タンパク質のフォールディング、ダイナミクス及び分子認識に関与する水和構造

• Project/Area Number: 18031005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 新村 信雄 Ibaraki University, 大学院・理工学研究科, 教授 (50004453)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 伊知朗 茨城大学, 工学部, 准教授 (20354889) ; 日下 勝弘 茨城大学, フロンティア応用原子科学研究センター設立準備室, 准教授 (10414591) ; 栗原 和男 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究職 (50354890) ; 細谷 孝明 独立行政法人日本原子研究開発機構, J-PARCセンター, 研究職 (80435601)
• Project Period (FY): 2006 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥10,700,000 (Direct Cost: ¥10,700,000); Fiscal Year 2007: ¥5,800,000 (Direct Cost: ¥5,800,000); Fiscal Year 2006: ¥4,900,000 (Direct Cost: ¥4,900,000)
• Keywords: 水分子 / 水素原子 / プロトン / 分子認識 / 水素結合 / 中性子回折 / RNase A / 構造生物 / 中性子構造生物 / 水和水 / プロテナーゼ K / インスリン / PK / プロトン化 / 脱プロトン化

Research Abstract

特定領域研究「水と生体分子」では水と生体分子の相互作用が中心テーマであり、水分子ネットワークはタンパク質のフォールディングやダイナミクスにも関与していると考えられ、基本的なタンパク質の周囲を取り巻く水分子のネットワークおよびそれと相互作用する水素結合の詳細を調べるため中性子回折実験を行うことにした。以下、今年度の成果をまとめて述べる。
1)ウシRNaseAの中性子解析と活性部位の水和構造
A Wlodawer et al.の結果が従来の酵素反応の機構とは異なる結果を出したのはPO4を含んだ構造に依るのではないかと考えて、PO4を含まない結晶構造解析を行ってみたが、結果はやはり同じでHis 12 のN〓はやはりプロトネーションしていた。しかし,その後の精密な解析でNtのプロトネーションの占有率は測定のpH(=5.8)では8%程度であり、2%のNtは脱プロトン化していることが判明した。これが酵素反応に寄与していると考えれば矛盾はなくなる。
2)タンパク質の水素結合
中性子解析では水素原子位置が決定されるので、水素結合を(X-H----Y)と表記し、水素原子を原点、HXを横軸の負の方向に取り、アクセプターYを探索し、プロットしてみた。その結果:1)Xとアクセプター、Yを結ぶ直線上に水素原子が乗る例は殆ど無い。2)水素とアクセプター結合距離(r)と水素結合角(θ1)の間には相関がある。
タンパク質の水素結合は何故水素原子がドナーとアクセプターを結ぶ直線上に乗らないのか。タンパク質の水素結合の強度を示す一般的な表式はあるのか。その原因を解明する試みが現在進んでおり、新たなパラメータとして角HYZ(θ2)を導入するとr,θ1、θ2間に相関があり、アクセプターのYの孤立電子対方向がこれらの相関に関与していることが判明しつつある。

