レチナール光受容からプロトンポンプまでの動的過程

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13024242
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学部, 助教授 (70202033)
• キーワード: レチナール / 光異性化反応 / プロトン移動 / 赤外分光法 / 光反応中間体 / 水素結合ネットワーク / 内部結合水 / 同位体効果

研究概要

レチナールは視覚やバクテリアの光合成における鍵物質として、光受容から機能発現への道筋を橋渡しする分子である。本研究では、バクテリオロドプシンをはじめとするロドプシン類の鍵物質であるレチナールに注目し、レチナールの異性化反応がどのように一方向へのプロトンの輸送や情報伝達といった機能をもたらすのか明らかにすることを目指した。平成14年度は、低温偏光赤外分光などを用いた実験的研究により、以下のような研究成果が得られた。
バクテリオロドプシンのレチナールシッフ塩基は、異性化反応においても、プロトン移動反応においても重要な役割を演じる。このN-H基がどのような配向をしているかを低温偏光赤外分光法により調べたところ、異性化によって膜に平行に配向することがわかった。シッフ塩基領域にねじれをもった初期中間体の生成は、光エネルギーの取込やその後のプロトン移動過程に重要な役割を演じるものと考えられる。
光をエネルギーに変換するバクテリオロドプシンに対して、同じ古細菌ロドプシンでありながらフォボロドプシンは伝達蛋白質を活性化することによって光を情報へと変換する。そして伝達蛋白質が存在しないとプロトンをポンプすることが知られている。そこで、バクテリオロドプシンを対照としたフォボロドプシンの低温赤外分光による構造変化の解析を行った。例えばバクテリオロドプシンとフォボロドプシンの発色団レチナールから5Å以内には25個のアミノ酸が存在するが、そのうち10個が異なっている。その10個をすべてバクテリオロドプシンのものに置換したフォボロドプシンの多重変異体は吸収がバクテリオロドプシンのようにならないことがわかっていた。そこで多重変異体の構造解析を行い、シッフ塩基の水素結合の強さが吸収波長と直接的な相関をもつことを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Nagata et al.: "Isomer-Specific Interaction of the Retinal Chromophore with Threonine-118 in Rhodopsin"J.Phys.Chem.A. 106. 1969-1975 (2002)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Excited-State Dynamics of pharaonis Phoborhodopsin Probed by Femtosecond Fluorescence Spectroscopy"J.Phys.Chem.A. 106. 2091-2095 (2002)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Photoisomerization of the Rhodopsin Chromophore in Clay Interlayers at 77 k"Chem.Phys.Lett.. 354. 251-255 (2002)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Interaction of Asn105 with the Retinal Chromophore during Photoisomerization of Pharaonis Phoborhodopsin"Biochemistry. 41. 4554-4559 (2002)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Vibrational Frequency and Dipolar Orientation of the Protonated Schiff Base in Bacteriorhodopsin before and after Photoisomerization"Biochemistry. 41. 6026-6031 (2002)
• [文献書誌] K.Shimono et al.: "A pharaonis Phoborhodopsin Mutant with the Same Retinal Binding Site Residues as in Bacteriorhodopsin"Biochemistry. 41. 6504-6509 (2002)
• [文献書誌] M.Iwamoto et al.: "Role of Asp193 in Chromophore-Protein Interaction of pharaonis Phoborhodopsin (sensory Rhodopsin II)"Biophys.J.. 83. 1130-1135 (2002)
• [文献書誌] T.Iwata et al.: "Photoreaction of the Cysteine S-H Group in the LOV2 Domain of Adiantum Phytochrome3"J.Am.Chem Soc.. 124. 11840-11841 (2002)
• [文献書誌] Y.Furutani et al.: "FTIR Spectroscopy of the M Photointermediate in pharaonis Phoborhodopsin"Biophys.J.. 83. 3482-3489 (2002)
• [文献書誌] Y.Furutani, H.Kandori: "Internal Water Molecules of Archaeal Rhodopsins"Mol.Membr.Biol.. 19. 257-265 (2002)
• [文献書誌] 神取秀樹: "バクテリオロドプシンのプロトンポンプ機構"酵素工学ニュース. 47. 17-22 (2002)
• [文献書誌] 神取秀樹, 加茂直樹: "フォボロドプシンの結晶構造と波長制御・光情報伝達機構"蛋白質核酸酵素. 47. 620-625 (2002)
• [文献書誌] 神取秀樹: "光駆動プロトンポンプの方向性を決める反応"化学. 57. 58-59 (2002)
• [文献書誌] T.Tanimoto et al.: "Structural Changes of Water in the Schiff Base Region of Bacteriorhodopsin : Proposal of a Hydration Switch Model"Biochemistry. 42. 2300-2306 (2003)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Photoisomerization of the Rhodopsin Chromophore in Clay Interlayers at 77 K"Biochemistry. 42. 2790-2796 (2003)
• [文献書誌] 神取秀樹: "視覚野初期過程における光化学反応"レーザー研究. (印刷中). (2003)