S h o r t R e v i e w 量子化学計算からさぐる 光受容体蛋白質の吸収波長制御の機構 Quantum chemical study of the color tuning mechanism of photoreceptor proteins 櫻 井 実 生物 は外環 境 に関す る情 報の多 くを光の受 容を通 じて得 ている.光 受 容の主役 は,発 色団 をもつ蛋 白質 である .こ れ らの蛋 白質 は,生 物 の生息 する環境 に応 じて,特 定の波 長の光 を効率 よ く吸収 する よう設計 されて いる.そ のメ カニ ズムの解 明は,蛋 白質立体構 造 にもとづ く量子 化学 計算の 助 けを借 りて は じめて可能 とな ってきた.レ チナー ル蛋 白質 やイエ ロー蛋 白 質 につい ての研 究例 を紹 介 する. Database Center for Life Science Online Service Key words ●レチ ナール 蛋 白質 ●イエロー蛋 白質 ●オ プシンシ フ ト ●ハ イブ リッ ドQM/MM法 温 度 は 高 くな る(青 側 に シフ トす る).そ れぞ れ の環 境 下 で は じめ に 効 率 よ く光 を利 用 す るに は,光 受 容体 の極 大 吸収 波 長 が そ 生 物 が 生 命 活 動 を維 持 して い くうえ で,外 環 境 の情 報 を 得 る こ とは必須 であ る.わ れわ れ には,視 覚,聴 覚,味 覚, 嗅 覚,お よび,触 覚 の 五 感 が そ ろ って い るが,外 環 境 情 報 の8割 近 くは視 覚(眼)か ら得 て い る とい わ れて い る.つ ま れぞ れ の色 温 度 にチ ュー ニ ング され てい な けれ ば な らない. わ れ わ れ の網 膜 に は ロ ドプ シ ン とよ ばれ る光 受 容 体 蛋 白 質(図1a)が 存 在 して い るが,こ の極 大 吸 収 波 長 は500nm 付 近 に チ ュ ー ニ ン グ され て お り,こ れ は外 界 の明 暗 の識 別 り,光 の受 容 が外 情 報獲 得 の 主役 の位 置 を しめ て い るの で に都 合 が よい.ま た,色 を識 別 す るため,赤(波 あ る.こ の こ と は,地 球 が誕 生 して ま もない ころ か ら生 息 緑(波 長530nm),青(波 して い る あ る種 の古 細 菌 で も同 様 で あ る.た で き る光 受 容 体 蛋 白質 を個 別 に もっ て い る.前 述 した高 度 とえ ば高 度 好 長450nm)の 長560nm), 光 を効 率 よ く吸 収 塩 菌 は,わ れ わ れ の 眼 と同様 に光 受 容 体 蛋 白 質 を もち,光 好 塩 菌 に は,光 エ ネ ル ギ ー を利 用 して プ ロ トンや 塩 素 イ オ をエ ネ ル ギ ー源 と して利 用 した り,同 ン を能 動 輸 送 す るバ クテ リオ ロ ドプ シ ンやハ ロ ロ ドプ シ ン, じ光 に 集 まっ た り害 に な る光 か ら逃 れ た りの 行 動 で環 境 に順 応 した りして い る. 走 光 性 の セ ンサ ー と して はた ら くセ ンサ リー ロ ドプ シ ンIや 生 物 は光 を受 容 す る にあ た り,特 定 の波 長 の光 を効 率 よ セ ンサ リー ロ ドプ シ ンIIな どが存 在 し,そ れぞ れ 固 有 の 極 く吸 収 す る メ カニ ズ ム を もっ てい る.そ の理 由 の ひ とつ は, 大 吸 収 波 長値 を もってい る[p.1314,前 田章夫 ・神 山 勉 『バク 生物 はそれ ぞ れ固有 の色 温 度 の環境 下 に生息 してい るか らで テ リオロ ドプシ ンのプ ロ トン輸送 機構』も参照 されたい].異 あ る.た った極 大 吸 収 波 長 を もつ こ れ ら蛋 白質 は,い ず れ も発 色 団 とえ ば,晴 れ た 日の 日中 は,地 上 に生 息 す る生 物 は波 長5000A(500nm)付 な 近 に最 大 強度 を もつ光 を受 容 し レチ ナー ルが シ ッフ塩 基 結 合 を介 してア ポ蛋 白質(オ プ シ ン てい る.