バクテリオロドプシンのプロトンポンプ機構-赤外分光法と部位誘発変異による解析

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06044123
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 前田 章夫 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20012370)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): LANYI Janos カリフォルニア大学, アーバイン校・生理学生物物理学教室, 教授 ; 神取 秀樹 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (70202033)
• Keywords: バクテリオロドプシン / 変異タンパク質 / フーリエ変換赤外分光法 / プロトンポンプ / クロライド / 水分子 / 光反応過程 / 水素結合

Research Abstract

研究代表者前田の属する京都グループは、米国側の共同研究者であるLanyiらとのアイデアを交換しながら、Lanyiらの作るバクテリオロドプシンの変異蛋白質を使い、光反応過程でのフーリエ変換赤外スペクトル(FTIR)を測定した
(1)Asp85をAsnにした変異タンパク質では、プロトンポンプの機能はなく、Asp85を水和して、L中間体の生成とともに強い水素結合を作る水分子もなくなっている。これにクロライドを入れると、水分子を介してシッフ塩基の対電荷として結合した。また、クロライドをもとのプロトンと逆の方向に運搬して膜電位を形成した。
(2)本来のクロライド運搬体であるファラオニスのハロロドプシンの光化学反応過程を解析し、最後に生じる0中間体をFTIRで検出し、それがオールトランス型であることを確認した。
(3)バクテリオロドプシンではLからMへの過程でプロトンを細胞外に放出するが、その残基か何かはこれまで不明であった。Glu204をプロトンを解離できないGln、別の解離性残基Aspに変えた変異タンパク質のプロトン放出過程の解析と、FTIRにおけるカルボン酸解離のシグナルから、プロトンが放出される残基をGlu204と同定した。
(4)Arg82のLys、Alaへの変異タンパク質でみられるGlu204からのプロトンの解離の消失、LからMへの速い変換は、Glnへの変異ではみられないことから、Arg82とGln204との相互作用における水素結合の重要性が示唆された。それに対応したその間を結ぶ水分子の変化を見い出した。

Research Products

• [Publications] Sasaki,J.: "Conversion of bacteriorhodopsin into a chloride ion pump." Science. 269. 73-75 (1995)
• [Publications] Brown,L.S.: "The complex extracellular domain regulates the deprotonation and reprotonation of the retinal Schiff base during the bacteriorhodopsin photocycle." Biochemistry. 34. 12903-12911 (1995)
• [Publications] Varo,G.: "Light-driven chloride ion transport by halorhodopsin from Natronbacterium pharaonis. I. the photochemical cycle." Biochemistry. 34. 14490-14499 (1995)
• [Publications] Brown,L.S.: "Glutamic acid 204 is the terminal proton release qroup at the extracellular surflace of bacteriorhodopsin" J. Biol. Chem.270. 27122-27126 (1995)
• [Publications] Kandori,H.: "FTIR spectroscopy reveals microscopic structural changes of the protein around the rhodopsin chromophore upon phctoisomerization." Biochemistry. 34. 14220-14229 (1995)
• [Publications] Nishimura,S.: "Structural changesin the lumirhodopsin-to-metarhodopsin I conversion of air-dried bovinerhodopsin." Biochemistry. 34. 16758-16763 (1995)
• [Publications] Yamazaki,Y.: "Interaction of tryptophan-182 with the retinal 9-methyl group in the L intermediate of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 34. 577-582 (1995)
• [Publications] Ohkita,Y.J.: "Changes in structure of the chromophore in the photochemical process of bovine rhodopsin as revealed by FTIR spectroscopy for hydrogen-outof-planev ibrations." Biophys. Chem.56. 71-78 (1995)
• [Publications] Cao,Y.: "Relationship of proton release at the extracellular surface to deprotonation of the schiff base in the bacteriorhodopsin photocycle." Biophys. J.68. 1518-1530 (1995)
• [Publications] Kandori,H.: "Water-mediated proton transfer in proteins: An FTIR study of bacteriorhodopsin." J. Am. Chem.Soc.117. 2118-2119 (1995)
• [Publications] Sasaki,J.: "Nanosecond time-resolved infrared spectroscopy distinguishes two K species in the bacteriorhodopsin photocycle." Biophys. J.68. 2073-2080 (1995)
• [Publications] Yamazaki,Y.: "Water structural changes at the proton uptake site (the Thr46-Asp96 domain) in the L intermediate of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 34. 7088-7093 (1995)
• [Publications] Maeda,A.: "Application of FTIR spectroscopy to the structural study on the function of bacteriorhodopsin (a review)." Ira. J,Chem.35(in press). (1996)
• [Publications] Yamazaki,Y.: "Hydrogen-bonds of water and c=o groups coordinate long-range structural changes in the L photointermediate of bacteriohrodopsin." Biochemistry. 35(in press). (1996)