光受容イエロー蛋白質の発色機構および光反応に関する計算化学的研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12680653
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 櫻井 実 東京工業大学, 大学院・生命理工学研究科, 助教授 (50162342)
• Keywords: イエロー蛋白質 / 分子動力学シミュレーション / シグナル伝達 / 光反応サイクル / 振動解析

Research Abstract

イエロー蛋白質は、暗状態で446nmの光を吸収し、光反応サイクルに入る。光反応サイクル中には2つ以上の反応中間体が存在するが、発色団の異性化の直後ナノ秒程度で生成するL中間体、引き続き発色団のフェノール性OH基のプロトン化により生成するM中間体がこの蛋白質の機能発現に重要である。特に後者はシグナル伝達状態と言われている。したがって、これらの中間体の水溶液中での構造を決定することは極めて重要であるが、実験的にはX線解析の結果とIRやNMRなどからの分光学的結果に矛盾があり議論の的となっている。本研究では、分子動力学シミュレーションと量子化学計算を駆使することにより、これら実験間の矛盾を解決し正しい描像を得ることを目標にした。成果を具体的に述べると次の通りである。1)まず、L中間体であるが、その前駆体であるBL中間体のX線構造を初期構造として水溶液系に対するシミュレーションを10ナノ秒間実行した。得られたトラジェクトリーから発色団構造を解析し、同時に量子化学計算により吸収波長を評価した。その結果、シミュレーションはIRなどの分光学実験の構造を支待した。2)M中間体に関しても、まず10ナノ秒のシミュレーションを実行したが、その動的特性を解明するため、その結果を暗状態(基底状態)および上述したL中間体のシミュレーション結果と比較した。特に、蛋白質骨格の揺らぎ、主鎖の相関運動および固有振動モードの解析より、M中間体は蛋白質全体を2分する固有の運動モードを有することが判明した。これは、トランスジューシンとの相互作用、すなわちシグナル伝達に関与する運動と推定された。

Research Products

• [Publications] K.Ohno, N.Kamiya, N.Asakwa, Y.Inoue, M.Sakurai: "Application of an integrated MOZYME+DFT method to pKa calculations for protein"Chem. Physics Letters. 341. 387-392 (2001)
• [Publications] M.Shiozawa, N.Kamiya, J.Higo, Y.Inoue, M.Sakurai: "Evidence for Large Structural Fluctuations of the Photobleached Intermediate of Photoactive Yellow Protein in Solution"Journal of American Chemical Society. 123. 7445-7446 (2001)
• [Publications] K.Ohno, N.Kamiya, N.Asakawa, Y.Inoue, M.Sakurai: "Effects of Hydration on the Electronic Structure of an Enzyme : Implications for the Catalytic Function"Journal of American Chemical Society. 123. 8161-8162 (2001)
• [Publications] M.Yoda, H.Houjou, Y.Inoue, M.Sakurai: "Spectral Tuning of Photoactive Yellow Protein. Theoretical and Experimental Analysis of Medium Effects on the Absorption Spectrum of the Chromophore"Journal of Physical Chemistry B. 105. 9887-9895 (2001)