水溶液中のヘムタンパク質のスピン状態の観測に成功 ―ミオグロビン水溶液の軟X線吸収分光測定―

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2026-09-07 分子科学研究所

研究グループは、軟X線吸収分光(XAS)と内殻励起計算を組み合わせ、室温の水溶液中にあるミオグロビンのヘム鉄のスピン状態を直接解析する手法を開発した。これまで、タンパク質由来の窒素信号に埋もれるため困難とされていたN K吸収端XASで、ヘムのポルフィリン環に由来するC=N π*ピークを分離して観測することに成功した。解析の結果、オキシミオグロビンは低スピン状態(S=0)である一方、デオキシミオグロビンはS=2とS=1、メトミオグロビンはS=5/2とS=3/2のスピン平衡状態にあることを明らかにした。ヘムのスピン状態が温度や溶媒、ポリペプチド鎖との相互作用に左右されることも示され、機能発現状態での「その場」測定の重要性が明確になった。本手法は、酸素結合だけでなく電子伝達や触媒反応を担う多様なヘムタンパク質の電子状態研究への応用が期待される。

水溶液中のヘムタンパク質のスピン状態の観測に成功 ―ミオグロビン水溶液の軟X線吸収分光測定―

図1 : 25 °Cの水溶液中のミオグロビンのヘムのN K吸収端XASスペクトル。(a) oxyMb, (b) deoxyMb, (c) metMbのポルフィリン環のC=N π*ピークと分子構造を示す。内殻励起計算との比較により、異なる状態のヘムのスピン状態を明らかにした。

<関連情報>

ポルフィリン環の窒素K吸収端X線吸収分光測定による室温の水溶液中のミオグロビンのヘムのスピン状態の観測

Spin states of myoglobin heme iron in aqueous solutions at room temperature probed from porphyrins using nitrogen K-edge X-ray absorption spectroscopy

yasunobu sugimoto;Shota Tsuru;Masanari Nagasaka

Physical Chemistry Chemical Physics  Published:24 August 2026

DOI:https://doi.org/10.1039/D6CP00764C

The porphyrin C=N π* peaks of myoglobin heme iron in aqueous solutions at room temperature were observed using nitrogen K-edge X-ray absorption spectroscopy (XAS), which enabled separation from the protein polypeptide peaks. The spin states of the heme iron were investigated by interpreting the C=N π* peaks through inner-shell calculations. Oxymyoglobin, in which an Fe2+ ion is connected to an oxygen molecule, is in the S = 0 state. By contrast, deoxymyoglobin with an Fe2+ ion shows a spin equilibrium between the S = 2 and 1 states, while metmyoglobin with an Fe3+ ion coordinated to a water molecule shows a spin equilibrium between the S = 5/2 and 3/2 states. This study proposes that N K-edge XAS measurements of porphyrins are effective for determining the spin equilibrium of heme proteins, which is influenced by liquid temperature and protein structure.

生物化学工学
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