蛋白質の時間分解構造揺らぎと高速高次構造変化

• 研究課題/領域番号: 13853002
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 寺嶋 正秀 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (00188674)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 121,550千円 (直接経費: 93,500千円、間接経費: 28,050千円); 2005年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円); 2004年度: 21,320千円 (直接経費: 16,400千円、間接経費: 4,920千円); 2003年度: 21,450千円 (直接経費: 16,500千円、間接経費: 4,950千円); 2002年度: 30,680千円 (直接経費: 23,600千円、間接経費: 7,080千円); 2001年度: 35,880千円 (直接経費: 27,600千円、間接経費: 8,280千円)
• キーワード: 熱力学 / 時間分解 / レーザー分光 / 過渡回折格子 / 蛋白質 / 光反応 / ダイナミクス / 拡散 / 蛋白質拡散 / 反応ダイナミクス / 分子間相互作用 / 蛋白質折りたたみ反応 / 過渡回折格子法 / 分子拡散 / 高速エネルギー変換 / 光合成蛋白質 / 体積変化 / 拡散係数 / 構造変化

研究概要

本研究で開発してきた時間分解熱力学量測定手法やその他の新しく開発した手法を用いて、種々の蛋白質の関与する反応に関して以下のような成果を得てきた。
ミオグロビンを光励起した後の蛋白質ダイナミクスについて、エネルギーの放出と蛋白質構造変化のダイナミクスを明らかにした。観測されたエネルギーや体積変化の分子論的解釈を行うため、1アミノ酸残基置換ミュータントを作成し、蛋白の動くエネルギー曲面を決めた。リガンドの放出される機構が、中間体の揺らぎの増大のためであることを熱力学量から明らかにした。また、Xeの圧力依存性を調べることで、解離したリガンドの存在する場所とXeトラップサイトとの関係を明らかにし、放出経路を決定することに成功した。
蛸のロドプシン反応に適用し、エネルギーや分子体積の観点でそのダイナミクスを検討し直した。その結果、これまで過渡吸収で捉えられていた中間体以外に、新しい過程が発見された。更に、各中間体のエンタルピー変化と体積変化を、反応が起こる条件下で時間分解測定することに成功した。これは室温で実際に反応している最中に蛋白質がどのようなエネルギー曲面の上を動いているかをはじめて明らかにしたものである。
またPhotoactive Yellow Protein(PYP)という光受容蛋白質の光反応に対して本手法を適用した結果、数ナノ秒で生成する中間体における蛋白構造の「緩み」に対して新たな知見を得た。機能する上で中間体として揺らぎの大きなやわらかい構造をとる特徴を見出したといえる。
更に、蛋白質の拡散係数(D)が、反応とともに如何に変化するかを計測できる手法を開発することに成功した。この手法を、チトクロムcという電子移動にかかわる蛋白質の、折りたたみ反応を明らかにするために用い、初めて蛋白質折りたたみ反応における分子間相互作用の時間分解研究が可能となった。

