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

1996 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 / フーリエ変換赤外分光法 / 変異タンパク質 / プロトンポンプ / 光化学反応 / ロドプシン / Gタンパク質 / 水素結合

Research Abstract

バクテリオロドプシンに低温法あるいは時間分解法を使い、優れた精度で反応の中間段階をとらえ、その各々の構造を明らかにすることで全過程のダイナミクスを理解することを目指し、光反応によってひきおこされる官能基や分子内の水、さらにはペプチド鎖のカルボニル基の変化を、種々の変異蛋白質、特異的に重原子でラベルした標品を用い、フーリエ変換赤外(FTIR)スペクトルに現われる振動バンドの変化から解析した。その結果、LからMに至る過程で細胞質側に起こされる水分子を中心にした変化を解明し、プロトン放出からとりこみに至る機構についての知見がえられた。
(i)バクテリオロドプシンの光化学反応のL中間体において、シッフ塩基の対オインであるAsp85に配位した水分子がさらに、中間にVal49のC=Oとそれに配置した水分子をはさんで水素結合で連なっていること、その先にさらにAsp96に至る水素結合系があることを見い出した。M中間体ではこのVal49とAsp85の近傍の水分子の変化が消失し、細胞質側にプロトン移動のための水分子の変化が生じる。また、Arg82とGlu204の作るプロトン放出系についても水分子の作る水素結合系の関与を示した。
(ii)ロドプシンの活性中間体であるメタロドプシンIIがG蛋白質とコンプレックスを生成するときに起こる変化を調べ、ペプチド骨格の変化を見い出した。それがどの残基によるのかGタンパク質の部分ペプチドを同位元素でラベルしたものを用いて調べている。またロドプシンの活性中心であるシッフ塩基の周辺に、水分子、およびペプチド骨格の作る構造体があることを示した。

Research Products

• [Publications] Yamazaki,Y.: "Hydrogen-bonds of water and c=o groups coordinate long-range structural changes in the L photointermediate of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 35,13. 4063-4068 (1996)
• [Publications] Hatanaka,M.: "Effects of arginine-82 on the interactions of internal water molecules in bacteriorhodopsin." Biochemistry. 35・20. 6308-6312 (1996)
• [Publications] Nishimura,S.: "Structural changes in the peptide backbone in complex formation between activated rhodopsin and transducin studied by FTIR spectroscopy." Biochemistry. 35,41. 13267-13271 (1996)
• [Publications] Chon,Y.-S.: "Hydration of the counterion of the Schiff base in the chloride transporting mutant of bacteriorhodopsin" Biochemistry. 35・45. 14244-14250 (1996)
• [Publications] Richter,H.-T.: "Relationship of retinal configuration and internal proton transfer at the end of the bacteriorhodopsin photocycle." Biochemistry. 35・48. 15461-15466 (1996)
• [Publications] Nishimura,S.: "Structural dynamics of water and the peptide backbone around the schiff base associated with the light-activated process of octopus rhodopsin." Biochemistry. 36. 864-870 (1997)
• [Publications] Kandori,H.: "Time-resolved FTIR study in the last steps of the photocycle of Glu-204 and Leu-93 mutants of bacteriorhodopsin." Biochemistry. (in press). (1997)
• [Publications] Maeda,A.: "Application of FTIR spectroscopy to the structural study on the function of bacteriorhodopsin." Israel J.Chem.35 3-4. 387-400 (1996)
• [Publications] Maeda,A.: "Intramembrane signaling mediated by hydrogen-bonding of water and carboxyl groups in bacteriorhodopsin and rhodopsin." J.Biochem.121・3. 399-406 (1997)
• [Publications] 前田章夫: "視覚のメカニズム" 裳華房, 142 (1996)