耐熱性ヘムタンパク質の構造安定化に寄与する疎水性コアの構造とダイナミクスの解析

分析有助于热稳定性血红素蛋白结构稳定的疏水核心的结构和动力学

• 批准号: 13031005
• 负责人: 山本 泰彦
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13031005/
• 关键词: 熱安定性タンパク質; ヘムタンパク質; 電子伝達タンパク質; NMR; 電気化学測定; 常磁性錯体; 酸化還元電位; 人工変異体

好熱性水素細菌(Hydrogenobacter thermophilus)がもつ電子伝達タンパク質チトクロームc_<552>(HT)は分子量約8000、アミノ酸残基80からなる比較的小さな球状タンパク質である。活性部位にヘム(鉄-ポルフィリン錯体)をもち、ヘム鉄の酸化数の変化(還元型(Fe^<II>)、酸化型(Fe^<III>))により電子の授受を行う。HTは非常に熱安定性が高く、100℃でも変性しない。一方、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)由来のチトクロームc_<551>(PA)の一次構造はHTと高い相同性(56%)をもつにもかかわらず、熱変性温度はHTに比べて約40℃も低い。また、PAの5個のアミノ酸残基をHTで対応するアミノ酸残基に置換した変異体(F7A/V13M/F34Y/E43Y/V781)は、HTに相当するほど熱安定性が高いことがわかっている。本研究ではNMRおよび可視吸収スペクトルの解析により得られる構造化学的因子や電気化学測定により求められるヘム鉄の酸化還元電位の温度依存性を幅広い温度範囲(5℃-95℃)で解析することにより、これらヘムタンパク質の活性部位の分子構造と機能を熱安定性の発現および機能調節の分子機構の解明という観点から詳細に比較した。その結果、ヘム鉄と軸配位子との配位結合の強度がタンパク質の疎水性コアの構造とダイナミクスに依存すること、ヘム錯体の安定性がヘムタンパク質の熱安定性と密接な関係があることなどを明らかにした。したがって、生体高分子の疎水性コアの構造を制御することにより分子の安定性と機能をそれぞれ独立的に調節することが可能であるということを発見したという点から、本研究は分子設計に利用可能な新規な原理を提唱したことになる。

Hydrogenobacterium thermophilus <552>is a relatively small spherical bacterium with molecular weight of 8000 and acid residue of 80. The active site (Fe-complex) is a complex, acidic species of iron (Fe^<II>), acidic species (Fe ^ )<III>, and electron transfer. HT is highly thermally stable and has a high temperature stability at 100℃. The origin of Pseudomonas aeruginosa and its <551>primary structure HT are highly identical (56%), and the thermal temperature HT is lower than that of C_ (PA) about 40℃. The five amino acid residues of PA and HT are replaced by amino acid residues of PA and HT (F7A/V13M/F34Y/E43Y/V781). In this study, NMR and visible absorption spectra were analyzed to obtain structural chemical factors and electrochemical measurements. The temperature dependence of iron acidification reduction potential was measured in the temperature range (5℃-95℃). The molecular structure and function of the active site of the protein are compared in detail. The results show that the strength of coordination binding between iron and axial ligands depends on the structure and thermal stability of iron and axial ligands. The structure and stability of biological polymers are regulated independently. The new principles of molecular design are proposed in this study.

项目成果

Yueki Hirai: "^<19>F NMR Study of Reconstituted Myoglobin and Hemoglobin"Journal of Inorganic Biochemistry. 86. 262 (2001)

Yuuki Hirai：“重构肌红蛋白和血红蛋白的^ 19 F NMR研究”无机生物化学杂志。

Yasuhiko Yamamoto: "NMR Study of Internal Hydrogen Bonds in Metalloproteins"Annual Reports on NMR Spectroscopy. 45. 189-248 (2002)

Yasuhiko Yamamoto：“金属蛋白质内部氢键的核磁共振研究”核磁共振波谱学年度报告。

Hitomi Matsuo: "^1H NMR Study of Internal Hydrogen Bonds in Metalloproteins"Proceedings of 4^<th> International Conference on Biological Physics. 105 (2001)

Hitomi Matsuo：“^1H NMR Study of Internal Hydrogen Bonds in Metallo Proteins”第四届国际生物物理会议论文集。

Yasuhiko Yamamoto: "^1H NMR Study of the Effect of Heme Insertion on the Folding of Apomyoglobin"Journal of Molecular Structure. 602-603. 133-144 (2002)

Yasuhiko Yamamoto：“^1H NMR 研究血红素插入对脱肌红蛋白折叠的影响”分子结构杂志。

Yasuhiko Yamamoto: "^1H NMR Detection of a Long-Range Structural Coupling between Heme Active Site and EF-H Interface in Myoglobin"Proceedings of 14^<th> Conference of the International Society of Magnetic Resonance. 259 (2001)

Yasuhiko Yamamoto：“^1H NMR 检测肌红蛋白中血红素活性位点和 EF-H 界面之间的远程结构耦合”国际磁共振学会第 14 届会议论文集。