と こ ろが,夕 方 に なる と色 温 度 は低 くな る し(最 大 と よぶ)に 結 合 して い る とい う点 で は 共 通 で あ る.す な わ 強度 の波 長 が赤 側 に シ フ トす る),同 ち,生 物 は た だ一 種 の発 色 団 分 子 か ら,極 大 吸 収 波 長 が お じ日中 で も海 中 で は色 よそ400∼600nmの 広 範 囲 に分 布 す る一 連 の光 受 容 体 を つ く りだ して い る.こ の 吸 収 波 長 のバ リエ ー シ ョ ンは,発 Minoru Sakurai 東 京 工 業 大 学 バ イ オ 研 究 基 盤 支 援 総 合 セ ン タ ー 蛋 白 質 情 報 解 析 分 野 E-mail:[email protected] URL:http://www.cherry.bio.titech.ac.jp/msakurai/index. html 色 団 レチ ナ ー ル とオ プ シ ンの あ いだ の物 理 化 学 的 な相 互 作 用 に起 因 す る と考 え られ,オ プ シ ンシフ トとよばれ てい る1). この オ プ シ ン シ フ トは,実 験 化 学 者 は も と よ り,長 年, 量 子 化 学 者 の 注 目の 的 とな って きた.蛋 白 質 との結 合 に よ り発 色 団 の極 大 吸収 波 長 が シフ トす る現 象 は,じ つ は レチ 蛋 白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 (2007) 1351 図1 光受容体蛋白質の構造 発 色 団 を オ レン ジ色 の 実 体 球 モ デル で表 わ す. (a)ロ ドプ シン.ロ ドプ シ ン に代 表 さ れ る レチ ナ ー ル蛋 白質 は, いず れ も7回 膜 貫 通 型 ヘ リ ックス構 造 をも って い る. (b)イ エ ロー 蛋 白 質 イ エ ロー蛋 白質 で は,β ス カ フ ォール ド構 造 の片 側(紙 面 の 表1貝i」)に 複 数 の へ リ ックス が存 在 して い る.こ Database Center for Life Science Online Service れ は,典 型 的 なPASド ナ ー ル 蛋 白 質 だ け で な く,ほ もみ ら れ る.な か で も,ク 蛋 白 質(photoactive い て は,レ る.本 か の光 受 容 体 蛋 白質 にお い て マ ル 酸 を 発 色 団 に もつ イ エ ロ ー yellow protein ; PYP,図1b)に チ ナ ー ル 蛋 白 質 と 同 様,よ 稿 で は,こ つ く研 究 さ れ て き て い れ ら光 受 容 体 を と りあ げ,極 大 吸収 波 長 の 制 御 機 構 に 関 す る最 新 の 知 見 に つ い て 述 べ る. に むか って非 局 在化 す る.そ の結 果,結 合 交替 が くずれ(あ る い は,π 電 子 が 非 局在 化 し),極 フ トす る.レ チ ナー ル のC6-C7結 発色団の吸収波長に影響 をあたえる 物理的因子 合 は,通 常,分 子 内 の立 が 回 復 す れ ば π共 役 系 が延 長 され る こ と にな り,極 大 吸収 波 長 はや は り長 波 長 シ フ トす る.媒 質 の極 性 や 分 極 率 の効 ロ トン化 レチ ナ ー ル シ ッ フ塩 基 化 合 物 が π→ π*励 起 状 態(フ ラ ン ク-コン ドン状 態)に 遷 移 した と き,そ の電 子 構 造 に どの よ うな 変 化 が 起 こる か を知 っ てお くと よい.図2(b)に レチ ナ ール蛋 白 質 の暗 状 態(光 吸 収 前)に お ける発 色 団 の 大 吸 収 波 長 は長 波 長 シ 体 障 害 のた め にね じれ てい るが3),な ん らかの 原 因 で平 面性 果 を考 え るに は,プ I メ イ ン構 造 で ある. 示 す とお り,基 底状 態 で は シ ッフ塩 基 結 合 近 傍 に 局在 化 して いた 正 電 荷 が,励 起 に とも ない イ オ 構 造 を,図2(a)に,イ エ ロー蛋 白質 の暗 状 態 にお ける発 色 ノ ン環 側 に移 動 す る.こ の結 果,カ 団 の構 造 を,図2(c)に 示 す.