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Freezable and unfreezable hydration water; Distinct contributions to protein dynamics revealed by neutron scattering

凍結する水和水と凍結しない水和水; 中性子散乱で明らかにした蛋白質ダイナミクスへの異なる寄与

山本 直樹*; 古府 麻衣子  ; 中島 健次  ; 中川 洋; 柴山 修哉*

Yamamoto, Naoki*; Kofu, Maiko; Nakajima, Kenji; Nakagawa, Hiroshi; Shibayama, Naoya*

水和水は、機能発現に必要な蛋白質のダイナミクスを活性化するために重要な役割を果たしている。しかし、水和水がどのようにして蛋白質のダイナミクスと結びついているのか、その詳細は不明である。水和水の氷形成の温度ヒステリシスは、凍結不可能な水和水と凍結可能な水和水のどちらのタイプの水和水が蛋白質ダイナミクスの活性化に重要な役割を果たしているのかを理解するための鍵となる現象である。中性子散乱を用いて、凍結可能な水和水の氷の回折ピークに温度ヒステリシス現象が観測されたのに対し、蛋白質ダイナミクスでは温度ヒステリシスは観測されなかった。これらの結果から、蛋白質のダイナミクスは凍結可能な水和水のダイナミクスとは連動しておらず、蛋白質のダイナミクスの活性化には凍結不可能な水和水が不可欠であることが明らかになった。

Hydration water plays a crucial role for activating the protein dynamics required for functional expression. Yet, the details are not understood about how hydration water couples with protein dynamics. A temperature hysteresis of the ice formation of hydration water is a key phenomenon to understand which type of hydration water, unfreezable or freezable hydration water, is crucial for the activation of protein dynamics. Using neutron scattering, we observed a temperature-hysteresis phenomenon in the diffraction peaks of the ice of freezable hydration water, whereas protein dynamics did not show any temperature hysteresis. These results show that the protein dynamics is not coupled with freezable hydration water dynamics, and unfreezable hydration water is essential for the activation of protein dynamics.

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