バクテリオロドプシンのプロトン移動における水分子の役割

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07839003
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 神取 秀樹 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (70202033)
• Keywords: レチナ-ル蛋白質 / バクテリオロドプシン / 水 / プロトン移動 / 赤外分光 / 水素結合 / ダイナミクス / ロドプシン

Research Abstract

本研究ではバクテリオロドプシンにおいて観測された水分子の変化が、蛋白質内におるプロトン移動とどのように関与しているか明らかにすることを目的とした。変異蛋白質を駆使した赤外分光法により本年度は以下の成果が得られた。
(1)プロトンではなくクロライドを輸送するバクテリオロドプシン変異体の活性中心ではクロライドが水分子に水和された構造をとることがわかった。この場合、シッフ塩基とクロライドは水分子を挟んだ弱い水素結合環境にあるという知見が得られた。
(2)細胞外側ドメインに存在するArg82,Glu204の変異体を用いた研究から、この領域に存在する水分子が同定された。プロトン放出基であるGlu204からのプロトンの解離を制御するArg82はプロトンポンプの前後で活性中心との相互作用を変化させること、このとき水素結合構造が重要な役割をはたすことが明らかになった。
(3)細胞質側ドメインに存在するVal49の変異体を用いた実験から、活性中心と細胞質側のAsp96を結ぶ経路にはVal49を仲立ちとした水素結合ネットワークが存在することが明らかになった。この水素結合には水分子も関与しており、このネットワークを遠隔的な相互作用によるプロトン結合基のpKa変化をもたらすものと考えられる。
(4)我々の研究室でこれまで行ってきた赤外分光法は、冷却した試料に対して適用されてきた。しかしながら、バクテリオロドプシンの光反応は常温で進行するものである。そこで、ステップスキャン法を用いた時間分析赤外分光測定系を構築し、バクテリオロドプシンのO中間体の構造解析を行い、その構造を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Kandori,H.: "Real-Time Detection of 60-Femtosecond Isomerization in a Rhodopsin Analog Containing 8-membered-Ring-Retinal" J.Am.Chem.Soc.118. 1002-1005 (1996)
• [Publications] Yamazaki,Y.: "Hydrogen-bonds of water and C=O groups coordinate long-range structural changes in the L photointermediate of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 35. 4063-4068 (1996)
• [Publications] Hatanaka,M.: "Effects of arginine-82 on the interactions of internal water molecules in bacteriorhodopsin." Biochemistry. 35. 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. 13267-13271 (1996)
• [Publications] Chon,Y.-S.: "Hydration of the counterion of the Schiff base in the chloride transporting mutant of bacteriorhodopsin:FTIR and FT-Raman studies on the effects of anion binding when Asp85 is replaced with a neutral residue." Biochemistry. 35. 14244-14250 (1996)
• [Publications] Richter,H.-T.: "Relationship of retinal configuration and internal proton transfer at the end of the bacteriorhodopsin photocycle." Biochemistry. 35. 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 of structural changes in the last steps of the photocycles of Glu-204 and Leu-93 mutants of bacteriorhodopsin." Biochemistry. 36(in press). (1997)
• [Publications] Maeda,A.: "Intramembrane signaling mediated by hydrogen-bonding of water and carboxyl groups in bacteriorhodopsin and rhodopsin." J.Biochem.121(in press). (1997)
• [Publications] 神取秀樹: "バクテリオロドプシンとハロロドプシン" 化学. 51. 368-373 (1996)
• [Publications] 神取秀樹: "バクテリオロドプシンはどのようにして光をエネルギーに変換するのか?" 蛋白質核酸酵素. 42. 101-109 (1997)