蛋白質内水素結合ネットワークの直接観測

直接观察蛋白质内氢键网络

• 批准号: 20050020
• 负责人: 片岡 幹雄
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Nara Institute of Science and 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: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20050020/
• 关键词: イェロープロテイン; 低障壁水素結合; 高分解能中性子構造解析; X線結晶構造解析; 短距離水素結合; 光受容蛋白質; 蛋白質結晶化

水溶性光受容蛋白質であるイェロープロテイン(PYP)は、発色団に吸収された光情報が蛋白質部分に伝えられ、最終的にはN端のヘリックスを含むドメインが大きく構造を変えることで、情報を標的に伝えている。この構造変化においては、通常の水素結合に加えて、CE/π等の弱い水素結合や、短距離水素結合という強い水素結合が重要な役割を果たしている。本研究では、これら水素結合ネットワークの実体を解明するために、高分解能中性子構造解析を行った。PYPの結晶化法を工夫し、巨大結晶を安定に調整できるようした。この結晶を用いて、それぞれ1.5A、1.25A分解能で中性子回折像及びX線回折像を得た。重原子についてはX線による精密化、水素(重水素)については中性子による精密化という併用解析法を開発し、1.5A分解能で水素を含む全原子の構造を決定した。全水素942個のうち819個の位置が同定できた。その結果、発色団とE46の間の短距離水素結合は低障壁水素結合であること、発色団とY42の間の短距離水素結合は、短距離イオン性水素結合であること、カウンターイオンと思われていたR52はイオン化していないことを明らかにした。蛋白質の基底状態において低障壁水素結合の存在を明らかにしたのは、本研究が世界で初めてである。また、低障壁水素結合は、蛋白質内部で孤立した負電荷を安定化していることを明らかにし、光励起状態において低障壁水素結合から通常の水素結合へ緩和することで情報が発色団から蛋白質に伝わると言う新しい機構を提唱した。

黄色蛋白（PYP）是一种水溶性的光感受器蛋白，将信息传输到蛋白质部分，这些蛋白质由发色团吸收的光，最终，最终，在N末端含有螺旋的结构域显着改变了其结构，从而将信息传输到目标。在这种结构变化中，除了正常的氢键外，弱氢键（例如CE/π和强氢键）（例如短距离氢键）起着重要作用。在这项研究中，进行了高分辨率中子结构分析，以阐明这些氢键网络的物质。已经设计了一种用于PYP的结晶方法，以允许稳定地调节巨晶体。使用这种晶体，分别以1.5a和1.25a的分辨率获得中子和X射线衍射图像。开发了一种组合分析方法，其中用X射线改进了重原子，并通过中子进行了氢（氘），并用1.5A分辨率确定所有含有氢原子的结构。在总计942个氢中，发现了819个位置。结果表明，发色团和E46之间的短距离氢键是低障碍氢键，发色团和Y42之间的短距离氢键是短距离离子氢键，而被认为是反离子的R52则未电离。这项研究是世界上第一个揭示在蛋白质基态下存在低性氢键的研究。此外，已经揭示了低障碍氢键可以稳定蛋白质内的孤立负电荷，并提出了一种新机制，其中通过从低键氢键放松到光激发状态的正常氢键中，将信息从发色团转移到蛋白质。

项目成果

Hydration affects both harmonic and anharmonic nature of protein dynamics

• DOI: 10.1529/biophysj.107.128546
• 发表时间: 2008-09-15
• 期刊: BIOPHYSICAL JOURNAL
• 影响因子: 3.4
• 作者: Nakagawa, H.;Joti, Y.;Kataoka, M.
• 通讯作者: Kataoka, M.

Direct observation of two distinct types of short hydrogen bond in Photoactive Yellow Protein

直接观察光活性黄色蛋白中两种不同类型的短氢键

• 发表时间: 2008
• 作者: 坂東祥匡;白旗崇;和田拓;柴田幸治;森健彦;武藤豪志;大川真由子;今久保達郎;S. Yamaguchi;山口繁生;山口繁生
• 通讯作者: 山口繁生

Photoactive yellow protein中の2種類のshort hydrogen bondの直接観測

光活性黄色蛋白中两种短氢键的直接观察

• 发表时间: 2008
• 作者: 上脇準一;森内寛;楯直子;楯真一;日下良二;楯真一;本玉直哉;Hiroshi Nakagawa;井口佳哉;楯真一;Shigeo Yamaguchi;山口繁生
• 通讯作者: 山口繁生