Research Products

• [Journal Article] Neutron Protein Crystallography:Beyond the Folding Structure of Biological Macromolecules. (2008)
  • Author(s): N., Niimura & R., Bau
  • Journal Title: Acta Cryst A64 Pages: 12-22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A neutron crystallographic analysis of a cubic insulin at pD 6.6 (2008)
  • Author(s): T., Ishikawa, T., Chatake, Y., Ohnishi, I., Tanaka, K., Kurihara, R., Kuroki, N., Niimura
  • Journal Title: Chem.Phys 345 Pages: 152-158
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] NEW SOURCES AND INSTRUMENTATION FOR NEUTRONS IN BIOLOGY (2008)
  • Author(s): Teixeira S., Niimura N., 他43名
  • Journal Title: Chem.Phys 345 Pages: 133-151
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] J-PARCがもたらす結晶学の新展開、中性子構造生物学 (2008)
  • Author(s): 新村, 信雄
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 50 Pages: 72-77
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallization and evaluation of Hen Egg-White Lysozyme (HEWL) crystals for protein pH titration in the crystalline state (2008)
  • Author(s): W., Iwai, D., Yagi, T., Ishikawa, Y., Ohnishi, I., Tanaka & N., Niimura
  • Journal Title: J.Synchr.Rad 15 Pages: 312-315
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 新型生体高分子回折計(iBIX)の概要と化学・生命科学にもたらす新展開 (2008)
  • Author(s): 田中, 伊知朗・日下, 勝弘・友寄, 克亮・新村, 信雄・大原, 高志・栗原, 和男・細谷, 孝明・尾関, 智二
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 50 Pages: 13-17
  • NAID: 10021085329
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Refinement and Extraction of Hydrogen Atomic Positions in Polyoxymethylene Crystal Based on the First Successful Measurements of 2-Dimensional High-Energy Synchrotron X-ray Diffraction and Wide-Angle Neutron Diffraction Patterns of Hydrogenated (2007)
  • Author(s): Kohji, Tashiro, Makoto, Hanesaka, Takashi, Ohhara, Tomoji, Ozeki, Toshiaki, Kitano, Takashi, Nishu, Kazuo, Kurihara, Taro, Tamada, Ryota, Kuroki, Satoru, Fujiwara, Ichiro, Tanaka, Nobuo Niimura
  • Journal Title: Polymer Journal 39 Pages: 1253-1273
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protonation States of Buried Histidine Residues in Human Deoxyhemoglob in Revealed by Neutron Crystallography (2007)
  • Author(s): Toshiyuki, Chatake, Naoya, Shibayama, Sam-Yong Park, Kazuo, Kurihara, Taro, Tamada, Ichiro, Tanaka, Nobuo, Niimura, Ryota, Kuroki, Yukio, Morimot
  • Journal Title: J.Am.Chem 129 Pages: 14840-14841
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Refinement and Extraction of Hydrogen Atomic Positions in Polyoxymethylene Crystal Based on the First Successful Measurements of 2-Dimensional High-Energy Synchrotron X-ray Diffraction and Wide-Angle Neutron Diffraction Patterns of Hydrogenated (2007)
  • Author(s): Kohji, Tashiro, Makoto, Hanesaka, Takashi, Ohhara, Tomoji, Ozeki, Toshiaki, Kitano, Takashi, Nishu, Kazuo, Kurihara, Taro, Tamada, Ryota, Kuroki
  • Journal Title: Polymer Journal 39 Pages: 1253-1273
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neutron Biological Diffractometer in J-PARC Proposed by Ibaraki Prefectural Government (2006)
  • Author(s): I.Tanaka, N.Niimura, T.Ozeki, T.Ohhara, K.Kurihara, K.Kusaka, Y.Morii, K.Aizawa, M.Arai, T.Kasao, K.Ebata, Y.Takano
  • Journal Title: ICANS-XVII Proceedings A-UR-3904 Vol.III Pages: 937-945
• [Journal Article] Peak overlapping and its de-convolution in TOF diffraction data from neutron biological diffractometer in J-PARC (2006)
  • Author(s): K.Kusaka, T.Ohhara, I.Tanaka, N.Niimura, T.Ozeki, K.Kurihara, K.Aizawa, Y.Morii, M.Arai, K.Ebata, Y.Takano
  • Journal Title: Physica B 385-386 Pages: 1062-1065
• [Journal Article] Measurements of small organic molecules on the single crystal neutron diffractmeters for biomolecules at JAERI (2006)
  • Author(s): T.Ohhara, K.Kurihara, T.Tamada, I.Tanaka, N.Niimura, R.Kuroki
  • Journal Title: Physica B 385-386 Pages: 1049-1051
• [Journal Article] 大強度陽子加速器中性子源を活用した生物研究の展望 (2006)
  • Author(s): 新村信雄, 平井光博, 片岡幹雄
  • Journal Title: 生物物理学会誌 46 Pages: 182-187
  • NAID: 110004751706
• [Journal Article] 中性子結晶解析によって観測されたB型DNAの水和水の配向 (2006)
  • Author(s): 新井栄揮, 茶竹俊行, 新沼信雄
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 48 Pages: 133-139
• [Presentation] Methyl group Configuration and Hydrogen Bonds in Proteins Determined by Neutron Protein Crystallography (2008)
  • Author(s): Kohji Shibata, Atsushi Yamaguchi, Ichiro Tanaka, Nobuo Niimura
  • Organizer: 第5回「水と生体分子」公開ワークショップ奈良
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2008-03-06
• [Presentation] A neutron crystallographic analysis of bovine Rnase A at pD6.2 (2008)
  • Author(s): D. Yaghi, M. Yamashita, Y. Ohnishi, K. Kurihara, R. Kuroki, T. Yamada, T. Ishikawa, T. Chatake, I. Tanaka, N. Niimura
  • Organizer: 第5回「水と生体分子」公開ワークショップ奈良
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2008-03-06
• [Presentation] Development of a New Detector and DAQ Systems for iBIX (2008)
  • Author(s): Takaaki Hosoya, Tatsuya Nakamura, Masaki Katagiri, Atsushi Birumachi, Masumi Ebine, Kazuhiko Soyama
  • Organizer: International Syposium on Pulsed Neutron and Muon Sciences
  • Place of Presentation: 水戸
• [Presentation] ウシ膵臟Rnase Aの中性子結晶構造解析 (2007)
  • Author(s): 八木大地・栗原和男・山田太郎・田中伊知朗・新村信雄
  • Organizer: 日本結晶学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-12-02
• [Presentation] 中性子結晶構造解析によって決定されたタンパク質のメチル基配坐および水素結合の考察 (2007)
  • Author(s): 柴田浩司・山口淳史・田中伊知朗・新村信雄
  • Organizer: 中性子科学会
  • Place of Presentation: 北九州
  • Year and Date: 2007-11-02
• [Presentation] Neutron protein crystallography in JRR-3 and future Prospect in J-PARC (2007)
  • Author(s): I., Tanaka
  • Organizer: ISDSB2007
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-09-12
• [Presentation] A Neutron Crystallographic Analysis of Bovine Pancreatic at pD6.2 (2007)
  • Author(s): Daichi, Yagi, Masahiro, Yamashita, Yuki, Ohnisi, Kazuo, Kurihara, Ryota, Kuroki, Taro, Yamada, takuya Ishikawa, Toshiyuki, Chatake, Nobuo, Niimura
  • Organizer: ISDSB
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-09-12
• [Presentation] Gurrent Status of IBARAKI Biological Crystal Diffractometer in J-PARC: General View (2007)
  • Author(s): Takaaki, Hosoya, K., Kusaka, T., Ohhara, K., Kurihara, N., Niimura, I., Tanaka, T., Ozeki, K., Aizawa, M. Arai, Y. Morii, M. Hayashi, K., Ebataand, Y. Takano
  • Organizer: the Internatioanl Conference for Neutror and X-ray Scattering 2007 (ICNX2007)
  • Place of Presentation: インドネシア
• [Remarks] 茨城大学研究者情報総覧
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/scripts/websearch/index.htm