光受容イエロー蛋白質の発色機構および光反応に関する計算化学的研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12680653
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 櫻井 実 東京工業大学, 大学院・生命理工学研究科, 助教授 (50162342)
• Keywords: イエロー蛋白質 / 分子動力学シミュレーション / シグナル伝達 / 光反応サイクル / 動的構造

Research Abstract

イエロー蛋白質は、446nmの光を吸収し、光反応サイクルに入る。光反応サイクル中には2つ以上の反応中間体が存在するが、発色団の異性化の直後ナノ秒程度で生成するL中間体、引き続き発色団のフェノール性OH基のプロトン化により生成するM中間体がこの蛋白質の機能発現に重要である。特に後者はシグナル伝達状態と言われている。したがって、これらの中間体の水溶液中での構造を決定することは極めて重要であるが、実験的にはX線解析の結果とIRやNMRなどからの分光学的結果に矛盾があり議論の的となっている。本年度は、L中間体に対するマルチカノニカル分子動力学シミュレーションとM中間体の結晶状態に対するシミュレーションを実行することにより、これら実験間の矛盾を解決し正しい描像を得ることを目標にした。成果を具体的に述べると次の通りである。1)L中間体のマルチカノニカルシミュレーションは、その前駆体であるBL中間体のX線構造を初期構造として開始し、900Kから350Kの範囲におけるカノニカル分布を再現可能な5000個のコンホメーションをサンプリングした。この構造母集団から最低エネルギー状態を探索したり、350Kにおける構造からsimulated annealingを実行することにより、室温付近での安定構造を探索した。その結果50ループ付近のα-ヘリックスが崩れた構造が安定構造として見出された。2)M中間体の結晶状態のシミュレーション結果と前年度行った水溶液中の結果とを比較することにより、後者では大きく揺らいだ50ループと100ループが前者ではほとんど揺らがないことが判明した。これが前述した実験間の相違を説明すると考えられる。

Research Products

• [Publications] Minoru Sakurai, Mariko Shiozawa, Shohei Arai, Yoshio Inoue, Narutoshi Kamiya, Jyunichi Higo: "Molecular dynamics of the M intermediate of photoactive yellow protein in solution"Journal of Photoscience. 92. 134-137 (2002)
• [Publications] Minoru Sakurai, Keiko Sakata, Shino Saito, Sawako Nakajima, Yoshio Inoue: "Decisive Role of Electronic Polarization of the Protein Environment in Determining the Absorption Maximum of Halorhodopsin"Journal of the American Chemical Society. 125. 3108-3102 (2003)
• [Publications] Sawako Nakajima, Kazuki Ohno, Yoshio Inoue, Minoru Sakurai: "Quantum Chemical Study of the pKa Control Mechanism for the Active Center in Bacteriorhodopsin and Its M Intermediate"Journal of Physical Chemistry B. (印刷中). (2003)