生体π空間における電子操作に基づくヘムπ電子系の機能開発
Publicly Offered Research
| Project Area | Emergence of highly elaborated pai-space and its function |
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| Project/Area Number |
23108703
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
山本 泰彦 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00191453)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2013-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2012)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2012: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2011: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | ヘム / ヘムタンパク質 / 四重鎖ＤＮＡ / Ｇ-カルテット / ＮＭＲ / ヘム電子構造 / π-π相互作用 / 疎水性相互作用 / 四重鎖DNA / G-カルテット / NMR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、酸素(O2)貯蔵タンパク質ミオグロビン（Mb）のヘムπ電子系に対して与えた系統的な摂動とそれらの電子操作がMbの機能に及ぼす影響を解析し、これらインプットとアウトプットの関係を決める基本原理を解明する研究を通して、Mbの機能調節の分子機構を解明した。強い電子求引基であるトリフルオロメチル(CF3)基をヘム側鎖として導入することによりヘム鉄原子の電子密度(ρ)を変化させた一連のヘムをMbに組み込んだ再構成Mbの研究から、MbのO2親和性はρの減少に伴って低下することを発見した。また、Mbのヘム鉄は、通常、還元型Fe2+と酸化型Fe3+のいずれかの状態で存在するが、O2がMbに結合するのはFe2+の状態の時のみであり、Fe3+の状態では結合しない。O2が結合したMbでは、Fe2+が自発的に徐々にFe3+に酸化される反応である自動酸化が起こり、Mbとしての機能が損なわれる。私共は、ヘムπ空間の電子操作によりρを減少させるとMbの自動酸化が抑制されることも明らかにした。このように、本研究では、ヘムπ空間の性質を通して、MbのO2親和性と自動酸化をそれぞれ調節する手法を発見することに成功し、Mbを模倣した人工O2運搬体の創製に役立つ重要な知見を得た。
また、四重鎖DNAのπ空間で、グアニン塩基４つにより形成されるG-カルテットが多座配位子としてヘム鉄(Fe3+)に結合してヘム-DNA複合体を生じることを明らかにした。そして、ヘム-DNA複合体におけるヘムとG-カルテットの配位結合の性質、ヘムの電子構造は、DNA塩基配列に依存することを明らかにすると共に、複合体のヘム鉄が示すペルオキシダーゼ活性は、ヘムの電子構造によって調節されることを明らかにした。このように、四重鎖DNAπ空間とヘムπ空間の融合を通して調製した機能性核酸の酵素活性調節の分子設計に有用な知見を得た。
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| Research Progress Status |
24年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
24年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(65 results)
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[Journal Article] Relationship between the Electron Density of the Heme Fe Atom and the Vibrational Frequencies of the Fe-Bound Carbon Monoxide in Myoglobin2013
Author(s)
R. Nishimura, T. Shibata, H. Tai, I. Ishigami, T. Ogura, S. Nagao, T. Matsuo, S. Hirota, K. Imai, S. Neya, A. Suzuki, and Y, Yamamoto
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Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 52
Issue: 6
Pages: 3349-3355
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Relationship between Oxygen Affinity and Autoxidation of Myoglobin2012
Author(s)
T. Shibata, D. Matsumoto, R. Nishimura, H. Tai, A. Matsuoka, S. Nagao, T. Matsuo, S. Hirota, K. Imai, S. Neya, A. Suzuki, and Y. Yamamoto
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Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 51
Issue: 21
Pages: 11955-11960
DOI
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Peer Reviewed
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[Presentation] Characterization of electronic structure of heme active site in carbonmonoxy form of sperm whale myoglobin2012
Author(s)
Y.Yamamoto, T.Shibata, R.Nishimura, M.Fukaya, H.Tai, T.Matsuo, S.Hirota, A.Suzuki, I.Ishigami, T.Ogura, S.Neya
Organizer
筑波大学戦略イニシアティブ機能性物質創製研究拠点第2回国際シンポジウム「金属錯体化学の最前線」
Place of Presentation
筑波大学(つくば市)
Year and Date
2012-02-09
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[Presentation] Relationship between ^<13>C NMR shift of Fe-bound CO and electronic structure of heme active site in myoglobin2011
Author(s)
T.Shibata, R.Nishimura, M.Fukaya, H.Tai, T.Matsuo, S.Hirota, A.Suzuki, I.Ishigami, T.Ogura, S.Neya, Y.Yamamoto
Organizer
筑波大学戦略イニシアティブ機能性物質創製研究拠点第1回国際シンポジウム「典型元素化学とπ電子化学のハイブリッド化」
Place of Presentation
筑波大学(つくば市)
Year and Date
2011-12-18
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[Presentation] Relationship between ^<13>C NMR shift of Fe-bound CO and electron density of heme2011
Author(s)
T.Shibata, R.Nishimura, M.Fukaya, H.Tai, T.Matsuo, S.Hirota, A.Suzuki, I.Ishigami, T.Ogura, S.Neya, Y.Yamamoto
Organizer
第50回NMR討論会記念国際シンポジウムISNMR2011
Place of Presentation
横浜港大さん橋ホール(横浜市)
Year and Date
2011-11-17
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[Presentation] Toward complete understanding of myoglobin function2011
Author(s)
Y.Yamamoto, R.Nishimura, T.Shibata, M.Fukaya, H.Tai, S.Nagatomo, S.Nagao, T.Matsuo, S.Hirota, I.Ishigami, T.Ogura, O.Shoji, Y.Watanabe, S.Neya, K.Imai, A.Suzuki
Organizer
第15回生物無機化学国際会議(ICBIC15)
Place of Presentation
ブリティシュコロンビア大学(バンクーバー(カナダ))
Year and Date
2011-08-12
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[Presentation] Molecular mechanism responsible for the control of functional properties of myoglobin2011
Author(s)
T.Shibata, R.Nishimura, M.Fukaya, S.Nagatomo, H.Tai, S.Nagao, T.Matsuo, S.Hirota, I.Ishigami, T.Ogura, K.Imai, A.Suzuki, Y.Yamamoto
Organizer
第3回ジォルジアン湾生物無機化学国際会議(CanBIC-3)
Place of Presentation
ストッキーセンター(パリーサウンド(カナダ))(招待講演)
Year and Date
2011-06-03
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