バクテリオロドプシンのプロトンポンプ機構-赤外分光法と部位誘発変異による解析

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06044123
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 前田 章夫 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20012370)
• 研究分担者: OTTOLENGHI M エルサレムヘブリュー大学物理化学教室, 教授 ; LANYI Janos カリフォルニア大学アーバイン校生理学生物物理学教室, 教授 ; 神取 秀樹 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (70202033)
• キーワード: バクテリオロドプシン / 変異タンパク質 / フーリエ変換赤外分光法 / プロトンポンプ / クロライド / 水分子 / 光反応過程 / 水素結合

研究概要

研究代表者前田の属する京都グループは、米国側の共同研究者であるLanyiやイスラエルのOttolenghiらとのアイデアを交換しながら、Lanyiらの作るバクテリオロドプシンの変異蛋白質を使い、光反応過程でのフーリエ変換赤外スペクトル(FTIR)を測定した。その結果、以下の成果が得られた。
(1)M中間体の生成にともなって起こるプロトンの放出は、Glu204から行われることが明らかにされた。このGlu204とAsp85との間にあるArg82も含めた水分子の関与する水素結合の構造を、これらの変異蛋白質の赤外スペクトルから解析したところ、Arg82とGln204との相互作用における水素結合の重要性が示唆された。それに対応したその間を結ぶ水分子の変化を見い出した。
(2)レチナ-ルと細胞質の間にあるVal49、Asp96、Thr46などが作る構造体において、これまであまり注目されてこなかった水分子やペプチドのカルボニル基の役割が、変異蛋白質や重原子ラベル法を使った赤外吸収スペクトルから明らかになった。
(3)Asp85をThrに変えた変異蛋白質では、プロトンポンプができないが、クロライドを運搬できる。その際クロライドが、野生型のAsp85のように水分子と水素結合を形成していることが赤外スペクトルから明らかになった。
(4)ロドプシンの中間体のひとつ、メタIIがG蛋白質を活性化するときのコンプレックスの赤外スペクトルを測定することに成功した。その構造を、メタIIの赤外スペクトルと比較したところいくつかのペプチド結合の変化が確認された。

研究成果

• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] Hatanaka,M.: "Effects of Arginine-82 on the Interactions of Internal Water Molecules in Bacteriorhodopsin." Biochemistry. 35. 6308-6312 (1996)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] 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)
• [文献書誌] Richter,H.-T.: "Relationship of Retinal Configuration and Internal Proton Transfer at the End of the Bacteriorhodopsin Photocycle." Biochemistry. 35. 15461-15466 (1996)
• [文献書誌] Maeda,A.: "Application of FT-IR spectroscopy to the structural study on the function of bacteriorhodopsin." Israel J.Chem.35. 387-400 (1996)
• [文献書誌] Nishimura,S.: "Structural Dynamics of Water and the Peptide Backbone around the Schff Base Associated with the Light-Activated Process of Octopus Rhodopsin." Biochemistry. 36. 864-870 (1997)
• [文献書誌] Maeda,A.: "Intramembrane Signaling Mediated by Hydrogen-Bonding of Water and Carboxyl Groups in Bacteriorhodopsin and Rhodopsin." J.Biochem.121(in press). (1997)
• [文献書誌] Maeda,A.: "Membrane Proteins Structure,Function and Expression Control" Kyushu University Press, 9 (1997)