Hydration dependent protein dynamics by incoherent neutron scattering

非干渉性中性子散乱による水和依存的なタンパク質ダイナミクス

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

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

タンパク質のダイナミクスはその水和環境と強くカップルしている。タンパク質の動力学転移とボソンピークの水和との関係をスタフィロコッカルヌクレアーゼを用いて調べた。230K付近の動力学転移は水和タンパク質のみで観測される。タンパク質を動力学転移温度以下に下げると非調和的な運動が失われ、タンパク質の機能発現が抑制されることが示されている。動力学転移の水和量依存性を調べた。動力学転移は26%程度の高い水和量で観測された。過去の研究では約20%の水和量がタンパク質の機能に必要であるという報告がある。これは動力学転移がタンパク質の機能に重要であることを示している。一方、150K以下では低い水和量でもタンパク質の調和振動状態に影響を与えた。低温ではボソンピークが観測された。ボソンピークは合成高分子,ガラス,アモルファス物質などに共通して見られるが、その起源は十分には理解されていない。ピークに寄与する運動は調和振動である。水和するとピークの周波数は高振動にシフトし、低温での振動の力学定数は増加する。このことはタンパク質のエネルギー地形が変化したことを示す。タンパク質の水和はより凸凹したポテンシャル表面を作り出し、低温では振動運動はローカルミニマムにトラップされる。ボソンピークの起源はこの凸凹したエネルギー表面と関係があり、タンパク質の低振動モードの分布状態と関係している。

Protein dynamics in a solvated sample are strongly coupled to their environment. The dynamical transition and boson peak of a protein were examined in relation to hydration using staphylococcal nuclease. A dynamical transition of protein around 230K is observed only for the hydrated protein. It is demonstrated that the functions of some proteins are suppressed with the loss of anharmonic dynamics as the proteins are cooled down below the dynamical transition temperature. Hydration level dependence of the dynamical transition was examined. The dynamical transition was observed at higher hydration level, 0.26gwater/gprotein. The previous work reported that about 0.2 gwater/gprotein hydration is necessary for the protein function. This suggests that dynamical transition is important for protein function. On the other hand, below the 150K, even low hydration affects the harmonic vibration of protein. At low temperature the protein boson peak was observed. Although the boson peak is commonly observed in synthetic polymers, glassy materials and amorphous materials, the origin of the boson peak has not been fully understood. The motions that contribute to the peak are harmonic vibrations. Upon hydration the peak frequency shifts to a higher frequency and the effective force constant of the vibration increases at low temperatures, suggesting that the protein energy surface is modified. Hydration of the protein leads to a more rugged potential surface and the vibrational motions are trapped within a local minimum at cryogenic temperatures. The origin of the protein boson peak is related to this rugged energy surface and the distribution of low-energy vibrations.