前 者 で は,レ チ ナ ー ル とLys 荷 と正 電 荷 の 中心 の 距 離 が増 大 し,分 子 全 体 の双 極 子 モ ー 残 基 の εア ミノ基 が プ ロ トン化 シ ッフ塩 基 結 合 を介 して,後 メ ン トが大 き くな る4).こ の よ うな大 きな電 子 構 造 変 化 は, 者 で は,ク マ ル酸 とCys残 周 囲 との相 互 作 用 に著 しい影 響 を あた え る. 基 の 側 鎖 が チ オエ ス テ ル結 合 を ウ ンター イオ ンの負 電 介 して,結 合 して い る.こ れ ら発 色 団 に対 す るモ デ ル化 合 筆 者 らは,レ チナ ー ルお よびそ の シ ッフ塩 基 化合 物 の吸収 物 は比 較 的 容 易 に化 学 合 成 す る こ とが 可 能 で あ るが,構 造 波 長 を,誘 電 率(ε)や 屈 折 率(n)の 異 なる さ ま ざま な溶 媒 を上 手 にデ ザ イ ン した り,同 じ構 造 の もの で も さま ざ ま な 中 で 測 定 した.そ の結 果,つ 溶 媒 中 で吸 収 スペ ク トル を測 定 した りす る こ と に よ り,発 れ た2).観 測 され る吸 収極 大 をvmax(単 位cm-1)と す る と, 色 団 の極 大 吸 収 波 長 が どの よ うな物 理 因子 に よ り支 配 され て い るか が 明 らか とな る.そ の よ うなモ デ ル 実験 か ら,レ ぎの よ うな規 則 性 が 見 い だ さ (式1) vmax=Af(ε)+Bf(n2)+C こ こで,A,B,お よび,Cは,各 発 色 団 に固 有 の定 数, チ ナ ール発 色 団 につ いて はつ ぎの3つ の 因子 が 重 要 で あ るこ 関 数f(x)は,f(x)=(x-1)/(x+1)で とが判 明 して い る2).す な わ ち,(1)カ ウ ンター イ オ ンと シ ッ で,誘 電 率 や屈 折 率 は それ ぞ れ媒 質 の極 性 と分 極 率 に相 当 フ塩 基 結 合 の距 離,(2)C6-C7単 す る物 理 量 で あ る.そ れ ゆ え,定 数Aや 囲 の媒 質 の極 性 や分 極 率,で 結 合 の平 面 性,(3)発 色 団周 シ ッフ塩 基 窒 素 原子 上 に 局 在 して い た正 電 荷 は イ オ ノ ン環 蛋 白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 定 数Bの 大 小 関 係 に よ り,吸 収 極 大 が極 性 と分 極 率 の どち らに よ り大 き く依 あ る. カ ウ ン ター イオ ンと シ ッフ塩 基 結 合 の距 離 が 増 大 す れ ば, 1352 与 え られ る.式1 (2007) 存 す るか が判 定 で きる.な お,定 数Cは 真 空 中 の発 色 団 の 吸 収 極 大 に相 当す る. S h o r t R 筆 者 ら は,こ れ ら3つ の定 数 を実 験 か ら決 定 す る だ けで な く,励 起 エ ネル ギ ー に対 す る溶 媒 効 果 理 論5)に 基づ いて, e v i e w 場 の特 殊 性 をあ らわ に考 慮 す る た め に は,つ ぎ に述 べ る 計 算 手 法 の発 展 を待 たね ば な ら なか っ た. 理 論値 の 導 出 も行 な っ て い る2).こ れ らの 結 果 を総 合 す る と,定 数Aの 値 は-1.0(103cm-1)以 ∼-5 .0(103cm-1)と 下,定 数Bの 値 は-2 .0 な っ た.こ れ か ら得 られ る重 要 な結 論 II 蛋白質の立体構造にもとつく吸収波長 の計算:ハ イブリッ ドQM/MM法 Database Center for Life Science Online Service は2つ あ る.