生物分子モーターの構造・機能の1分子動態解析研究.

生物分子马达结构与功能的单分子动力学分析研究。

• 批准号: 09279218
• 负责人: 安藤 敏夫
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kanazawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09279218/
• 关键词: ミオシン; ATP; 原子間力顕微鏡; 1分子計測; タンパク質振動; エネルギー変換

分子モーターのエネルギー変換過程において分子内に何が起こっているのであろうか。エネルギー変換は分子集団のレベルで起こるのではなく、個々の分子で起こる現象である。従って、1分子の振る舞いを直接観察・計測できる必要がある。原子間力顕微鏡カンチレバ-探針に分子モーターであるHMMを1分子だけ捕捉することに我々は既に成功している。この技術を利用してATPase反応に伴って起こるHMM分子の力学応答を1分子レベルで計測することを試みた。基板にATPを固定し、探針に捕捉したHMMをそこに近づける。HMMがATPと結合して後に起こるであろう変化をカンチレバ-の撓みの変化として捉えた。予想外にもカンチレバ-の高速振動が観察された。振動数は我々のサンプリングレートでは計測できなかったが100Hz以上と見積もられた。また、振動の振幅は約2nm(力に換算すると40pN)であった。この振動がHMM分子の構造振動に因るかどうかは即断できない。そうでない可能性として、HMMがATPと結合・解離を繰り返すことが考えられる。この場合には、振動中にカンチレバ-をゆっくり引き上げられば、その引き上げ過程初期にHMMはATPから解離し、カンチレバ-は下には撓まないはずである。実際に調べてみると、引き上げ過程でカンチレバ-は下に一旦撓んだ後に撓みの無い状態になった(破断現象、破断力約15pN)。従って、振動はHMM分子が2状態間を高速に行き来することによって起こるものと推測される。カンチレバ-を2nm変位させるに必要な仕事は4kBT(T=300°K)であり、これはATPの加水分解で供給されると考えられる。振動現象は重要な事実を意味する。すなわち、ATPから供給されたエネルギーは散逸せずにかなり長い時間HMM分子に貯えられる。この新しい現象は分子モーターにおけるエネルギー変換機構の重要な側面を表していると考えられる。

分子马达能量转换过程中分子内部发生了什么？能量转换是一种发生在单个分子而不是分子群体水平的现象。因此，有必要能够直接观察和测量单个分子的行为。我们已经成功地在原子力显微镜的悬臂尖端捕获了 HMM（一种分子马达）的单分子。使用这种技术，我们尝试测量单分子水平上 ATP 酶反应发生的 HMM 分子的机械响应。 ATP 固定在基板上，探针捕获的 HMM 靠近它。我们将 HMM 与 ATP 结合后发生的变化捕获为悬臂偏转的变化。出乎意料的是，观察到悬臂的高速振动。虽然我们的采样率无法测量频率，但估计超过100Hz。此外，振动幅度约为2 nm（换算为力时为40 pN）。无法立即确定这种振动是否是由于 HMM 分子的结构振动引起的。事实并非如此的一种可能性是 HMM 反复与 ATP 结合和解离。在这种情况下，如果在振动过程中缓慢拉起悬臂，则 HMM 将在拉动过程开始时与 ATP 解离，并且悬臂不应向下弯曲。当我们实际调查悬臂时，发现在拉伸过程中，悬臂一度向下弯曲，然后就不再偏转（断裂现象，断裂力约为15 pN）。因此，推测振动是由HMM分子在两种状态之间高速来回移动引起的。将悬臂移动 2 nm 所需的功为 4kBT (T=300°K)，这被认为是由 ATP 水解提供的。振动现象表明了一个重要事实。也就是说，ATP提供的能量在HMM分子中储存了相当长的时间而没有被耗散。这种新现象被认为代表了分子马达能量转换机制的一个重要方面。

项目成果

安藤敏夫: "原子間力顕微鏡とその応用" 細胞工学. 17・3. 458-468 (1998)

安藤敏夫：“原子力显微镜及其应用”细胞工程17・3（1998）。

石渡信一 他14名: "生体分子モーターの仕組み" 共立出版, 214 (1997)

Shinichi Ishiwata 等 14 人：“生物分子马达的机制”Kyoritsu Shuppan，214（1997）

H.Nakajima et al.: "Scanning Force Microscopy of the Interaction Events between a Single Molecule of Heavy Meromyoshin and Actin." Biochem.Biophys.Res.Commun.234. 178-182 (1997)

H.Nakajima 等人：“单分子重 Meromyoshin 和肌动蛋白之间相互作用事件的扫描力显微镜”。