Study of protein hydration via neutron scattering

中性子散乱による蛋白質の水和の研究

中川 洋   ; 味戸 聡志

Nakagawa, Hiroshi; Ajito, Satoshi

生体高分子の水和・脱水は、構造の安定化や生体機能の変化をもたらす。水和水の構造とダイナミクスは、生体系の水和・脱水過程を理解するために不可欠である。中性子はオングストロームオーダーの波長と熱エネルギーを持っているため、生体分子や水和水の構造やダイナミクスを観察できる。水素と重水素の中性子散乱断面積の差が大きいことから、生体高分子や水和水を選択的に重水素化することで、生体高分子や水和水からの散乱を強調することができる。非干渉性中性子散乱及び小角中性子散乱は、それぞれ、水和水のダイナミクスや水和殻の密度及び構造を調べることができる。日本では、JRR-3原子炉とJ-PARC加速器の中性子源で実験可能である。本総説では、中性子散乱法の概要とタンパク質の水和への応用について解説することを目的とする。

Hydration and dehydration of bio-macromolecules result in the changes in the structural stabilization and biological functionality. The structure and dynamics of the hydration water are essential to understand the hydration and dehydration processes of the biosystem. Since neutron has wavelength in the order of angstrom and thermal energy, it is able to observe the structures and dynamics of the bio-molecules and hydration water. The large difference in neutron scattering cross-sections between hydrogen and deuterium provides powerful methods for emphasizing the scattering from a bio-macromolecule or hydration water by selective deuteration for hydrated biological materials. Incoherent neutron scattering and small-angle neutron scattering are able to examine the dynamics of the hydration water, and the density and structure of the hydration shell, respectively. The neutron sources, JRR-3 reactor and J-PARC accelerator, are available in Japan. The present review aims to provide the readers with brief descriptions of the neutron scattering methods and the applications to the protein hydration.