す なわ ち,(1)い ず れ の定 数 も負 の値 であ る こ と か ら,極 性 や分 極 率 の増 大 に と もな って極 大 吸収 波 長 は減 計 算 化 学 者 に とっ て幸 い な こ とに,近 年,レ チ ナ ー ル蛋 少 す る(あ る い は,極 大 吸 収 波 長 は長 波 長 シ フ トす る),(2) 白質 や イエ ロー蛋 白 質 のX線 結 晶 構 造 が,暗 状 態 の み な ら 定 数Bが 定 数Aよ り1桁 近 く大 きい こ とか ら,極 大 吸 収 波 ず 光 反 応 中 間体 まで含 めて つ ぎつ ぎ と報 告 され,原 子 レベ 長 は周 囲 の極 性 よ りむ しろ分 極 率 の変 化 に よ り敏 感 で あ る. ル の構 造 に も とづ い て 吸収 波 長 を評価 し解 釈 す る こ とが 可 分 極 率 に よ って 大 き く長 波 長 シ フ トす る原 因 は,前 述 した 能 となっ て きた.い 励 起 状 態 に お け る双 極 子 モ ー メ ン トの増 大 を打 ち消 す よ う 力 学 的 な過 程 で あ る.し た が って,吸 収 波 長(励 起 エ ネル に周 囲 の溶 媒 分 子 が 電 子 分 極 す るか らで あ る.そ の結 果, ギ ー)を 評 価 す る に は シュ レーデ ィ ンガー方 程 式 を解 か なけ 励 起 状 態 のエ ネ ルギ ー が低 下 し長 波 長 シ フ トが ひ き起 こ さ れ ば な らな い.し か しなが ら,ひ とつ の 蛋 白 質 全 体 につ い れ る.一 方,溶 媒 の 永 久 双 極 子 の 運 動 は 高速 な電 子 遷 移 に て この方 程 式 を解 くの は,現 在 の計 算 技 術 や コ ンピ ュー タ は追 随 で きな い た め,励 起 状 態 のエ ネル ギ ー緩 和 に は大 き の 能力 で は 困難 で あ る.そ こで,立 体構造 の情 報 を明示 的 な影 響 を あ た え ない.筆 者 らは,同 様 な実験 的 ・理 論 的 解 に考 慮 しつつ 計 算 を簡 略 化 す る ため,発 色 団 も し くは発 色 析 をイエ ロ ー蛋 白 質 の発 色 団 モ デ ル化 合 物 につ いて も行 な 団 とそ の 近傍 残 基 の み を量 子 力 学(quantum mechanics ; い,ほ ぼ 同 様 の 結 論 を得 て い る6). QM)領 これ まで 述 べ た,モ デ ル 化 合 物 の 実 験 と理 論 計 算 か ら得 うまで も な く,蛋 白質 の 光 吸 収 は量 子 域 として扱 い,そ の周 囲 を古 典力 学 に も とづ く分 子 力 学(molecular mechanics ; MM)領 られた 結 果 は,も ち ろん 蛋 白質 中 の発 色 団 に も適 用 で きる 計 算 を行 な う(図3).こ の であ るが,そ リ ッ ドQM/MM法 こで は立 体 構 造 に よっ て規 定 され るア ミ ノ 酸 残 基 と発 色 団 の特 異 的 な相 互 作 用 が,よ り本 質 的 な役 割 をは た してい る のか も しれ ない.こ の ような蛋 白質 のつ くる QM/MM法 域 と して近 似 す る の よ う な近 似 計 算 の こ と をハ イ ブ と よぶ.じ つ は,こ のハ イブ リッ ド に も さま ざ まなバ リエ ー シ ョンが 存 在 す る の だ が,筆 者 らは,以 下 に述 べ る独 自の 理 論 を開発 し,レ チ ナ 図2 発色団の化学構造 (a)暗 状 態 に お ける レチ ナー ル 蛋 白 質 の発 色 団 の 構 造.レ チナ ール 分 子 がLys 残基 の εアミ ノ基 にプ ロ トン化 シ ッ フ塩 基 結 合 で結 合 して いる.バ ドプ シン,ハ クテ リオ ロ ロ ロ ドプ シ ン,お よ び,セ ン サ リー ロ ドプ シ ンIIで は ,共 役 二 重 結 合 がす べ てtrａns型 で ある が,ロ ドプ シ ンで はC11=C12の 二 重 結 合 がcis型 であ る.(-)は カ ウ ンタ ー イオ ン を表 わす (b)レ チ ナ ール 蛋 白 質 の発 色 団 の 励 起状 態 にお け る電 子 構 造.励 起 にと もな っ て 正 電 荷 がイ オ ノン環 側 に移 動 する(た だ し,こ こでは実 際 よ りか な り誇張 して 描 い て ある).そ の結 果,正 電荷 とカ ウン ター イオ ン の距 離 が離 れ,(a)の 場合 に比 べ て双 極 子 モ ー メ ン トが増 大 す る. (c)暗 状 態 に おけ る イエ ロ ー蛋 白質 の発 色 団 の 構 造.