわかった。これはその周囲の高い構造安定性を示す。さらに中性子散乱密度図では、このタンパク質の高い熱安定性に寄与していると考えられているND$$_{3}$$$$^{+}$$末端のその周囲に広がる水素結合ネットワークを詳細に明らかにすることができた。

The structure of a rubredoxin (Rd) from ${it Pyrococcus furiosus}$, an organism that grows optimally at 100 $$^{circ}$$C, was determined using the neutron single-crystal diffractometer for biological macromolecules (BIX-3) at the JRR-3 reactor of JAERI. Data were collected at room temperature up to a resolution of 1.5 ${AA}$, and the completeness of the data set was 81.9 %. The model contains 306 H atoms and 50 D atoms. A total of 37 hydration water molecules were identified. The model has been refined to final agreement factors of ${it R}$ = 18.6 % and ${it R}$$$_{free}$$ = 21.7 %. Several orientations of the O-D bonds of side chains, whose assignments from X-ray data were previously ambiguous, were clearly visible in the neutron structure. While most backbone N-H bonds had undergone some degree of H/D exchange throughout the molecule, five H atom positions still had distinctly negative (H) peaks. The neutron Fourier maps clearly showed the details of an extensive set of H bonds involving the ND$$_{3}$$$$^{+}$$ terminus that may contribute to the unusual thermostability of this molecule.

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