北 川 禎 三（教授） （分子動力学研究部門兼務）
A -1)専門領域：振動分光学、生物物理化学
A -2)研究課題：
a) 蛋白質の超高速ダイナミクス
b) タンパク質高次構造による機能制御と紫外共鳴ラマン分光 c) 生体系における酸素活性化機構
d) 金属ポルフィリン励起状態の振動緩和及び構造緩和 e) 振動分光学の新テクニックの開発
f) 呼吸系及び光合成反応中心における電子移動／プロトン輸送のカップリング機構 g) NO レセプター蛋白の構造と機能
h) タンパク質のフォルディング／アンフォルディングの初期過程 i) センサーヘム蛋白質のセンシング及び情報伝達機構
j) D NA フォトリアーゼの D NA 修復機構の解明 k) β2ミクログロブリンのアミロイド形成機構の解明
A -3)研究活動の概略と主な成果
時間分解共鳴ラマン分光法と赤外分光法を主たる実験手法とし，反応中間体や励起状態のように寿命の短い分子種或い は顕微鏡サイズの蛋白質構造体の振動スペクトルを観測することにより，反応する分子の動的構造や会合による高次構造 変化を解明して，構造と機能との関係を明らかにする研究を進めている。扱う物質としては金属タンパク質とアミロイド化蛋 白質が主で，次のように分類される。
a) ピコ秒時間分解ラマンによるタンパク質超高速ダイナミクス。ミオグロビンC O付加体の光解離・再結合過程をピコ 秒可視ラマン分光で追跡した。T he C hemical R ecords第１巻にそのまとめ論文が掲載されている。時間分解紫外共鳴 ラマンも同時に調べている。フィトクロムの研究では水谷助手が井上賞を受賞した。１９９７年には，水谷助手（現神戸 大助教授）のミオグロビンのヘム冷却過程の研究成果が雑誌Scienceに掲載された。水谷博士はその一連の研究が評 価されて森野研究奨励賞を受賞した。光合成反応中心タンパク等も取り扱っている。現在は，小分子を検出するセン サー蛋白のセンシング及びシグナリング機構の解明の研究を展開しつつある。
b) タンパク質高次構造による機能制御と紫外共鳴ラマン分光。へモグロビンの４次構造を反映するラマン線を見つけ 帰属した。また200 nm付近のレーザー光でラマン散乱を測定できる実験系を製作し，タンパク質高次構造の研究に 応用した。１分子が約300残基からなるタンパク分子中の１個のチロシンやトリプトファンのラマンスペクトルの 抽出に成功し，それが４次構造変化の際にどのように変化しているかを明らかにした。
c) 生体系における酸素活性化機構。O2 → H2O を触媒するチトクロム酸化酵素，O2 → H2O + SO を触媒するチトクロ ムP-450，H2O2 → H2Oを触媒するペルオキシダーゼ等のへム環境の特色，その反応中間体である高酸化ヘムのF eIV=O 伸縮振動の検出等，この分野の国際的フロンティアをつくっている。小倉助手（現姫工大教授）のチトクロム酸化酵 素によるO2還元機構の研究は１９９３年の化学会進歩賞受賞の栄誉に輝いた。その研究成果が「分子細胞生物学」第４ 版（ H. L odish ら著，野田春彦ら訳，東京化学同人）のような教科書に掲載されるにいたっている。また総研大生でこ
の仕事をしていた廣田君（現京薬大助教授）は井上賞を受賞した。
d)金属ポルフィリン励起状態のダイナミクス。ピコ秒時間分解ラマンが現在の仕事の中心，振動緩和の測定で振動エ ネルギー再分配に新しい発見をして１９９９年にJ. Chem. Phys. に印刷された。ポルフィリンの一重項，三重項励起状 態をナノ秒ラマンで調べる一方，金属ポルフィリンダイマーの励起状態π−π相互作用をピコ秒ラマンで見つけた。 数ピコ秒で起こる振動エネルギー再分布にモード選択性もみつけて，BCSJ の A ccount論文として掲載されるにい たっている。