ク マ ル 酸 がCys残 基の側 鎖 に チ オエ ス テル 結 合 で結 合 して いる. 蛋白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 (2007) 1353 図3 ハ イ ブ リ ッ ドQM/MM法 発色団 を量子力学(QM),周 囲のアミノ酸残基を分子 力学(MM)で 近似する 全原子の座 標はX線 結晶構造 にもとづいて決定される.QM領 域が励起すると双極 子モーメン トが変化するため,MM領 は異な った静電場を受ける 域は基底状 態と この電場 に応答 して,ア ミノ酸残基 は瞬間的 に電子分極する(ここでは,Trp残 基側鎖(別列が示されている)が,こ れを表わすため,各 共有結合 は分極可能な円筒形状の誘電体で近似 されて Database Center for Life Science Online Service いる. ー ル蛋 白 質 や イエ ロー 蛋 白質 の 吸 収 波 長 の制 御 機構 の問 題 ー ロ ン相 互 作 用 で あ る.通 常 のハ イブ リ ッ ドQM/MM法 にチ ャ レンジ して きた7-9). は,こ の相 互 作 用 を記 述 す るた め,ア こ こ で の 目標 は,各 蛋 白質 のX線 結 晶構 造(あ るい は, で ミノ酸 残 基 の各 原 子 上 に点 電 荷 をお き,こ れ ら点 電 荷 とQM領 域 の 電子 や核 と それ を最 適化 した構 造)に もとつ いて,基 底 状 態 か らフ ラ ン の クー ロ ン相 互 作 用 をハ ミル トニ ア ンに導 入 す る.こ れ は, ク-コ ン ドン状 態 へ の遷 移 エ ネ ル ギー を きち ん と計 算 す る と 式1に 置 き換 えて み れ ば,極 性 の効 果(右 辺 第1項)を い う こ とで あ る.つ ま り,構 造 は あ らか じめ あた え られ 固 した こ と に相 当す るが,溶 媒 と同様 に ア ミ ノ酸 残 基 も電 子 定 され てい る とい う前 提 が あ る.こ の場 合,MM領 分極 す るは ず な の で,明 述 は,QM領 域の記 域 との相 互 作 用 にか か わ る部 分 だ け を含 め れ 考慮 らか に この 効 果 だ けで は不 十 分 で あ る.励 起 エ ネ ル ギー を定 量 的 に評 価 す る には,式1の 右 ば よい.そ の よ うな相 互作 用 で もっ と も重 要 な もの の ひ と 辺 第2項 に相 当 す る効 果 を評 価 す る こ とが必 須 で あ る.筆 つ は,MM領 者 らのハ イブ リ ッ ドQM/MM法 域 に存 在 す る ア ミノ酸 残 基 とQM領 域 との ク 考 慮 す るた め,ア で は,こ の効 果 をあ らわ に ミノ酸 残 基 の各 共 有 結 合 が 分 極 可 能 な誘 電 体 で構 成 され て い る とい うモ デ ル を導 入 した(図3).こ こで,各 結 合 に は文 献 値 か ら見 積 もっ た分 極 率 を割 り当 て た7,9).こ の モ デ ルの も とで は,QM領 に応 答 してMM領 域 か らの電 場 の変 化 域 が 分極 す る ので,式1の 右 辺 第2項 に 相 当す る効 果 が 計 算 可 能 で あ る. III オプシンシフトの新 しい定義とその解釈 最 近,さ き に 述 べ た よ う な 理 論 的 手 法 の 発 展 と と も に, 実 験 に お い て も め ざ し い 進 歩 が あ っ た.こ れ ま で,発 色団 の極 大 吸 収 波 長 は溶 液 中 で の値 しか報 告 され て い なか った が,Nielsenら age ring,静 赤 色 は蛋 白質 の 電子 分 極 を考 慮 した デー タ,青 色 は考 慮 していな い(点 電荷 近 似)デ ー タ. ○:バ サ リー ロ ドプ シ ンII,▲:バ ロ ロ ドプシ ン,□:ロ ク テ リオ ロ ドプシ ンM412中 間体,◆:イ ン が 得 ら れ た の で あ る.