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

细菌视紫红质内的疏水键和氢键导致单向质子传输

• 批准号: 14045238
• 负责人: 神取 秀樹
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14045238/
• 关键词: プロトンポンプ; レチナール; 赤外分光法; 水素結合ネットワーク; アミノ酸置換; 疎水結合; 構造変化; 内部結合水; プロトン移動; 光反応中間体; 同位体効果

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。生体高分子が演出する機能は、マテリアル科学における究極のゴールでもある。しかしながら、実際の生体高分子がはたらく際のメカニズムがよくわかっている例は少ない。特に、非共有結合性の相互作用が機能をもたらすための動的制御に関わっている例はその重要性の認識とは別に稀である。高度好塩菌の光駆動プロトンポンプとして光エネルギーを電気化学的エネルギーに変換するバクテリオロドプシン(BR)の場合、発色団レチナール分子の光吸収による発色団の構造変化(異性化)が蛋白質構造に対する摂動をもたらし、その結果としてプロトンの能動輸送が実現する^<1)>。特に注目されるのは、プロトン放出側には親水的なアミノ酸が水素結合ネットワークを形成している一方、取込側には疎水的なアミノ酸が集まっておりプロトンの経路は存在しない。従って、光反応サイクルの過程で、疎水的な領域にプロトンを通すための水素結合ネットワークを通す必要がある。本研究では、赤外分光法を用い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及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。疎水場でのプロトン移動に関する研究は、BRと同じ古細菌ロドプシンファミリーに属し、光を情報へと変換するセンサー蛋白質であるフォボロドプシン(pR)を用いて行った。pRは情報伝達蛋白質が存在しないとプロトンを低い効率で輸送する。低いプロトン輸送効率は、BRにおいて疎水的な細胞質側領域でシッフ塩基へのプロトン供与基となるAsp96が存在しないためと考えられた。そこでAspまたはGluを導入したところ、確かにこの導入基からのプロトン移動を観測したが、その方向はBRのように一方向ではなかった。従ってBRの疎水場で方向性をもったプロトン移動は、特異な構造変化(具体的にはN中間体の生成)が密接に関わっていることが明らかになった。

Bio-polymers are active in hierarchical structures and function in spatial and temporal control. Bio-polymers are functional and scientific. In the meantime, the organic polymer has become an important part of the organic polymer industry. Special and non-common associative interactions are important for understanding the control of motion. The photodynamic properties of highly sensitive bacteria are characterized by the structural transformation (heteromorphization) of the chromophoric molecules in the case of photoabsorption and electrochemical conversion (BR), and the structural transformation (heteromorphization) of the chromophoric molecules in the case of protein structural transformation (BR). In particular, it is noted that the release side of the water is hydrophilic, and the acid is hydrophilic. In the process of light reflection, water absorption is necessary. In this study, the structural analysis of proteins was carried out by using infrared spectroscopy. In particular, the formation of water-binding proteins in the cytoplasmic domain of transport and transport of water-binding proteins in the domain of transport and transport of isoforms and isoforms. The study of the relationship between water field migration and archaea migration was carried out in the same way as the study of the relationship between archaea migration and protein migration. pR provides information on protein delivery at low rates. Low transport efficiency, low transport efficiency Asp is introduced into the system, and the system moves in the direction of BR. The directionality of BR's water field is different from that of other structures (specific intermediate formation), which are closely related to each other.

项目成果

H.Kandori: "Hydration Switch Model for the proton transfer in the Schiff base region of bacteriorhodopsin"Biochim.Biophys.Acta. (In press). (2004)

H.Kandori：“细菌视紫红质席夫碱区质子转移的水合开关模型”Biochim.Biophys.Acta。

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)

Hideki Kandori：“视觉早期过程中的光化学反应”激光研究 31. 184-189 (2003)。

H.Kandori et al.: "Interaction of Asn105 with the Retinal Chromophore during Photoisomerization of pharaonis Phoborhodopsin"Biochemistry. 41. 4554-4559 (2002)

H.Kandori 等人：“法老荧光紫红质光异构化过程中 Asn105 与视网膜发色团的相互作用”生物化学。

Y.Sudo et al.: "Hydrogen bonding alteration of Thr204 in the complex between pharaonis phoborhodopsin and its transducer protein"Biochemistry. 42. 14166-14172 (2003)

Y.Sudo 等人：“法老荧光紫红质及其转导蛋白复合物中 Thr204 的氢键变化”生物化学。

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)

T.Iwata 等人：“通过低温 FTIR 和紫外-可见光谱研究铁线蕨光敏色素 3 的 LOV2 结构域的光诱导结构变化”生物化学。