一方向のプロトン輸送をもたらすバクテリオロドプシン内の疎水結合と水素結合

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13031049
• 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: バクテリオロドプシン / プロトンポンプ / レチナール / 異性化反応 / エントロピー減少 / 疎水領域 / 水素結合 / 赤外分光法

研究概要

生体高分子はその階層構造を活かし、巧みな時空間制御によって機能を作り出すことができる。本研究では、バクテリオロドプシンの赤外分光によって、プロトンポンプ過程における蛋白質の構造変化を解析することを計画した。特に、疎水結合を形成する細胞質側の領域がプロトンの輸送のためどのように水素結合の道筋をつくるのか、そしてそれがベクトル的な輸送とどのように関わるのかを同位体標識蛋白質および変異蛋白質を駆使した実験によって明らかにすることを目指した結果、本年度は以下の研究成果が得られた。
スレオニン側鎖を^<18>Oで標識した試料の系統的な測定を行い、スイッチ部分を構成するThr89の水酸基はAsp85の側鎖と水素結合を形成すること、レチナールの異性化に伴って水素結合がさらに強くなることがわかった。さらに異性化後の後続する中間体においてもAsp85とThr89との強い水素結合は緩和せず、驚くべきことにプロトン移動によってAsp85の負電荷がなくなったM中間体(スイッチングによって方向性が変わった状態の中間体)においても相互作用は保たれていた。従って、Asp85-Thr89の領域が「スイッチ」を構成しないと結論した。
古細菌の光センサーであるフォボロドプシンは、バクテリオロドプシンと異なって光を情報へと変換するが、伝達蛋白質が存在しないと低い効率でプロトンをポンプすることが知られている。そこで低温赤外分光を用いたフォボロドプシンとバクテリオロドプシンの比較研究を開始し、類似のレチナール発色団構造や特異な水分子の水素結合構造などを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Kandri et al.: "Photoisomerization of the Rhodopsin Chromophore in Clay Interlayers at 77 K"Chem. Phys. Lett.. (in press). (2002)
• [文献書誌] H.Kandri et al.: "Excited-State Dynamics of pharaonis Phoborhodopsin Probed by Femtosecond Fluorescence Spectroscopy"J. Phys. Chem. A. (in press). (2002)
• [文献書誌] T.Nagata et al.: "Isomer-Specific Interaction of the Retinal Chromophore with Threonine-118 in Rhodopsin"J. Phys. Chem. A. (in press). (2002)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Internal Water Molecules of pharaonis Phoborhodopsin Studied by Low-Temperature Infrared Spectroscopy"Biochemistry. 40. 15693-15699 (2001)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Structural Changes of pharaonis Phoborhodopsin upon Photoisomerization of the Retinal Chromophore : Infrared Spectral Comparison with Bacteriorhodopsin"Biochemistry. 40. 9238-9246 (2001)
• [文献書誌] H.Imai et al.: "Difference in Molecular Stlucture of Rod and Cone Visual Pigments Studied by Fourier Transform Infrared Spectroscopy"Biochemistry. 40. 2879-2886 (2001)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Tight Asp85-Thr89 Association during the Pump Switch of Bacteriorhodopsin"Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98. 1571-1576 (2001)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Excited-State Dynamics of Rhodopsin Probed by Femtosecond Fluorescence Spectroscopy"Chem. Phys. Lett.. 334. 271-276 (2001)
• [文献書誌] T.Hirano et al.: "Chloride Effect on Iodopsin Studied by Low-Temperature Visible and Infrared Spectroscopies"Biochemistry. 40. 1385-1392 (2001)
• [文献書誌] H.Kandori et al.: "Photoisomerization in Rhodopsin"Biochemistry(Moscow). 66. 1197-1209 (2001)
• [文献書誌] H.Kandori: "FTIR Spectroscopy Monitors Internal Water Molecules of Proteins At Work"Recent Research Development in Phys. Chem.. 5. 161-183 (2001)
• [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. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 神取秀樹: "タンパク質分子ポンプのダイナミズム"日本物理学会誌. 56. 75-82 (2001)
• [文献書誌] 神取秀樹: "プロトンをポンプするための蛋白質の『動き』"現代化学. 358. 55-57 (2001)
• [文献書誌] 神取秀樹: "ロドプシンの反応ダイナミクス"物性研究. 75. 752-766 (2001)