こ れ ま で,オ い う値 プ シ ン シ フ トは 溶 液 中 エロ ー の モ デ ル化 合 物 の 極 大 吸 収 波 長 と蛋 白 質 の 極 大 吸 収 波 長 の 蛋 白質. 1354 ドプシ ン,■:セ の 結 果, カ ウ ン タ ー イ オ ンの 結 合 し て い な い"裸 の"プ ロ ト ン化 レチ ナ ー ル シ ッフ 塩 基 の極 大 吸 収 波 長 と し て,610nmと クテ リオ ロ ドプ シン,●:ハ ion stor- 電 型 イ オ ン蓄 積 リ ング)と い う 装 置 を 用 い て 気 相 中 の 吸 収 ス ペ ク トル の 測 定 に 成 功 した10,11).そ 極大吸収波長の計算値と実験値の比較 図4 の グ ル ー プ は,Elisa(electrostatic 蛋白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 (2007) S h 図6 図5 ハ ロロ ドプシンの励起状 態の静 電マ ップ 励起状 態ではシップ塩基上の正電荷がイオノン環 に移動するため(図2b),周 囲の蛋 白質 は負 に分極する.そ の結果,イ オノン環周囲の静電ポテンシャルは負に なる.赤 色の丸は水の酸素原子,緑 色の丸は塩素イオン. r t R ev i e w バ クテ リオ ロ ドプ シンの発色 団結合部位 の構造 3つ の 芳 香族 ア ミノ 酸残 基(Trp86,Trp182,お 赤色 は静電ポテンシャルが負の領域,青 色は正の領域を示 している Database Center for Life Science Online Service o よ び,Tyr185)が 共 役 系 を"コ の 字 型"に と りま い て いる.Asp85は ウン ター イ オ ンであ る.ハ 発色団の π プロ トン化 シ ッフ塩 基 の カ ロロ ドプ シ ンや セン サ リー ロ ドプシ ンIIの 発 色 団結 合 部 位 も ほ ぼ同 一 の構 造 をも つ. [バ クテ リオ ロ ドプシ ンのX線 結 晶構 造(PDB:1C3W)に も とづ き作 成] 差 と して定 義 され て きたが,溶 液 中 で は必 ず カウ ン ター イ 質 の効 果(蛋 白質 の極 性 効 果)に 含 まれ て しま うの で,C6- オ ンが 付 随 す る し,式1に み る よ う に,溶 媒 も極 大 吸 収 波 C7単 結 合 の平 面 性 と,発 色 団周 囲 の媒 質 の極 性 や 分 極 率, 長 に大 きな影 響 を与 え るの で,じ つ は,蛋 白 質 の 実 質 的 効 を解 析 す れ ば よい.残 念 なが ら,そ の よ うな解 析 は現 在 進 果 が どれ ほ どなの か は明確 には わか らなか った.し か し,気 行 中 で あ り,本 稿 で 全 貌 を提 示 す る こ とはで きな い.し か 相 中 の デ ー タが発 表 され た こ とに よ り,オ プ シ ンシ フ トの し,こ の うち,電 子 分 極 の 効 果 につ い て は概 要 が つ か め て 絶 対 値 が 議 論 で きる よ うに な っ た わ けで あ る.た きて い る.そ れ を説 明 す るた め,こ の効 果 を無 視 して計 算 568nmに とえ ば, 極 大 吸 収 波 長 を もつ バ ク テ リオ ロ ドプ シ ンの オプ シ ンシ フ トは,568-610=-42nmと い うこ と にな る.こ した場 合 の デ ー タ を,図4に 重 ねて 示 した.こ れ は,蛋 白 質 部分 を 単 に 点 電荷 の 集 合 と して近 似 したモ デ ル に相 当 す の よ うな実 験 の 進 展 に よ り,計 算 化 学 デ ー タ もそ の精 度 を る.こ こ か らわか る とお り,点 電荷 近 似 で は,も っ と も右 厳 し く問 われ る こ と にな った. 側 の デー タ を除 い て,全 体 的 に励 起 エ ネル ギ ーが 過 大 評 価 筆 者 らの計 算 で は,前 述 した"裸 の"プ ロ トン化 レチ ナ ー ル シ ッフ塩 基 に対 し,599nmと れ た9).10nmの い う極 大 吸収 波長 値 が 得 ら 誤 差 は,エ ネル ギー で たか だか0.04eV程 (短波 長 側)さ れて し まっ てい る.こ の よ う な比 較 か ら,蛋 白 質 部位 の 電 子 分 極 が励 起 状 態 の エ ネ ル ギー 緩 和 にい か に 大 きな役 割 を は た して い る か理 解 で きる と思 う.