電子伝達タンパク質の高分解能中性子結晶構造解析

High-resolution neutron crystal structural studies of electron transfer proteins

玉田 太郎

Tamada, Taro

電子伝達タンパク質の多くは、ヘム, フラビン, 鉄硫黄クラスターなどの補欠分子族を結合し、補欠分子族を介した水素原子や外殻電子の移動により電子伝達が行われる。よって、電子伝達機構を理解するためには、水素原子を含めた構造情報を高精度に得ることが必要となる。そこで、分子構造ダイナミクス研究グループでは、高電位鉄硫黄タンパク質(HiPIP)とNADHシトクロムb5還元酵素(b5R)の2つの電子伝達タンパク質を対象として、高分解能中性子結晶構造解析を試みた。中性子回折実験は大強度陽子加速器施設(J-PARC)のBL03ビームライン(iBIX)において100K下で実施し、HiPIPについてはタンパク質の中性子回折データとしては世界最高分解能に並ぶ1.1分解能、b5Rについても高い分解能(1.4分解能)の回折データ収集に成功した。現在、同一結晶から取得したX線回折データを相補的に用いた構造精密化を実施中であるが、超高分解能のX線結晶構造においても観測が困難であったタンパク質表面の解離性残基のプロトン化状態や水分子の配向に加え、理想値からずれた水素原子の結合距離、結合角も多数観測している。本発表では、高分解能中性子構造の詳細を報告するとともに、我々が新たにJ-PARCに設置を検討しているタンパク質解析専用のビームラインについても紹介する。本ビームラインは構造生物学研究者の共同利用を目的としており、従来の回折計では対応できなかった250を超える大型格子結晶からの中性子回折データ収集を念頭に設計を進めている。

Most electron transfer proteins have cofactor molecules, such as heme, flavin, and iron-sulfur cluster, and transfer electrons via those cofactors. Therefore, it is important to obtain precise structure information including hydrogen atoms for understanding the electron transfer reaction. We have performed high-resolution neutron crystal structure analyses of two electron transfer proteins, high-potential iron-sulfur protein (HiPIP) and NADH-cytochrome reductase (b5R). We succeeded in data collection of these proteins at higher resolution, 1.1 (HiPIP) and 1.4 (b5R), using BL03 (iBIX) beamline in J-PARC/MLF. Joint neutron and X-ray crystallographic refinement is in progress, but we have already observed protonation statuses of polar residues located in molecular surface and orientation of water molecules. Furthermore, we confirmed some characteristic hydorogens which have unideal geometries. In this presentation, we also talk about our plan of new diffractomer in J-PARC, which is able to cover such a crystal with large unit cell ( 250 ).