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Elucidations of the catalytic cycle of NADH-cytochrome ${it b$_{5}$}$ reductase by X-ray crystallography

X線結晶構造解析によるNADHシトクロム${it b$_{5}$}$還元酵素の触媒サイクルの解明

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

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

NADHシトクロム${it b$_{5}$}$還元酵素(b5R)はNADHドメインとFADドメインの2つのドメインからなるフラボタンパク質で、NADHから二個の電子を受け取り、二分子のシトクロム${it b$_{5}$}$(Cb5)に一電子ずつ伝達する反応を触媒する。嫌気環境下で作製した結晶を用いて1.68${AA}$分解能で解析した二電子還元型b5Rの構造は、酸化型と比較して2つのドメインの相対配置がわずかに変化しており、その結果、FADの溶媒露出面積が増大し、FADのイソアロキサジン環のN5原子と、FADからのプロトン放出に関わっていると考えられているThr66の側鎖の水酸基間に水素結合が形成していた。一方、イソアロキサジン環の平面性は、還元型においても酸化型と変わらず保持されており、NAD$$^{+}$$のニコチンアミド環とスタッキングしていた。これらの構造的特徴は、b5Rの触媒サイクルにおいて、電子の逆流を防ぎ、Cb5のような電子受容体への電子移動を促進するものであった。さらに、クライオトラップ法により還元型結晶の大気暴露時間を制御し作製した結晶を用いた解析により、還元型から酸化型への再酸化反応は二段階を経ることが示唆された。

NADH-cytochrome ${it b$_{5}$}$ reductase (b5R) is a flavoprotein consisting of NADH- and FAD- domains, and catalyzes the electron transfer from two electron carriers of NADH to one electron carrier of cytochrome ${it b$_{5}$}$ (Cb5). The structure of the fully reduced form of porcine liver b5R was determined using a crystal grown under anaerobic condition. In the reduced b5R structure, which was determined at 1.68 ${AA}$ resolution, the relative location of the two domains was slightly shifted in comparison with that of the oxidized form. This shift resulted in an increase in the solvent accessible surface area of FAD, and created a new hydrogen bonding interaction between the N5 atom of the isoalloxazine ring of FAD and the hydroxyl oxygen atom of Thr66, which is considered to be a key residue in the release of a proton from the N5 atom. The isoalloxazine ring of FAD in the reduced form is flat, which is similar to that in the oxidized form, and is stacked with the nicotinamide ring of NAD$$^{+}$$. Both of reduced and oxidized b5R structures could explain how prevents the backflow and accelerates the transfer of electrons to one-electron acceptors, such as Cb5, in the catalytic cycle. Furthermore, the crystallographic analysis by the cryo-trapping method, which controls the exposure time of the fully reduced crystals against the air, suggested that re-oxidation follows a two-step mechanism. These results provide structural insights into the catalytic cycle of b5R.

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