蛋白質の動力学及び折り畳みに伴う動力学の変化に関する実験的及び理論的研究

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09044220
• Research Category: Grant-in-Aid for international Scientific Research
• Section: Joint Research .
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 片岡 幹雄 大阪大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (30150254)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): ZACCAI Josep 構造生物学研究所, 部門長 ; SMITH Jeremy サクレー原子力研究所, 主任研究員 ; 郷 信広 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (50011549) ; 徳永 史生 大阪大学, 大学院・理学研究科, 教授 (80025452)
• Keywords: 蛋白質動力学 / 蛋白質折り畳み / 中性子非弾性散乱 / 中性子準弾性散乱 / 基準振動解析 / 分子動力学シミュレーション / スタフィロコッカル・ヌクレアーゼ / X線溶液散乱

Research Abstract

蛋白質では構造の複雑性を反映して、さまざまな階層で揺らぎが生じることが予想される。このような揺らぎが協同的に働いてより大きな階層の揺らぎを作りだし、最終的には蛋白質の機能を生み出すと考えられる。また、機能は折り畳まれて初めて発現されるので、折り畳みに伴いこのような揺らぎは変化するであろう。然るに、このような揺らぎ(蛋白質動力学)についての理論的研究は進展しているが、実験的研究はほとんどなされてこなかった。本国際共同研究は、蛋白質動力学の実験的研究の展開及び理論研究との融合をめざして組織された。
黄色ブドウ球菌の核酸分解酵素を用いて、室温及び25Kの中性子非弾性散乱スペクトルを広いエネルギー範囲で観測した。蛋白質の非弾性散乱スペクトルとしては、これまで報告されている中で、最高精度のデータを得ることができた。得られたスペクトルを、基準振動解析の結果と比較した。定性的には両者の一致は良く、観測されたピークを帰属することが可能であった。理論計算の結果が、実験的に検証された初めての例である。しかし、ピーク位置のシフトが見られるなど一致は完全ではなく、特に強度の不一致が著しかった。この結果は、理論計算に用いられているポテンシャル関数に改善の余地のあることを示している。
同蛋白質及び変異体について、中性子準弾性散乱測定を行った。変異体は生理的溶媒条件下でコンパクトな変性状態にある。準弾性散乱測定の結果、非調和的な運動は変性状態の方が顕著であるが、低エネルギーの協同的な調和的な運動は折り畳まれた状態の方がより強く観測された。準弾性散乱から評価された平均自乗変位の折り畳みに伴う変化量は、MDシミュレーションから推定される値に近かった。以上の結果は、機能動力学の密接な関係を示唆している。

Research Products

• [Publications] T.Konno: "Urea-induced denatured states of a protein,Streptomyces subtilisin inhibitor" Protein Science. 6. 2242-2249 (1997)
• [Publications] L.S.Brown: "Global shift of protein structure triggered by local electrostatic change in bacteriorhodopsin" Proceedings of the National Academy of Science U.S.A.94. 5040-5044 (1997)
• [Publications] H.Kamikubo: "The last phase of the reprotonation switch in bacteriorhodopsin:The transition between the M-type and the N-type protein conformation depends on hydration" Biochemistry. 36. 12282-12287 (1997)
• [Publications] A.V.Goupil-Lamy: "High-resolution vibrational spectroscopy of a globular protein:Inelastic neutron scattering and normal mode analysis of staphy lococcal nuclease" Journal of American Chemical Society. 119. 9268-9272 (1997)
• [Publications] T.Oka: "X-ray diffraction studies of bacteriorhodopsin:Determination of the positions of mercury label at several engineered cysteine residues" Photochemistry and Photobiology. 66. 768-773 (1997)
• [Publications] M.Hoshino: "Trifluoroethanol-induced conformational transition of hen egg-white lysozyme studied by small-angle X-ray scattering" FEBS Letters. 416. 72-76 (1997)
• [Publications] A.J.Petrescu: "Excluded volume in the configurational distribution of a strongly-denatured protein" Protein Science. (印刷中). (1998)
• [Publications] S.Hery: "Rigid-body motion and X-ray diffuse scattering in crystalline lysozyme" Journal of Molecular Biology. (印刷中). (1998)
• [Publications] Y.O.Kamatari: "The methanol-induced transition and the expanded helical conformation of lysozyme" Protein Science. (印刷中). (1998)
• [Publications] J.C.Smith: "Motions in Native and Denatured Proteins" Physica B. (印刷中). (1998)
• [Publications] S.Hery: "Dynamics of proteins:Correlation and diffusion" Physica B. 234. 175-182 (1997)
• [Publications] A.J.Petrescu: "Small angle neutron scattering by a strongly denatured protein:Analysis using random polymer theory" Biophysical Journal. 72. 335-342 (1997)
• [Publications] V.Receveur: "Picosecond dynamic changes in phosphoglycerate kinase on denaturation revealed by quasielastic neutron scattering" Proteins:Structure,Function and Genetics. 28. 380-387 (1997)
• [Publications] S.Hery: "Fluctuation and correlation in crystalline lysozyme" Journal of Chemical Information and Computer Sciences. 37. 1011-1017 (1997)
• [Publications] 中村 春木: "蛋白質のかたちと物性" 共立出版, 234 (1997)