な お,も 度 で あ り,非 常 に満 足 す べ き結 果 であ る とい え る.つ い で, っ と も右 側 の デ ー タはバ クテ リオ ロ ドプシ ンのM412中 さ きに述 べ たハ イブ リ ッ ドQM/MM法 に対 応 して い るが,こ の 場 合,レ に よ り,5種 類 ・6 構 造 の蛋 白質 の 吸 収 波 長 を計 算 した と こ ろ,図4に 間体 チ ナ ール シ ッ フ塩 基 が脱 示す結 プ ロ トン化 され て い る た め,励 起 に と もな う双 極 子 モ ー メ 果 を得 た9).計 算 値 と実 験 値 をプ ロ ッ トした とき にい ず れ ン ト変化 が 小 さ く,結 果 と して,電 子 分 極 の寄 与 は無 視 で の蛋 白 質 の計 算 値 も対 角 線 上 に の っ てお り,誤 差 はや は り きる程 度 とな って い る. 10nm程 度 で あ った.し たが って,筆 者 らの 計 算 は,オ プ シ ンシ フ トの 絶対 値 をほ ぼ定 量 的 に再 現 した こ と にな る. もち ろん,こ の よ うな計 算 を実 行 す る 目的 は 数値 を再 現 図5は,ハ ロ ロ ドプ シ ンを例 に と りあ げ,励 起 状 態 に お け る蛋 白質 の分 極 を静 電 ポ テ ンシ ャ ルマ ッ プ に よっ て視 覚 化 した もの であ る8).イ オ ノ ン環 の周 囲 の静 電 ポ テ ンシ ャル す る こ とで は な く,吸 収 波 長 を制 御 す る因 子 を抽 出 す る こ が負 に な って い るの は,正 電 荷 の イ オノ ン環 側へ の移 動(図 とにあ る.前 述 した オ プ シ ン シフ トの新 しい定 義 で は,さ 2b)を 打 ち消 す ように蛋 白質 が分 極 す る か らであ る.こ の分 きに述 べ た3つ の因 子 の うち,カ ウ ンターイ オ ンの効 果 は媒 極 ポ テ ン シ ャル に よ って 励 起 状 態 は緩 和 す る.で は,こ の 蛋 白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 (2007) 1355 よ う な分 極 に寄 与 す る ア ミノ酸 残 基 は特 定 で きるで あ ろ う が よ り厳 密 な量子 力 学 の言 葉 で 語 られ る よ うにな る にちが い か.興 な い. 味 あ る こ と に,バ シ ン,お よ び,セ ク テ リ オ ロ ドプ シ ン,ハ ロ ロ ドプ ン サ リ ー ロ ドプ シ ンIIで は,レ チナール 筆 者 らのハ イブ リッ ドQM/MM法 の プ ログ ラム は,富 士 の 芳香 族 残 基 通研 究 所 の松 浦 東 博 士 との共 同研 究 に よっ て 開発 され た. が 存 在 す る(図6).芳 香 族 側 鎖 は π電 子 を 豊 富 に もつ た め ここ に深 く感 謝 の 意 を 表 し ます.な お,こ の プ ログ ラム は 分 極 率 が 大 き い.こ れ らが 波 長 制 御 の 重 要 な 役 割 を 担 っ て の 共 役 鎖 を"コ の 字"型 に と りま く よ う に3つ MOS-FV7.0.と して リリース されて い るこ とを付 記 してお く. い る こ と は ま ち が い な い7). お わ りに 文 本 稿 で は,5種 類 ・6構造 の蛋 白質 に対 す るデ ー タを紹 介 した が,こ 1) Nakanishi, K.: Pure Appl. Chem., 63, 161-170 (1991) 2) Houjou, H., Inoue, Y., Sakurai, M.: J. Am. Chem. Soc., 120, 4459- れ らを含 む構 造 既 知 の レチ ナ ー ル蛋 白 質6種 類 ・12構 造 の計 算 が す で に終 了 し,同 じ程 度 の精 度 で吸 収 波 長 を再 現 で き る こ とが わか って い る.こ の こ とは,構 造 4470 (1998) 3) Wada, M. et al.: J. Am. Chem. Soc., 116, 1537-1545 (1994) 4) Mathies, R., Stryer, L.