量子ビームで解明する糖溶液中のタンパク質水和構造

Analysis of the protein hydration structure in sugar solution by quantum beam

味戸 聡志

Ajito, Satoshi

糖は代表的な生体保護物質であり、タンパク質に対しても明確な構造安定化作用を示すことが知られている。その一方で、タンパク質保護作用の分子メカニズムについては議論が続いており、比較的単純な水溶液系においても複数の仮説が提唱されていた。「水素結合置換説」では、糖とタンパク質が直接水素結合を形成することで高次構造が安定化されると主張されている。その一方で、「選択的水和説」では、糖溶液中でタンパク質が選択的に水和されることで変性に伴う構造変化が不利になると主張されている。本研究では上記の仮説を構造学的に証明するため、中性子小角散乱法と放射光X線小角散乱法を相補的に利用し、糖溶液中におけるタンパク質の水和構造を解析した。小角散乱法は生体高分子や合成高分子の構造解析に有効な手法である。中でも、中性子小角散乱法は重水素化によって試料の散乱能をコントロールすることが可能であり、多成分系の構造解析研究に威力を発揮する。本研究では糖を不可視化し、タンパク質の水和構造を選択的に観測した。中性子小角散乱法を用いて糖溶液中のタンパク質水和殻を解析したところ、水だけからなる水和殻が糖溶液中でも保持されていることが明らかとなり、「選択的水和説」を強く支持する結果が得られた。さらに、放射光X線を用いて「選択的水和」の糖の種類による依存性を検討した結果、二糖であるトレハロースおよびスクロースでは30%程度まで「選択的水和」が持続した一方で、単糖であるグルコースおよびフルクトースでは15%前後からタンパク質水和殻への浸透が観察された。本研究結果は、二糖の優れた生体保護作用を定性的に説明するものであり、上記の相関の定量化が今後の課題である。

Sugar is a typical bioprotectant, and is known to stabilize structures of protein. Several hypotheses have been proposed even in a simply aqueous solution system. The "hydrogen bond replacement theory" claims that protein structures are stabilized by direct hydrogen bond formation between sugar and protein. On the other hand, The "preferential hydration theory" is claims that the preferential hydration of a protein in a sugar solution put a structural change with denaturation at energetically unfavorabl. In order to structurally prove the above hypothesis, small-angle neutron scattering method and small-angle X-ray scattering method were used complementarily to analyze the hydration structure of the protein in the sugar solution. The small angle scattering method is an effective for structural analysis of biopolymers and synthetic polymers. The small-angle neutron scattering method can control the scattering density of the sample by deuteration, and is effective for multicomponent systems. In this study, the sugar was made invisible and the hydration structure of the protein was selectively observed. Analysis of the protein hydration shell using the neutron small angle scattering method revealed that the hydration shell consisting of only water was retained in the sugar solution, strongly supporting the "selective hydration theory". The result was obtained. Furthermore, as a result of investigating the dependence of "preferential hydration" on the type of sugar using X-ray, while "preferential hydration" was maintained up to about 30% for the disaccharides. For monosaccharides, penetration into the protein hydration shell was observed from around 15%. The results qualitatively explain the superior bioprotective action of disaccharides, and quantification of the above correlation is a future subject.