時間分解振動分光法による膜蛋白質プロトン輸送ダイナミクスの解明

• 研究課題/領域番号: 23550022
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 兵庫県立大学
• 研究代表者: 中島 聡 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 准教授 (80263234)
• 研究期間 (年度): 2011-04-28 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2013年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2012年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2011年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: チトクローム酸化酵素 / 時間分解赤外分光法 / 共鳴ラマン分光法 / プロトンポンプ / 蛋白質ダイナミクス / 膜蛋白質 / 共役機構 / 蛋白質 / 新規赤外分光法 / 溶液内タンパク質 / 酸素還元反応 / 赤外分光

研究成果の概要

チトクロムc酸化酵素(CcO)の酸素の水への還元反応とプロトンプロトンポンプの共役機構を解明するため、反応が観測できるフローシステムを開発した。その結果反応初期過程において、ヘムa3とHisの蛋白質ー反応サイト間の相互作用が迅速に変化して酸素親和性を調整するとともに、プロトンポンプ経路上のゲートの開閉を同期して行っていることがわかった。これは実時間で共役機構が実験的に観測された初めての例である。また、酸素がヘムa3に配位する前にCuBに配位して、反応開始のタイミングを調整していることも明らかになった。これらのことは酸素還元反応自体がプロトンポンプ機構を制御していることを示している。