e) 新しい原理を用いたフーリエ変換ラマン分光計の試作，及びC C D を用いたスキャニング・マルチチャンネルラマン 分光器の試作，紫外共鳴ラマン用回転セル，酵素反応中間体測定用フローラマン装置の製作，ナノ秒温度ジャンプ装 置の製作，ダイオードレーザーを光源とする高感度赤外分光法の開発，高分子量蛋白質の高分解能紫外共鳴ラマン スペクトル測定装置の製作，サブナノ秒時間分解紫外共鳴ラマン測定系の製作。
f) 有機溶媒中のキノン，及びその還元体の紫外共鳴ラマン分光とバクテリア光合成反応中心タンパク中のキノンA ， B の共鳴ラマンスペクトルの観測。キノンの中性形，電気還元したアニオン形のラマンスペクトルの溶媒依存性の 解明，同位体ラベルユビキノンの解析に向かっている。キノンを電子供与体とする呼吸系末端酸化酵素であるチト クロムbo についても研究を進めている。
g)ウシ肺から可溶性グアニレートシクラーゼを単離・精製し，その共鳴ラマンスペクトルを観測した。反応生成物のサ イクリックGMPがNOの親和性を制御することを初めて指摘した。この研究を行った院生の富田君（現東北大助手） は１９９７年度の総研大長倉賞，及び１９９８年度井上賞を受賞した。C O結合体に２種の分子形があり，Y C -1のようなエ フェクターを入れると分子形は１種類になり，活性は200倍近くなる。そのC Oは普通の測定条件では光解離しない ように見え，Y C -1無しの場合と様子が異なる。昆虫細胞を用いて本酵素を大量発現させ，その共鳴ラマンスペクト ルを調べる方向に研究を展開中。
h)ナノ秒温度ジャンプ法を用いてウシのリボヌクレアーゼA の熱アンフォルディングのナノ秒時間分解ラマンの測 定に成功。タンパク質のナノ秒温度ジャンプでは世界で初めてのデータである。高速ミキシングセルを用い，アポミ オグロビンのマイクロ秒域のフォルディング中間体を紫外共鳴ラマンで検出する事に初めて成功した。
i) 環境因子としてC O，NO，O2等の２原子分子を特異的に検出し，合目的の生理的応答をつくり出すセンサー蛋白質の うちでヘムをもつものに対象を絞り，各蛋白質が２原子分子を識別するメカニズム，検出後にそれを機能発生部位 に伝達するメカニズムを時分割紫外共鳴ラマン分光法を用いて明らかにする。大腸菌のD os，細菌のHemA T につい て調べた。
j) DNA の損傷を受けた部分を光の作用で修復する酵素を大腸菌でクローニングし，それを大量発現する。その蛋白に 補酵素である F A D や MT HF を結合させた時の蛋白の構造変化を紫外共鳴ラマン法で検出すると共に，その蛋白が 損傷を受けたD NA と相互作用する様子を調べる。更にそこへ青色光を照射してD NA が修復される途中の構造を検 出して，そのメカニズムを明らかにしていく。
k)免疫蛋白の抗原結合部位に相当するβ2ミクログロブリンは透析治療を長く続けた患者の血液中に集積され，突然ア ミロイド線維を形成する。そのアミロイド線維の顕微偏光赤外スペクトルを測定して，線維中の蛋白分子の構造を 論じる。また，紫外共鳴ラマン分光法によりこの分子のモノマーとフィブリル状態の構造の違いを明らかにする。こ の蛋白の #11-21残基でフィブリルをつくらせたものについて既に報告したが，#20-41残基や #76-91残基，それらの 混合物でつくったフィブリルについても測定を進め，高次構造形成に誘導減少があるかどうかを明らかにする。
B -1) 学術論文
Y. MIZUTANI and T. KITAGAWA, “Vibrational Energy Relaxation of Metalloporphyrins in a Condensed Phase Probed by Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy,” Bull. Chem. Soc. Jpn. 75, 623–639 (2002).
