バクテリオロトプシンのポンプ機構をひきおこす機構の赤外吸収スペクトル法による解明

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06404082
• 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): 神取 秀樹 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (70202033) ; 七田 芳則 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (60127090)
• Keywords: バクテリオロドプシン / プロトンポンプ / L中間体 / フーリエ変換赤外吸収スペクトル / 水分子 / 変異タンパク質 / ロドプシン / メタロドプシンII

Research Abstract

バクテリオロドプシンにおいて、そのプロトンポンプの最も重要なステップである、光吸収後のシッフ塩基からAsp85へののプロトン移動を起こすL中間体の構造を、フーリエ変換赤外吸収スペクトル(FTIR)法で解明した。
(1)LからMに変化する過程でシッフ塩基のプロトンがAsp85に移動するとともに、別のX-Hといわれる未知の場所から、プロトンが細胞外に放出される。このX-HがGlu204であることを、それを解離できないGln、解離できるAspにした変異タンパク質を使い、FTIRと時間分解可視吸収変化を使って同定した。また、これらの残基の近くにある水分子の変化は、Glnでは消失し、Aspでは逆に大きくなっているので、水分子を介した変化が考えられる。
(2)細胞質側にあるThr46の変異タンパク質では、2分子の水の変化が消失している。そのうちの一つは、Asp96の変異でも消失することから、Thr-46の近くにあるAsp96の傍にある水と同定した。また、もう一つは、Val49のペプチドのカルボニル基に結合した水と同定した。これらの水分子は、シッフ塩基からAsp85へのプロトンの移動に関与していることも示した。また、水分子の変化や、Asp96のC=0の変化から、Val49とAsp96との水素結合による相互作用も示された。(1)の結果も含めて、細胞外に面したGlu204から、細胞質に近いAsp96への、水素結合のつながりを示すことができた。
(3)ロドプシンの乾燥フィルムでは、活性中間体であるメタロドプシンIIができない。その前駆体であるメタロドプシンIの構造を解析し、Glu122の変化が阻害されていることを示した。

Research Products

• [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 spectriscopy 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 intermadeiate of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 34. 7088-7093 (1995)
• [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 group at the extracellular surface of bacteriorhodopsin" J. Biol. Chem.270. 27122-27126 (1995)
• [Publications] Kandori, H.: "FTIR spectroscopy revals microscopic structural changes of the protein around the rhodopsin chromophore upon photoisomerization." Biochemistry. 34. 14220-14229 (1995)
• [Publications] Nishimura, S.: "Structural changes in the lumirhodopsin-to-metarhodopsin I conversion of air-dried bovine rhodopsin." Biochemistry. 34. 16758-16763 (1995)