研究成果

• [雑誌論文] Infrared and Raman spectroscopic investigation of the reaction mechanism of cytochrome c oxidase (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Takashi Ogura, Teizo Kitagawa
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1847 号: 1 ページ: 86-97
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2014.08.002
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effective Pumping Proton Collection Facilitated by a Copper Site (CuB) of Bovine Heart Cytochrome c Oxidase, Revealed by a Newly Developed Time-resolved Infrared System (2013)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kubo, Satoru Nakashima, Satoru Yamaguchi, Takashi Ogura, Masao Mochizuki, Jiyoung Kang, Masaru Tateno, Kyoko Shinzawa-Itoh, Koji Kato and Shinya Yoshikawa
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 288 号: 42 ページ: 30259-30269
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.473983
  • 査読あり
• [雑誌論文] An intermediate conformational state during ligand binding to cytochrome c oxidase detected by time-resolved resonance Raman analyses of heme peripheral groups (2012)
  • 著者名/発表者名: Izumi Ishigami, Takeshi Nishigaki, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima and Takashi Ogura
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 2 号: 2 ページ: 178-180
  • DOI: 10.1246/cl.2012.178
  • NAID: 130004426495
  • 査読あり
• [雑誌論文] Site-specific protein dynamics in communication pathway from sensor to signaling domain of oxygen sensor protein, HemAT-Bs : time-resolved ultraviolet resonance Raman study (2012)
  • 著者名/発表者名: S. El-Mashtoly, M. Kubo, Y. Gu, H. Sawai, S. Nakashima, T. Ogura, S. Aono, T. Kitagawa
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 287 号: 24 ページ: 19973-19984
  • DOI: 10.1074/jbc.m112.357855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Highly Sensitive Nanosecond Time-Resolved IR Apparatus Applicable to Protein System in H2O (2012)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima*, Minoru Kubo, Satoru Yamaguchi, Takashi Ogura, Masao Mochizuki, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa
  • 雑誌名: Biophys. Biochim. Acta 巻: 1817 ページ: 150-150
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2012.06.395
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis, Characterization, and Reactivity of Hypochlorito-Iron(III) Porphyrin Complexe (2012)
  • 著者名/発表者名: Zhiqi Cong, Sachiko Yanagisawa, Takuya Kurahashi, Takashi Ogura, Satoru Nakashima, and Hiroshi Fujii
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 134 号: 51 ページ: 20617-20620
  • DOI: 10.1021/ja3108774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Dynamics of<i>Ec</i>DOS Heme Domain Revealed by Time-Resolved Ultraviolet Resonance Raman Spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: El-Mashtoly, Samir; Kubo, Minoru; Nakashima, Satoru; Shimizu, Toru; Kitagawa, Teizo
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 2 号: 17 ページ: 2212-2217
  • DOI: 10.1021/jz201017y
  • 査読あり
• [学会発表] Newly developed systems of time-resolved IR spectroscopy for elucidating the oxygen reduction reaction of cytochrome c oxidase (2015)
  • 著者名/発表者名: Chen Li、西口達人、新澤-伊藤恭子、吉川信也、中島聡、小倉尚志
  • 学会等名: 第15回蛋白質学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島県徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24
• [学会発表] チトクロムc酸化酵素の反応初期過程の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西口達人、Chen Li、新澤-伊藤恭子、吉川信也、中島聡、小倉尚志
  • 学会等名: 日本化学会第95回春季年会
  • 発表場所: 日本大学（千葉県船橋市）
  • 年月日: 2015-03-28
• [学会発表] The time-resolved resonance Raman study(TR3) on the dynamics of cytochrome c oxidase (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川善之、新澤-伊藤恭子、吉川信也、中島聡、小倉尚志
  • 学会等名: 日本化学会第95回春季年会
  • 発表場所: 日本大学（千葉県船橋市）
  • 年月日: 2015-03-27
• [学会発表] Vibrational spectroscopic studies of the coupling mechanism in the initial stage of the reaction of cytochrome c oxidase (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Izumi Ishigami, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: 2nd Institute of Picobiology International Symposium
  • 発表場所: KAST（兵庫県赤穂郡上郡町）
  • 年月日: 2014-10-07
• [学会発表] チトクローム酸化酵素の反応初期過程における共役機構の解明 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中島 聡・久保 稔・石上 泉・新澤-伊藤 恭子・吉川 信也・小倉 尚志
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • 年月日: 2014-09-25
• [学会発表] チトクロムc酸化酵素の酸素還元反応の時間分解赤外吸収測定を目的とした酸素肺フローシステムの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西口達人、新澤-伊藤恭子、吉川信也、中島聡、小倉尚志
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • 年月日: 2014-09-25
• [学会発表] 振動分光法による蛋白質機能の研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中島聡
  • 学会等名: 生物無機化学夏期セミナー
  • 発表場所: 圓教寺会館（兵庫県姫路市）
  • 年月日: 2014-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解振動分光法でみたチトクローム酸化酵素の反応初期過程での共役機構 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中島 聡、久保 稔、石上 泉、新澤-伊藤 恭子、吉川 信也、小倉 尚志
  • 学会等名: 第４１回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 九州大学西新プラザ（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2014-06-06
• [学会発表] チトクローム酸化酵素の反応初期過程での共役機構 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中島 聡、久保 稔、石上 泉、新澤-伊藤 恭子、吉川 信也、小倉 尚志
  • 学会等名: 第６回日本生物物理学会中四国支部大会
  • 発表場所: とりぎん文化会館（鳥取県鳥取市）
  • 年月日: 2014-05-17
  • 招待講演
• [学会発表] チトクロム c 酸化酵素の酸素還元反応の時間分解赤外吸収測定を目的とした酸素肺フローシステムの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 中島聡・西口達人・久保稔・望月正雄・新澤恭子・吉川信 也・小倉尚志
  • 学会等名: 化学会第９３回春期年会
  • 発表場所: 立命館大学くさつキャンパス（滋賀県）