T. UCHIDA, Q. HE, C. Y. RALSTON, M. BRENOWITZ and M. R. CHANCE, “Linkage of Monovalent and Divalent Ion Binding in the Folding of the P4-P6 Domain of the Tetrahymena Ribozyme,” Biochemistry 41, 5799–5806 (2002).
T. UCHIDA, K. TAKAMOTO, Q. HE, M. R. CHANCE and M. BRENOWITZ, “Multiple Monovalent Ion-Dependent Pathways for the Folding of the L-21 Tetrahymena Thermophila Ribozyme,” J. Mol. Biol. 328, 463–478 (2003).
N. C. MAITI, T. TOMITA, T. KITAGAWA, K. OKAMOTO and T. NISHINO, “Resonance Raman Studies on Xanthine Oxiase: Observation of the MoVI-Ligand Vibration,” J. Biol. Inorg. Chem. 8, 327–333 (2003).
H. ARII, Y. SAITO, S. NAGATOMO, T. KITAGAWA, Y. FUNAHASHI, K. JITSUKAWA and H. MASUDA, “C–H Activation by Cu(III)2-O2 Intermediate with Secondary Amino Ligand,” Chem. Lett. 32, 156–157 (2003).
M. MIZUNO, H. HAYASHI, S. FUJINAMI, H. FURUTACHI, S. NAGATOMO, S. OTAKE, K. UOZUMI, M. SUZUKI and T. KITAGAWA, “Ligand Effect on Reversible Conversion between Copper(I) and Bis(µ-oxo)Dicopper(III) Complex with a Sterically Hindered Tetradentate Tripodal Ligand and Monooxygenase Activity of Bis(µ-oxo)dicopper(III) Complex,” Inorg. Chem. 42, 8534–8544 (2003).
D. OKUNO, T. IWASE, K. SHINZAWA-ITOH, S. YOSHIKAWA and T. KITAGAWA, “FTIR Detection of Protonation/ Deprotonation of Key Carboxyl Side Chains Caused by Redox Change of the CuA-Heme a Moiety and Ligand Dissociation from the Heme a3-CuB Center of Bovine Heart Cytochrome c Oxidase,” J. Am. Chem. Soc. 125, 7209–7218 (2003).
B -4) 招待講演
北川禎三 , 「生物無機化学の概要と呼吸酵素による酸素還元のメカニズム：時間分割共鳴ラマン分光法による解明」, NA S D A セミナー , 宇宙研筑波センター, 2003 年 4 月 .
北川禎三, 「共鳴ラマン分光法によるガスセンサー蛋白の特異的センシングメカニズムの解明」, 生理研研究会, 岡崎, 2003 年 5月 .
北川禎三、水谷泰久, 「溶液中および蛋白中の金属ポルフィリンの振動緩和」, 岡田 正 教授退官記念講演会, 大阪, 2003 年 5月 .
北川禎三 , 「分子の振動を観測してタンパク質の働くメカニズムを明らかにする」, 安城市シルバーカレッジ , 安城市民会館 , 2003年 6月 .
北川禎三 , 「からだで活躍する金属イオン」, 岡崎市民大学 , 岡崎市民会館 , 2003 年 8月 .
北川禎三, 「ラマン分光学による酵素―構造と機能解析」, 第３９回分光学会夏期セミナー, 幕張メッセ国際会議場, 2003 年 9月 .
T. KITAGAWA, “Oxygen Activation Mechanism of respirator terminal enzymes Probed by time-resolved resonance Raman Spectroscopy,” Guest professor lecture, Key Laboratory for Molecular Enzymology and Engineering of Ministry of Education, Jilin, Chungchung, January 2003.
T. KITAGAWA, “Time-resolved Resonance Raman Study on Vibrational Energy Relaxation of Metalloporphyrins in Solution,” Guest professor lecture, Dept. of Physics, Hennan University, Henan, January 2003.