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 73, 2169-2173 5) (1976) Houjou, H., Sakurai, M., Inoue, Y.: J. Chem. Phys., 107, 5652-5660 6) Yoda, M., Houjou, H., Inoue, Y., Sakurai, M.: J. Phys. Chem. B, Database Center for Life Science Online Service が既 知 で あ るか ぎ り,そ の 蛋 白質 の 吸 収 波 長 は理 論 的 に予 知 可 能 な こ とを意 味 して い る.今 後 は,ど の ア ミノ酸 残 基 が 吸 収 波 長 の 制 御 に関 与 して い るか を詳 細 に解 析 す る とと 献 (1997) もに,ほ か の光 受容 体 に も研 究 を拡 張 した い と考 えて い る. 105, 9887-9895 (2001) 7) Houjou, H., Inoue, Y., Sakurai, M.: J. Phys. Chem. B, 105, 867-879 8) (2001) Sakurai, M. et al.:J. Am. Chem. Soc., 125, 3108-3112 (2003) 構 造 が 報 告 され て お らず,手 付 か ず の状 態 で あ る.し か し 9) Matsuura, A. et al.:J. Comput. Chem., 27, 1623-1630(2006) なが ら,精 度 の高 いモ デ リ ング構 造 が得 られ れ ば,こ れ ら 10) Andersen, L. H. et al.:J. Am. Chem. Soc., 127, 12347-12350(2005) に もチ ャレ ンジ してみ た い. 11) Nielsen, I. B. et al.: Biophys. J., 89, 2597-2604 (2005) 12) Kitaura, K. et al.: Chem. Phys. Lett., 313, 701-706 (1999) 本 来 は,ヒ トの 色 覚 情 報 を担 う視 物 質 を取 り扱 い た い とこ ろで あ るが,残 念 な が ら,こ れ らにつ い て は まだX線 結 晶 こ こで 紹介 した計 算 手 法 で は,蛋 白 質部 位 を古 典 力 学 に よ り近 似 して い たが,最 近 で は,蛋 白質 をモ ノマ ー単 位 程 13) Mochizuki, Y. et al.: Chem. Phys. Lett., 433, 360-367 (2007) 14) Mochizuki, Y. et al.: Theor. Chem. Acc., 117, 541-553 (2007) 度 の 断 片 に分 割す るこ とに よ り,分 子全 体 のエ ネルギ ー を量 子 力 学 レベ ル で得 る手 法 が発展 して きて い る12).Mochizuki らは,こ の手 法 を拡 張 し,古 典 力 学 に よる近 似 な しに純 粋 に量 子 力 学 レベ ルで 蛋 白質 の 吸 収 波 長 を評 価 す る理 論 を開 櫻 井 実 略歴:1983年 東京 工業 大学 大学 院理 工 学研 究科 博 士課 程 満期 発 した13,14).こ の理 論 は,す で に イエ ロー蛋 白 質 や 蛍 光 蛋 退学,同 年 東京 工業 大学 助 手,1990年 同 助教 授 を経 て,2003 白 質 の 吸収 波 長 の計 算 に適 用 され て い る.筆 者 もこの プ ロ 年 同 教 授. ジェ ク トに参 画 して い るが,今 後 は,こ の ような精密 な方 法 の導 入 に よ り,さ ま ざ まな光 受 容 体 の 吸収 波 長 制 御 の 機構 1356 蛋白質 核酸 酵素 Vol.52 No.11 (2007) 研究 テ ーマ:計 算機 シ ミュ レー シ ョンに よる蛋 白質 の機 能発 現機 構 の解 析,干 乾 び た細 胞 を生 き返 らせ る糖 トレハロー スの研 究.
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