• [学会発表] Proton Pump Mechanism of Cytochrome c Oxidase Elucidated by Highly Sensitive Time-Resolved IR Spectroscopy (2012)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Satoru Yamaguchi, Takashi Ogura, Masao Mochizukia, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa
  • 学会等名: Internatinal Conference on Porphyrin and Phtalocyanin 7
  • 発表場所: 韓国済州島
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Highly Sensitive Nanosecond Time-Resolved IR Apparatus Applicable to Protein System in H2O (2012)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Satoru Yamaguchi, Takashi Ogura, Masao Mochizuki, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa
  • 学会等名: Europian Bioenergetic Conference 2012
  • 発表場所: ドイツ、フライブルグ
• [学会発表] Nanosecond time-resolved infrared basis for a bulge of the transmembrane helix between hemes a and a3 to facilitate highly efficient proton pumping by bovine heart cytochrome c oxidase (2012)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Shinya Yoshikawa, Minoru Kubo, Satoru Yamaguchi, Takashi Ogura, Masao Mochizuki, JiYoung Kang, Masaru Tateno, Kazumasa Muramoto, Kyoko Shinzawa-Itoh
  • 学会等名: Europian Bioenergetic Conference 2012
  • 発表場所: ドイツ、フライブルグ
• [学会発表] An Intermediate Conformation of Cytochrome Oxidase in the Ligand-Free State Identified by Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy (2012)
  • 著者名/発表者名: Izumi Ishigami, Takeshi Nishigaki, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, Takashi Ogura
  • 学会等名: 第５０回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス（愛知県）
• [学会発表] ポンプ・プローブレーザーと同期したパルスフローシステムの開発 とそれを用いたタンパク質の時間分解赤外分光解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kubo , Satoru Nakashima , Masao Mochizuki , Kyoko Shinzawa-Itoh , Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: 第５０回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス（愛知県）
• [学会発表] チトクロム酸化酵素のリガンド解離構造ダイナミクス：新規高精度時間分解赤外分光装置を用いた追跡 (2011)
  • 著者名/発表者名: 中島聡, 久保稔, 山口悟, 望月正雄, 伊藤-新澤恭子, 吉川信也, 小倉尚志
  • 学会等名: 生体分子科学討論会
  • 発表場所: つくば大学（茨城県）
• [学会発表] Dynamic Regulation of Water Channel Gate in Cytochrome c Oxidase Probed by a Newly Developed Time-Resolved IR Spectrometer (2011)
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Satoru Yamaguchi, Masao Mochizuki, Kyoko Shinzawa, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: International Symposium
  • 発表場所: 札幌市（北海道）
• [学会発表] 水溶液中のタンパク質の高感度時間分解赤外分光測定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 久保稔, 山口悟, 望月正雄, 伊藤-新澤 恭子, 吉川信也, 小倉尚志, 中島聡
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道）
• [学会発表] チトクロムc酸化酵素のタンパク質構造ダイナミクスと反応機構：共鳴ラマン分光法 (2011)
  • 著者名/発表者名: Izumi Ishigami, Takeshi Nishigaki, Satoru Nakashima, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: 生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大（兵庫県）
• [学会発表] ウシ心筋チトクロムc酸化酵素における水チャネルの動的ゲーティング機構：新規時間分解赤外分光光度計を用いた解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 久保稔, 山口悟, 望月正雄, 伊藤-新澤 恭子, 吉川信也, 小倉尚志, 中島聡
  • 学会等名: 生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大（兵庫県）
• [学会発表] チトクロムc酸化酵素のCN光解離反応機構：共鳴ラマン分光法 (2011)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Nishigaki, Izumi Ishigami, Satoru Nakashima, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: 生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大（兵庫県）
• [学会発表] フェムト秒レーザを用いた高感度時間分解赤外分光装置の開発と蛋白質への応用 (2011)
  • 著者名/発表者名: 久保稔, 山口悟, 望月正雄, 伊藤-新澤 恭子, 吉川信也, 小倉尚志, 中島聡
  • 学会等名: 日本分光学会
  • 発表場所: 理研横浜研究所（神奈川県）
• [学会発表] チトクロム酸化酵素におけるプロトンポンプのゲート機構 -高精度時間分解赤外分光法によるダイナミクスの解明- (2011)
  • 著者名/発表者名: 中島 聡
  • 学会等名: 特定領域「高次系」合同班会議(招待講演)
  • 発表場所: 沖縄残波岬ロイヤルホテル（沖縄県）
• [学会発表] チトクロムｃ酸化酵素の酸素還元反応の時間分解赤外吸収測定を目的とした酸素肺フローシステムの開発と評価
  • 著者名/発表者名: 西 口達人・引田理英・新澤-伊藤恭子・吉川信也・中島 聡・小倉尚志
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県）
• [学会発表] 時間分解振動分光法によるチトクローム酸化酵素の反応初期過 程
  • 著者名/発表者名: 中島 聡・久保 稔・石上 泉・新澤-伊藤恭子・吉川信也・小倉尚志
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県）
• [学会発表] Proton pumping mechanism by dynamic hydrogen bond ordering in cytochrome c oxidase
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
  • 発表場所: キャンパスプラザ京都（京都府）
• [学会発表] Development of the flow system with an artificial oxygen lung aimed at measuring time-resolved IR spectra of the oxygen reduction reaction of cytochrome c oxidase
  • 著者名/発表者名: Tatsuhito Nishiguchi, Masahide Hikita, Kyoko Sinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, and Takashi Ogura
  • 学会等名: 第1回ピコバイオロジー研究所国際シンポジウム
  • 発表場所: 理研播磨地区（兵庫県）
• [学会発表] Initial reaction dynamics of bovine heart cytochrome c oxidase revealed by time-resolved vibrational spectroscopy
  • 著者名/発表者名: Satoru Nakashima, Minoru Kubo, Izumi Ishigami, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Takashi Ogura
  • 学会等名: 第1回ピコバイオロジー研究所国際シンポジウム
  • 発表場所: 理研播磨地区（兵庫県）
• [学会発表] Development of the flow system with an oxygen lung aiming at IR measurement on the oxygen reduction reaction of cytochrome c oxidase
  • 著者名/発表者名: Tatsuhito Nishiguchi, Masahide Hikita, Kyoko Shinzawa-Itoh, Shinya Yoshikawa, Satoru Nakashima, Takashi Ogura
  • 学会等名: 日本生物物理学会第５１回年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都府）
• [備考] ピコバイオロジー専攻・生体物質構造学Ⅱ分野
  • URL: http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/life/biophys2/biophys2_2013/main_japanese.htm
• [備考] ピコバイオロジー専攻・生体物質構造学II分野
  • URL: http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/life/biophys2/biophys2_2013/main_japanese.htm