T. KITAGAWA, “FTIR Detection of Protonation/Deprotonation of Key Carboxyl Side Chains Caused by Redox of the CuA- heme a Moiety and Ligand Dissociation from the Heme a3-CuB Center of Bovine Heart Cytochrome c Oxidase,” Intl. Conf. On Vib. Spectrosc. of Proteins, Freiburg (Germany), May 2003.
T. KITAGAWA, “Resonance Raman study on mechanisms of specific ligand recognition and signal transduction of sensory heme proteins,” Molecular Structural Basis of Information Reception and Transfer, The Science Council of Japan, June 2003. T. KITAGAWA, “Resonance Raman studies of xanthine oxidase,” Gordon Res. Conf. On Molybdenum & Tungsten Enzymes, Kimball Union Academy, NH (U. S. A. ), June–July (2003).
T. KITAGAWA, “Structural and vibrational relaxation of carbonmonoxymyoglobin and its mutant following photolysis of CO,” Telluride Workship Protein Dynamics,Telluride, Colorado (U. S. A. ), July 2003.
T. KITAGAWA, B. PAL., T. OHTA, Z. LI, S. TAKENAKA and S. TSUYAMA, “Formation of unphotodissociable CO- heme adduct in soluble guanylate cyclase,” 11th Intl. Conf. Biol. Inorg. Chem., Cairns (Australia), July 2003.
T. KITAGAWA and Y. MIZUTANI, “Vibrational and structural relaxations of metalloporphyrins and heme proteins probed by time-resolved resonance Raman spectroscopy,” XIIth Chinese National Conference on Light Scattering, Dalian (China), October 2003.
B -6) 受賞、表彰
北川禎三 , 日本化学会学術賞 (1988). 小倉尚志 , 日本化学会進歩賞 (1993). 水谷泰久 , 井上研究奨励賞 (1995). 廣田俊 , 井上研究奨励賞 (1996). 北川禎三 , 日本分光学会賞 (1996). 富田毅 , 総研大長倉賞 (1997). 富田毅 , 井上研究奨励賞 (1998). 水谷泰久 , 森野研究奨励賞 (2001). 北川禎三 , 日本化学会賞 (2002).
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
IUPA C A ssociate Members of C ommission on B iophysical C hemistry (1996. 1- ). 日本分光学会東海支部幹事 (1986.4-1991.3).
日本分光学会評議員 (1987- ).
日本化学会東海支部代議員 (1986-1988). 日本化学会東海支部幹事 (1988-1990).
日本化学会化学展 92 企画委員会副委員長 (1991). 日本化学会賞推薦委員 (1994).
日本化学会学会賞選考委員 (1998), 委員長 (1999). 日本生化学会評議員 .
日本化学会東海支部副支部長 (1999). 日本化学会東海支部支部長 (2000). 中部化学連合討論会実行委員長 (2000). 日本化学会東海支部監査役 (2001-2002). 日本化学会理事 (2002-2003).
学会の組織委員
Internatinal Conference on Raman Spectroscopy, International Steering Commitee (1988-1994).
International Conference on Time Resolved Vibrational Spectroscopy, International Organizing Commitees (1989- ). 11th International Conferens on Photobiology, Symposium organizer (1992).
Vth Intr1. Conf. on Time-resolved Vibrational Spectroscopy(Tokyo), Loca1 Organizing Committee (1991).
Symposium on Recent Developments in Vibrational Spectroscopy, International Chemical Congress of Pacific Basin Societes (one of organizers).
Co-organization: US-Japan Symposium on “Ligand Binding to Myoglobin and Hemoglobin” Rice University, Houston, March, 1-5 (1997).
Co-organization: US-Japan Symposium on “Proton Coupled Electron Transfer” Kona,Hawaii, Nov. 11-15 (1998). Co-organization: Symposium in International Chemical Congress of Pacific Basin Societies “Raman Spectroscopy: Coming Age in the New Millennum” Hawaii, Dec 14-18 (2000).
Co-organization: 10th International Conference on Time-resolved Vibrational Spectroscopy, Okazaki, May 21-25 (2001). Organizer: 2002 IMS COE Conference “Dynamical Structures and Molecular Design of Metalloproteins,” Nov. 18-21 (2002).
