プロトンポンプの方向性を決定する内部結合水の構造解析

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15076202
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学研究科, 教授 (70202033)
• Keywords: プロトンポンプ / 内部結合水 / 機能 / 構造変化 / 赤外分光法 / 水素結合ネットワーク / レチナール / 同位体効果

Research Abstract

蛋白質は一般に疎水部を水から避ける形で折り畳まれるが、疎水的な内部に水分子が存在する場合もある。これら内部結合水の中には単に空間を充填するだけでなく、機能に重要な役割を演ずる水分子の存在が考えられている。本研究では、濃度勾配に逆らってイオンを輸送する分子ポンプ蛋白質の機能発現過程における内部結合水の役割を明らかにするため、光駆動プロトンポンプであるバクテリオロドプシンを対象として、低温赤外分光を用いた研究を行っている。今年度は、バクテリオロドプシンの類似蛋白質も含め、以下の成果が得られた。
1.バクテリオロドプシシ中できわめて強い水素結合を形成する水分子が、レチナールの対イオンであるAsp85に水和した水分子の振動であることを、系統的な変異蛋白質を用いることで明らかにした。そして、プロトン移動前後でのスペクトル解析から1個の水分子が水和構造を(Asp85からAsp212へ)スイッチさせることでプロトン移動が実現するという「水和スイッチモデル」を提唱した。
2.バクテリオロドプシンと同様、レチナール分子を発色団とする視物質ロドプシンにおいても、発色団の正電荷を安定化するため、対イオンとそれを橋渡しする水分子の存在が考えられてきた。しかし、ロドプシンの中間体(バソ、ルミ、メタ1、メタ2)に対する赤外分光測定の結果、バクテリオロドプシンの場合のような内部結合水は存在しないことを明らかにした。視物質ロドプシン中でイオン対は、バクテリオロドプシンとは異なる機構で安定化されているらしい。
3.バクテリオロドプシンと同じファミリーに属しながら、光を信号へと変換する蛋白質、フォボロドプシンの構造変化を研究した。特に、伝達蛋白質との複合体形成によって、内部結合水を含む蛋白質構造がどのように変化するのか、実験的に明らかにした。

Research Products

• [Publications] 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)
• [Publications] M.Iwamoto et al.: "Proton Transfer Reactions in the F86D and F86E Mutants of Pharaonis Phoborhodopsin (Sensory Rhodopsin II)"Biochemistry. 42. 2790-2796 (2003)
• [Publications] Y.Furutani et al.: "FTIR Spectroscopy of the complex between pharaonis Phoborhodopsin and its Transducer Protein"Biochemistry. 42. 4837-4842 (2003)
• [Publications] K.Shimono et al.: "Vibrational Modes of the Protonated Schiff Base in pharaonis Phoborhodopsin"Biochemistry. 42. 7801-7806 (2003)
• [Publications] T.Iwata et al.: "Light-induced structural changes in the LOV2 domain of Adiantum phytochrome3 studied by low-temperature FTIR and UV-visible spectroscopy"Biochemistry. 42. 8183-8191 (2003)
• [Publications] Y.Furutani et al.: "Structural Changes in Lumirhodopsin and Metarhodopsin I Studied by their Photoreactions at 77 K"Biochemistry. 42. 8494-8500 (2003)
• [Publications] Y.Furutani et al.: "Structural Changes of Water Molecules during the Photoactivation Processes in Bovine Rhodopsin"Biochemistry. 42. 9619-9625 (2003)
• [Publications] M.Shibata et al.: "Water molecules in the Schiff Base Region of Bacteriorhodopsin"J.Am.Chem.Soc.. 125. 13312-13313 (2003)
• [Publications] Y.Sudo et al.: "Hydrogen bonding alteration of Thr204 in the complex between pharaonis phoborhodopsin and its transducer protein"Biochemistry. 42. 14166-14172 (2003)
• [Publications] Y.Furutani et al.: "FTIR Spectroscopy of the O Photointermediate in pharaonis Phoborhodopsin"Biochemistry. (発表予定). (2004)
• [Publications] M.Iwamoto et al.: "Photochemical properties of pharaonis phoborhodopsin (sensory rhodopsin II)"Recent Res.Develp.Chem.. 1. 15-30 (2003)
• [Publications] 神取秀樹: "視覚の初期過程における光化学反応"レーザー研究. 31. 184-189 (2003)
• [Publications] 神取秀樹: "ロドプシンを究める"日本化学会、生体機能関連化学部会 News Letter. 17. 10-13 (2004)
• [Publications] H.Kandori: "Hydration Switch Model for the proton transfer in the Schiff base region of bacteriorhodopsin"Biochim.Biophys.Acta. (In press). (2004)
• [Publications] 柴田幹大, 神取秀樹: "バクテリオロドプシンにおける内部結合水の振動解析"生物物理. (印刷中). (2004)