茨城大学
理工学研究科(理学野)

教授

高妻 孝光

コウヅマ タカミツ
KOHZUMA Takamitsu
  • 1961年生まれ

その他の所属・職名

  1. フロンティア応用原子科学研究センター

経歴

  1. 大阪大学教養部化学教室助手 1989/04-1994/03
  2. 茨城大学理学部化学科助教授 1994/04-1995/03
  3. 英国 ニューカッスルアポンタイン大学化学科 博士研究員 1994/07-1994/09
  4. 茨城大学理学部自然機能科学科助教授 1995/04-2004/03
  5. 茨城大学大学院理工学研究科応用粒子線科学専攻助教授 2004/04-2004/09
  6. 茨城大学大学院理工学研究科応用粒子線科学専攻教授 2004/10-現在
  7. 茨城大学 大学院理工学研究科量子線科学専攻 教授(専攻長) 2016/10/01-2019/03/31
  8. 茨城大学 フロンティア応用原子科学研究センター センター長 2019/04/01-現在

学歴

  1. 金沢大学 自然科学研究科(学習院大学、甲南大学以外の大学) 生命科学専攻 博士 1989 修了
  2. 金沢大学 薬学研究科 修士 1986 修了
  3. 明治薬科大学 薬学部 衛生薬学科 1984

学位

  1. 学術博士 金沢大学
  2. 薬学修士 金沢大学

教育・研究活動状況

金属タンパク質の構造と反応に関する研究
 タンパク質をはじめとする生体分子においては、水素結合、ファンデルワールス力等に代表されるような弱い相互作用が集積されることにより、その構造と機能を発揮している。明確に弱い相互作用の構造をつきとめ、電子状態、機能との相関を調べることは、タンパク質の構造構築原理の解明、タンパク質機能の詳細解明、タンパク質デザイン等に展開することが期待されている。また、タンパク質は特異的な構造形成により、「タンパク質場」ともよべる、ユニークな反応場を与える。この「タンパク質場」と特異的機能との相関を解明するという観点から、金属タンパク質の活性中心から離れた位置での化学構造である第2配位圏と構造、および機能との相関の検討を行なってきている。金属タンパク質は、構造変化に鋭敏な電荷移動吸収帯やヘム鉄などの特徴的発色団を有するため、第2配位圏での構造変化情報が活性中心へ伝達される機構解明において、精密な結晶学的、分光学的、計算機科学的アプローチが容易である特徴を有する。金属タンパク質における弱い相互作用に関する構造の検出、構造構築原理、機能との相関についての検討を行い、特異的反応の理解と応用のために重要となる「タンパク質場」の理解へとつなげる。タンパク質デザインを行う上で重要となるタンパク質における弱い相互作用について、シュウドアズリンをモデルタンパク質として用いて明らかにしつつある。ブルー銅タンパク質のCTや酸化還元電位は微小(ではあるが、意味のある)な電子状態の変化を検出して、弱い摂動によるタンパク質機能の成因に関する知見を与える。また、ヘムタンパク質は、発色団であるヘムが弱い相互作用によって制御を受ける。特に、シトクロームc’は、構造がシンプルであるが、リガンド結合に鋭敏な構造変化を起こす。
 電子移動反応は、化学反応の中でも、最もシンプルなものである。ときとして、電子の移動とプロトンの移動がカップルする。タンパク質は、極めて高い効率の電子移動反応を、分子内、分子間で行なっている。ブルー銅タンパク質であるシュウドアズリンとその変異体の電子移動反応を調べることにより、弱い相互作用が機能へどのようにかかわっているかについての知見を得る。

当研究室で行なっているタンパク質の構造・物性・反応解析方法
X線結晶構造解析(実験室系と放射光)、NMRによる溶液構造解析、X線吸収スペクトル、紫外・可視共鳴ラマン散乱スペクトル、電子吸収スペクトル、CDスペクトル、MALDI-TOF質量分析、ストップトフロー(嫌気下)、パルスラジオリシス(東大原子力専攻との共同研究)、サイクリックボルタンメトリー

