Hydration and temperature dependence of protein dynamics studied by incoherent inelastic neutron scattering

非干渉性中性子非弾性散乱によって調べたタンパク質ダイナミクスの水和と温度依存性

中川 洋   ; 柴田 薫  ; 城地 保昌*; 徳久 淳師*; 片岡 幹雄*; 郷 信広

Nakagawa, Hiroshi; Shibata, Kaoru; Jochi, Yasumasa*; Tokuhisa, Atsushi*; Kataoka, Mikio*; Go, Nobuhiro

タンパク質のダイナミクスは機能に重要である。タンパク質のダイナミクスの性質を理解するために、日本のつくばのKENSに設置されてあるLAM-40分光器を用いて非干渉性中性子非弾性散乱によりスタフィロコッカルヌクレアーゼのダイナミクスの水和と温度の影響を調べた。乾燥状態と重水水和及び軽水水和のタンパク質の非弾性散乱をさまざまな温度で測定した。乾燥状態の低温での非弾性散乱スペクトルには3meV付近にピークが観測された。このピークは水和することで高振動側へのシフトが観測された。このことは振動周波数分布が水和で変化することを示している。高温でのデバイワーラーファクターの異常な現象は、動力学転移と言われる平均自乗変位の増加を意味する。これは準弾性散乱の現象が現れることを示す。動力学転移温度よりも高温での運動の性質は準弾性散乱の解析により特徴付けられる。動力学転移は水和したタンパク質で顕著になる。このことは水和水がタンパク質のダイナミクスに強く影響していることを示している。水和水からの散乱プロファイルは軽水水和から重水水和のタンパク質の散乱を引くことによって得られる。水和水とタンパク質のダイナミクスの関係を議論する。

Protein dynamics is essential for the protein function. In order to understand the dynamical properties of protein, the effects of hydration and temperature on the dynamics of staphylococcal nuclease were intensively examined by incoherent inelastic neutron scattering with LAM-40 instrument in KENS, Japan. Inelastic neutron scattering of dry, DO-hydrated and HO-hydrated protein were measured at various temperatures between 100 and 300K. The spectra of dry protein at low temperatures shows the peak at around 3 meV, which was shifted to around 4meV with DO-hydrated protein. This indicates that the vibrational frequency distribution was changed by the hydration. The anomalous decrease in the Debye-Waller factor at high temperatures is corresponding to an increase of the mean-square displacement, which is called the dynamical transition. This is accompanied by the appearance of a quasielastic scattering. The natures of the motions above the dynamical transition temperature were characterized by the analysis of the quasielastic scattering. The dynamical transition was striking with the hydrated protein. This suggests that the hydration water has strongly effects on the protein dynamics. The scattering profile of the hydration water was calculated by the subtraction of the scattering profiles of a D2O-hydrated protein from that of a HO-hydrated protein. We will discuss the relation between hydration water dynamics and the protein dynamics.