バクテリオロドプシンの構造のゆらぎと機能

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10157220
• 研究機関: 姫路工業大学
• 研究代表者: 斉藤 肇 姫路工業大学, 理学部, 教授 (30100150)
• 研究分担者: 辻 暁 姫路工業大学, 理学部, 助手 (60227387) ; 内藤 晶 姫路工業大学, 理学部, 助教授 (80172245)
• キーワード: 膜蛋白質 / バクテリオロドプシン / ダイナミックス / NMR / 骨格構造

研究概要

バクテリオロドプシン(bR)は、光駆動プロトンポンプ活性を有する代表的な光受容蛋白質である。bRの野生株および種々の部位特異変異体について、[3-^<13>C]Alaおよび[1-^<13>C]Val標識蛋白質を調製し、主要な残基の^<13>CNMR信号の帰属を行い以下の結果を得た。
(A) 金属イオン結合サイト bRは金属イオンの除去によりプロトンポンプ活性を消失する。この間の色の変化を、蛋白骨格のコンホメーション変化と、膜表面のpH低下であることを明らかにした。金属イオンは特定残基に結合せず、細胞質、細胞外にあるサイト間の速い化学交換状態にある。特に、2価イオンが最も強く相互作用をするサイトはF-GループのAla196付近と特定した。
(B) M様中間体 bRのM中間体を室温でトラップできる変異株、D85Nの^<13>CNMRスペクトルから、Asp85のプロトン化によりレチナールとの相互作用が著しく減少し、ループのみならず膜貫通へリックス領域に生じるコンホメーション変化と、ms-μsオーダーの揺らぎが新たに生じるダイナミックスの変化が誘起された。
(C)プロトン移動経路におけるコンホメーションカップリング 光反応にともなって起こる細胞外側へのプロトンの放出、細胞質側でのプロトンの取り込みの各ステップは、プロトンが移動する経路に関与するアミノ酸残基の局部的なコンホメーション変化として捉えることが出来る。実際、Asp96-Thr46-Val49-Asp85ドメインのT46V,D96Nなどの変異株から、それぞれのステップにおいて起こる構造変化の“スナップショット"を室温で見ることにより、水素結合あるいはその他の相互作用により、内部、細胞質、外側にある残基間の構造のクロストークすなわちコンホメーションカップリングを直接観測することが出来た。

研究成果

• [文献書誌] S.Yamaguchi: "Stability of C-Terminal α-Helical Domain of Bacteriorhodopsin Protruding from the Membrane Surface as Studied High-resolution Solid-state ^<13>C NMR" Journal of Biochemistry. 123. 78-86 (1998)
• [文献書誌] H.Saito: "Contormation and Dynamics of Membrane Proteins and Biological Active Peptides as Studied by High-resolution Solid-state ^<13>C NMR" Journal of Molecular Structure. 441. 231-242 (1998)
• [文献書誌] A.Naito: "Backbone Dynamics of Polycrystalline Peptides Studied by Measurements of ^<115>N NMR Lineshpes and ^<13>C Transverse Relaxation Times" Journal of Molecular Structure. 441. 137-148 (1998)
• [文献書誌] M.Kamihira: "A High-resolution Solid-state ^<13>C and ^<15>N NMR Study on Crystalline Leu and Met-enkephalin Distinctionf Polymorphs,Backbone Dynamics and Local Conformational" Journal of Physical Chemistry B. 102. 2826-2834 (1998)
• [文献書誌] A.K.Dioumaev: "Existence of a Proton Transter Chain in Bacteriorhodopsin: Participation of Glu 194 in the Release of Protons to the Extracelluar Surface" Biochemistry. 37. 2496-2506 (1998)
• [文献書誌] T.Iwasa: "^<19>.F-NMR and UV-Vis Absorption Spectroscopic Studies of Fluorinated Octopus Rhodopsin and Its Photoproducts" Journal of Physical Chemistry A. 102. 5602-5610 (1998)
• [文献書誌] K.Nishimura: "Determnation of Three-Dimensional Structure of Crystalline Dihydrate Based on Accurately Determined Six Sets of Interatomic Distances from ^<13>C REDOR NMR...." JOurnal of Physical Chemictry B. 102. 7476-7483 (1998)
• [文献書誌] M.Tanio: "Evidence of Local Conformational Fluctuations and Changes in Bacteriorhodopsin,Depending on Lipids,Detergents and Trimeric Structure as Studied by ^<13>C NMR" Biochimica et Biophysica Acta. 1375. 84-92 (1998)
• [文献書誌] S.Tuzi: "Localization of a Cation Binding Site in the Loop between Helices F and G of Bacteriorhodopsin,as Studied by ^<13>C NMR" Biophysical Journal. 76. 1523-1531 (1999)
• [文献書誌] 斉藤 肇: "膜蛋白質構造の固体高分解能NMRによる解析" 膜. 23. 162-168 (1998)
• [文献書誌] H.Saito,S.Tuzi and A.Naito: "Annual Report on NMR Spectroscopy,Vol.36" Academic Press,London,UK, 44 (1998)
• [文献書誌] H.Saito,S.Tuzi and A.Naito: "Solid State NMR of Phlymers" Elesevior,Amsterdam,The Netherland, 28 (1998)
• [文献書誌] A..Naito,S.Tuzi and H.Saito: "Solid State NMR of polymers" Elsevior,Amsterda,The Netherland, 30 (1998)