研究成果

• [雑誌論文] Diffusion coefficients as a monitor of reaction kinetics of biological molecules. (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Terazima
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phys. 8 ページ: 545-557
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Diffusion coefficients as a monitor of reaction kinetics of biological molecules (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Terazima
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phys. 8 ページ: 545-557
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Conformational dynamics of phototropin 2 LOV2 domain with the linker upon photoexcitation. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Eitoku
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 13238-13244
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Conformational dynamics of Phototropin 2 LOV2 domain with the linker upon photoexcitation. (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Eitoku
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 13238-13244
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Conformational dynamics of Phototropin 2 LOV2 domain with the linker upon photoexcitation (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Eitoku
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 13238-13244
• [雑誌論文] Initial temporal and spatial changes of the refractive index induced by focused femtosecond pulsed laser irradiation inside a glass (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Sakakura
  • 雑誌名: Phy.Rev.B. 71・024113 ページ: 1-12
• [雑誌論文] Hydrogen bonding dynamics during protein folding of reduced cytochrome c : temperature and denaturant concentration dependence (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Nishida
  • 雑誌名: Biophys.J. 89 ページ: 2004-2010
• [雑誌論文] A biosensor in time-domain based on the diffusion coefficient, measurement : Intermolecular interaction of an intermediate of Photoactive Yellow Protein (2005)
  • 著者名/発表者名: J.S.Khan
  • 雑誌名: Anal.Chem. 77 ページ: 6625-6629
• [雑誌論文] 時間分解熱力学法が開く蛋白質反応ダイナミクスの全体像 (2005)
  • 著者名/発表者名: 寺嶋正秀
  • 雑誌名: 現代化学 7月 ページ: 32-38
• [雑誌論文] The escape process of carbon monoxide from myoglobin to solution at physiological temperature. (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nishihara
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 11877-11888
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Time-resolved detection of the Sensory Rhodopsin II-HtrII interaction. (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Inoue
  • 雑誌名: Biophys.J. 87 ページ: 2587-2597
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Experimental verification of the Stokes-Einstein-Smolchowski theory for a bimolecular diffusion-controlled reaction in liquid phase. (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Arita
  • 雑誌名: J.Chem.Phys. 120 ページ: 7071-7074
• [雑誌論文] A novel method for measurement of diffusion coefficients of proteins and DNA in solution. (2004)
  • 著者名/発表者名: N.Baden
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 393 ページ: 539-545
• [雑誌論文] Oscillation of refractive index at the focal region of a femtosecond laser pulse inside a class. (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Sakakura
  • 雑誌名: Opt.Lett. 29 ページ: 1548-1550
• [雑誌論文] Dynamics of water soluble stilbene dendrimers upon photo-isomerization. (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Tatewaki
  • 雑誌名: J.Phys.Chem. B 108 ページ: 12783-12789
• [雑誌論文] 蛋白質の熱力学量ダイナミクス (2004)
  • 著者名/発表者名: 寺嶋正秀
  • 雑誌名: パリティ 01 ページ: 58-60
• [雑誌論文] Time-resolved thermodynamic properties of intermediate species during photochemical reactions. (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Terazima
  • 雑誌名: Bull.Chem.Soc.Jpn. 77 ページ: 23-41
• [雑誌論文] A novel method for study of protein folding kinetics by monitoring diffusion coefficient in time domain. (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Nada
  • 雑誌名: Biophys.J. 85 ページ: 1876-1881
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structural change of site-directed mutants of PYP : New dynamics during pR state. (2002)
  • 著者名/発表者名: K.Takeshita
  • 雑誌名: Biophys.J. 83 ページ: 1567-1577
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] フェムト秒過渡回折格子法と過渡レンズ法による高速エネルギー・構造変化ダイナミクス観測 (2006)
  • 著者名/発表者名: 寺嶋正秀
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: 化学同人
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 拡散定数変化による蛋白質の会合検出方法及び装置 (2002)
  • 発明者名: 寺嶋正秀
  • 権利者名: 寺嶋正秀
  • 産業財産権番号: 2002-197171
  • 出願年月日: 2002-07-05
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.Miyata: "Transient thermal expansion of a protein in solution after photo-excitation of the chromophore : deoxymyoglobin"Bull.Chem.Soc.Jpn.. 76. 1707-1712 (2003)
• [文献書誌] J.Choi: "Photoreaction of caged ATP studied by the time-resolved transient grating method"Photochem.Photobiol.Sci.. 2. 767-773 (2003)
• [文献書誌] J.Choi: "Energy and Volume Changes Induced by Photo-initiated Proton Releasing Reaction with Apomyoglobin"Rev.Sci.Instrum.. 74. 319-321 (2003)
• [文献書誌] R.Miyata: "Photothermal processes on a fast time scale : a small molecule and a biological protein"Rev.Sci.Instrum.. 74. 884-888 (2003)
• [文献書誌] J.Choi: "Photochemical reaction of 2-nitrobenzaldehyde by monitoring the diffusion coefficient"J.Phys.Chem.A. 107. 9552-9557 (2003)
• [文献書誌] 寺嶋正秀: "レーザーによる蛋白質機能解析の新技術"医学のあゆみ. 204. 751-752 (2003)
• [文献書誌] K.Takeshita: "Themodynamical and transport properties of intermediate states of photo-cyclic reaction of photoactive yellow protein"Biochemistry. 41. 3037-3048 (2002)
• [文献書誌] M.Sakakura: "Structural dynamics of distal histidine replaced mutants of myoglobin accompanied with the photodissociation reaction of the ligand"Biochemistry. 41. 4837-4846 (2002)
• [文献書誌] Y.Nishioku: "Energetics and Volume Changes of the Intermediates in the Photolysis of Octopus Rhodopsin at a physiological temperature"Biophy.J.. 83. 1136-1146 (2002)
• [文献書誌] K.Takeshita: "Structural change of site-directed mutants of PYP : New dynamics during pR state"Biophys.J.. 83. 1567-1577 (2002)
• [文献書誌] J.Choi: "Denaturation of a protein monitored by diffusion coefficients : Myoglobin"J.Phys.Chem.B. 106. 6587-6593 (2002)
• [文献書誌] J.Choi: "Energy and Volume Changes Induced by Photo-initiated Proton Releasing Reaction with Apomyoglobin"Rev.Sci.Instrum. 74. 319-321 (2003)
• [文献書誌] J.Choi: "A pHjump reaction studied by the transient gtating method : Photodissociation of o-nitro-benzaldehyde"J.Phys.Chem.A. 105. 12-18 (2001)
• [文献書誌] M.Sakakura: "Dynamics of structure and energy of horse carboxymyoglobin after photodissociation of the carbon monoxide"J.Am.Chem.Soc.. 123. 4286-4294 (2001)
• [文献書誌] Y.Nishioku: "A spectrally silent transformation in the photolysis of octopus rhodopsin : a protein conformational change without any accompanying change of the chromophore's absorption"Biophy.J.. 80. 2922-2927 (2001)
• [文献書誌] K.0kamoto: "Translational Diffusion of lon Radicals Created by Electron Transfer in Charged Micellar Solutions probed by the Transient Grating Method and the Taylor Dispersion Method"J.Phys.Chem.A. 105. 6586-6593 (2001)
• [文献書誌] T.Ohmori: "Thermal diffusivities and sound velocities of supercritical methanol and ethanol measured by the transient qratinq method"Phys.chem.chem.Phys.. 3. 3994-4000 (2001)
• [文献書誌] M.Sakakura: "The structural dynamics and ligand releasing process after the photodissociation of sperm whale carboxymyoglobin"J.Phys.Chem.B. 105. 10424-10434 (2001)