Structural analysis of reaction intermediates of cytochrome reductase

シトクロム還元酵素反応中間体のX線結晶構造解析

山田 貢; 玉田 太郎; 松本 富美子; 竹田 一旗*; 木村 成伸*; 黒木 良太; 三木 邦夫*

Yamada, Mitsugu; Tamada, Taro; Matsumoto, Fumiko; Takeda, Kazuki*; Kimura, Shigenobu*; Kuroki, Ryota; Miki, Kunio*

シトクロム還元酵素(以下、b5R)は、NADHから二個の電子を受け取り、二分子のシトクロムに一電子ずつ伝達する酸化還元酵素である。本発表では二電子還元型b5R及び再酸化型b5Rの結晶解析の結果を報告する。二電子還元型b5R結晶の作製は、嫌気チャンバー内で実施し、SPring-8 BL38B1にて回折実験を行った。再酸化型b5R結晶は還元型結晶を大気暴露し作製した。二電子還元型b5Rの構造において、2つのドメイン配置が大きく変化し、FADの溶媒露出面積が増大した。また、FADのイソアロキサジン環は、折れ曲がらずに平面構造をとっておりNADとスタッキングしていた。さらに、FADからのプロトン放出にかかわっているとされるThr66は酸化型構造では、イソアロキサジン環のN5と水素結合を形成できない距離に位置していたが、二電子還元型においてはドメイン配置の変化によって水素結合を形成可能な位置に移動していた。一方、再酸化型b5Rでは大気暴露時間が少ないニコチンアミド部位の電子密度が一部不明瞭な構造(再酸化型1)と、ニコチンアミドが完全に消失した構造(再酸化型2)の2つを決定したこのことは、再酸化反応によってまずニコチンアミドが放出され、次いでADPリボースが放出される機構を示唆する。

NADH-cytochrome reductase (b5R; EC 1.6.2.2) is a flavoprotein and catalyses two-electron transfer from NADH to cytochrome through FAD. Here, we present crystal structures of fully reduced and two re-oxidized forms of b5Rs determined. The crystal structure of fully reduced b5R showed that the relative location of two domains slightly shifted in comparison with that of oxidized form. This shift allowed to create a new hydrogen bonding interaction between N5 atom of isoalloxazine ring and hydroxyl oxygen atom of Thr66. The isoalloxazine ring of FAD in fully reduced form is flat and stacked with the nicotinamide ring of bound NAD. Moreover, two re-oxidized forms (form-1 and 2) were prepared using fully reduced crystals by exposure to the air. The electron densities for the nicotinamide ring of NAD was ambiguous in form-1 and was completely disappeared in form-2. These results suggested that re-oxidization follows a two-step mechanism in which nicotinamide moiety is released firstly and then whole NAD is released.