筋収縮過程における制御蛋白質とアクチンの構造変化のX線回折

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13480220
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 若林 克三 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (00029521)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上野 豊 産学技術総合研究所, 脳神経情報処理研究部門, 主任研究員 (60356558)
• Keywords: 筋収縮 / 筋肉制御機構 / トロポニン / 細いアクチンフィラメント / X線回折 / シンクロトロン放射光 / 時分割X線回折 / トロポミオシン

Research Abstract

筋収縮の制御過程や力発生過程での細いアクチンフィラメントの構造変化をシンクロトロン放射光を利用したX線回折により調べ、制御蛋白質トロポニンとアクチンフィラメントの構造変化を解析した。
1)筋収縮過程でトロポニン由来の子午反射の強度変化をテレビ型CCD検出器を使って両フィラメントのフルオーバーラップとノンオーバーラップの筋節長の筋肉で測定した。時間分解能は本検出器の制約上15msで行った。フルオーバーラップ筋ではトロポニン1次反射の強度は電気刺激後すぐに増加し、その後00msの時定数で弛緩レベルより2倍以下の強度レベルに減少した。ノンオーバラップ筋では刺激後すぐ強度増大しピークに達した後ほぼ一定値に落ち着いた。オーバーラップ筋の刺激直後の強度変化の時間経過はノンオーバーラップ筋における強度変化の時間経過と良く対応していた。一方、フルオーバーラップ筋の収縮中、3次反射の強度は1次反射の初期強度変化と平行して強度増大し刺激中ほぼ一定値を保った。ノンオーバーラップ筋では刺激中逆にわずかながら減少していた。
2)プルオーバーラップ筋の弛緩時と等尺収縮時およびノンオーバーラップ筋の弛緩時と活性時におけるトロポニン由来の1-6次までの子午反射の強度を解析した。トロポニン分子を球状部分と棒状部分からなるモデルで近似し、フィラメント軸への投影電子密度分布を計算した。観測強度との最適モデルによると、フルオーバーラップ筋、ノンオーバーラップ筋の静止状態ではともに球状部分の長さが17nm、棒状部分の長さが26nmで、両者の重なり部分の長さは11nmであった。ノンオーバーラップ筋の活性時では棒状部分が7nm位のび、重なり部分が16nmとなった。分子の全長はほとんど変わらなかった。一方、プルオーバーラップ筋の収縮中では、球状部分が3-4nm長くなり、両者の重なり部分は9nmに減少した。従って、投影の分子密度分布はノンオーバーラップ筋の活性時においてもっともシャープになり、オーバーラップ筋の収縮時では一番フラットになっていた。
今後、1)、2)の構造変化の対応のモデリングを進める予定である。

Research Products

• [Publications] T.Okumura: "An X-ray Solution Scattering Study on the Conformation of Skeletal Muscle Myosin Subfragment-1 in the Presence of Mn^<2+> and ATP"Photon Factory Act. Rep.. 19, Part B. 203 (2001)
• [Publications] Y.Takezawa: "Alteration of the Helical Twist Associated with the Shortening of the Thin Actin Filaments upon Activation of Skeletal Muscle"Photon Factory Act. Rep.. 19, Part B. 204 (2001)
• [Publications] K.Wakabayashi: "Molecular Mechanism of Muscle Contraction Studied by X-ray Diffraction Using PF Synchrotron Radiations"KEK Proceedings. 2001-24. 143-161 (2002)
• [Publications] H.Tanaka: "The Time Lag Between the X-ray Intensity Changes and the Tension Development on Muscle Contraction"KEK Proceedings. 2001-24. 162-170 (2002)
• [Publications] Y.Takezawa: "Alteration of the Helical Twist Associated with the Shortening of the Thin Actin Filament upon Activation of Skeletal Muscle"J. Muscle Res. Cell Motility. 23. 176 (2002)
• [Publications] S.Fujiwara: "Neutron Fiber Diffraction of Frog Muscle Combined with the Construct Variation Measurements"JAERI-Review. 2002-014. 266 (2002)
• [Publications] S.Fujiwara: "Analysis of the Muscle Structure from Neutron Fiber Diffraction Measurements Using the Contrast Variation Method"JAERI-Review. 2002-028. 87 (2002)
• [Publications] 若林克三: "分子機械としての筋肉のエネルギー変換-原子レベルでの解明を目指して"生体医工学. 40,特別号. 31 (2002)
• [Publications] K.Wakabayashi: "Changes of the Helical Structure and Shortening of Thin Actin Filaments upon Activation of Skeletal Muscle"Biophys. J. 84,Suppul., No.2. 245a (2003)
• [Publications] N.Umeki: "Conformational Changes of Myosin Motor Domain Induced by Photochromic Molecules"Biophys. J. 84,Suppul., No.2. 453a (2003)
• [Publications] K.Oshima: "Modeling Analysis of Myosin-based Meridional X-ray Reflections from Skeletal Muscles in Relaxed and Contraction States"Adv. Exp. Med. Biol.. (印刷中). (2003)
• [Publications] T.Yamada: "Rigor Force Producing Cross-bridges in Skeletal Muscle Fibers Activated by a Sub-stoichiometric Amount of ATP"Biophys. J. (印刷中). (2003)