Organizer: AsBIC-1 “The First Asian Meeting of Bioinorganic Chemistry,” Okazaki, March 7-10 (2003).
Coorganization with J. Friedrich and R. J. D. Miller; Telluride workshop: Protein dynamics, Tellride, Colorado, USA, July 14-18 (2003).
Organization: Symposiium on Sensory Proteins, in 11th ICBIC, Cairns, Australia (2003).
文部科学省、学術振興会等の役員等
文部省学術審議会科研費分科会理工系小委員会委員 (1997-1998). 日本学術会議化学研究連絡委員会委員 (1997-1999).
文部省学術審議会専門委員会科研費審査委員 (1991-1993, 1995-1998, 2000- ).
日本学術振興会特別研究員等審査会専門委員 (1992-1993, 1994-1995, 1996-1997, 1998-1999, 2000-2001). 日本学術振興会国際科学協力委員会委員 (1998-2000).
日本学術振興会未来開拓事業委員会複合領域専門委員 (1998-2001). 科学技術庁研究開発局評価委員 (1994).
さきがけ研究アドバイザー (生体分子の形と機能：2000- ，光と制御：2003- ). 大学評価 工学部評価専門委員 (2002-2003).
文部科学省２１世紀教育・研究 C OE 選考委員（化学・材料部門） (2002). 学会誌編集委員
Journal of Physical Chemistry, Advisory Board (1993-1997).
Chemical Physics, Advisory Board (1993- ).
Journal of Molecular Liquids, Editorial Board (1993- ). Asian Journal of Physics, Advisory Board (1991- ). Biospectroscopy, Editorial Board (1993- ).
Journal of Raman Spectrocopy, Advisory Board (1995- ).
Journal of Biological Inorganic Chemistry, Advisory Board (1995-1997). Journal of Biological Inorganic Chemistry, Editorial Board (1999-2002). Journal of Inorganic Biochemistry, Editorial Board (2001- ).
Chemistry Letters, 編集委員 (2003-2004).
科学研究費の研究代表者、班長等 重点研究「生物無機」班長 (1991-1993). 総合研究(B )班長 (1994, 1995).
重点研究「生体金属分子科学」領域代表者 (1996-1999). 特定領域研究(A )「未解明鍵物質」班長 (2000-2002). 基盤研究(A ) (2001-2002).
基盤研究(S ) (2002). 特別推進研究 (2002- ).
B -8) 他大学での講義、客員
北川禎三 , 総研大光科学専攻 , 「V ibrational S pectroscopy」, 2003 年 12 月 .
C ) 研究活動の課題と展望
a) タンパク質高次構造の速いダイナミックスとそのセンサー蛋白質における重要性：時間分解共鳴ラマン分光 b)生体 NO の合成及び反応機構：時間分解赤外分光
c) 蛋白質の分子内情報伝達機構の構造化学：紫外共鳴ラマン分光
d)チトクロム酸化酵素における電子移動とプロトン輸送とのカップリング機構の解明 e) 生体における酸素活性化機構
f) ヘムを含むセンサー蛋白のセンシングと機能実行メカニズム
g)ナノ秒温度ジャンプ装置の制作とそれを用いた蛋白質フォールディング／アンフォールディングの追跡 h)タンパク質の高感度顕微赤外分光：β2ミクログロブリンを材料とし，アミロイド化による配向フィブリルの偏光赤
外測定により，蛋白の２次構造を明らかにすると共にフィブリル化のきっかけをつくるものを探す。
i) D NA フォトリアーゼによるD NA 修復機構：大腸菌のフォトリアーゼをクローニングし，その蛋白を大腸菌で作らせ て，紫外共鳴ラマンスペクトルを調べる。補酵素結合による蛋白の構造変化，DNA との結合様式，青色光照射による 光修復機構の解明を目指す。
以上のテーマを中心に時間分解振動分光の手法をシャーブに生かした研究を進めて行きたい。