研究分野

  1. 生物無機化学
  2. 生体物質の機器分析
  3. 生体エネルギー変換
  4. タンパク質・核酸の構造・動態・機能

研究キーワード

  1. 金属タンパク質、ラマンスペクトル、電気化学、銅タンパク質、電子移動反応、海洋生物無機化学

研究テーマ

  1. タンパク質における弱い相互作用 2003-現在
  2. 銅タンパク質の構造と機能 1989/04-現在
  3. ブルー銅タンパク質の共鳴ラマンスペクトル 1989-現在
  4. 蛋白質の電子移動反応とプロトン移動反応 1989/04-現在
  5. 地球温暖化ガス亜酸化窒素の酵素還元反応機構に関する研究 地球温暖化ガスである亜酸化窒素を最終電子受容体とする脱窒菌由来の亜酸化窒素還元酵素の反応機構を紫外共鳴ラマンスペクトルによって研究する 2007/05-現在
  6. 海洋における無機微量栄養元素の生物利用 海洋、特にサンゴ礁域における無機栄養元素の生物学的循環機構の解明を行なう 2013/04-現在

共同・受託研究希望テーマ

  1. 機能性タンパク質の創製 産学連携等、民間を含む他機関等との共同研究を希望 受託研究

著書

  1. 元素118の新知識 櫻井 弘、荒野 泰、小谷 明、高妻孝光、佐治英郎、鈴木晋一郎、寺嶋孝仁、中山祐正、根矢三郎、羽場宏光、廣田 俊、藤井敏司 講談社 2017/08/20
  2. フロンティア 生物無機化学 三共出版 2016/12/05 978-4-7827-9756-2
  3. 元素111の新知識 第2版 講談社ブルーバックス 2009
  4. 生命元素事典 Ohmsha 2006
  5. Functional Characterization of the Evolutionarily Divergent Fern Plastocyanin Jose´ A. Navarro, Christian E. Lowe, Reinout Amons, Takamitsu Kohzuma, Gerard W. Canters, Miguel A. De la Rosa, Marcellus Ubbink and Manuel Herva´s Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives 2005

論文

  1. 研究論文(学術雑誌) Solution Structure Determination of a Copper-containing Nitrite Reductase of Achromobacter cycloclastes by Small Angle Neutron Scattering Yamaguchi Takahide, Wood Kathleen, Taborosi Attila, Akao Kouhei, Kohzuma Takamitsu Chemistry Letters 公益社団法人 日本化学会 47/ 6, 751-752 2018 0366-7022 URL <p>A copper-containing nitrite reductase (NiR) catalyzes NO2 reduction in denitrifying bacteria. The reaction mechanism was proposed based on the trimeric crystal structure. In this study, a small angle neutron scattering (SANS) experiment with NiR from Achromobacter cycloclastes (AcNiR) was performed, and the first solution structure was obtained. The obtained radius of gyration, the calculation of the scattering curve from the available pdb structure and ab initio modelling all indicate a trimeric structure of AcNiR in solution.</p>
  2. (MISC)総説・解説(学術雑誌) 共著 SCCJ Café – Season 5 – 生命現象の分子科学 (4) 「新しい量子ビーム・ミュオン分光と理論的アプローチ」 飯沼 裕美, 大場 優生, 河村 成肇, 高妻 孝光, 菅原 洋子, 高柳 敏幸, 立川 仁典 Journal of Computer Chemistry, Japan 日本コンピュータ化学会 16/ 1, A12-A17 2017 1347-1767 URL <p>近年,陽子加速器及び関連する量子線テクノロジーの進展がめざましい.陽子加速器は,陽子を加速し,水銀のようなターゲットにぶつけ,核破砕によって,中性子,π中間子,ミュオンなどの量子線を作り出される.この中でも,高い物質透過性を有する中性子とミュオンが,X線では届かない様々な物質・生命研究へと展開されつつある.本稿では,ミュオンという新しい量子線を紹介し,化学への応用という観点から,計算機科学との関係について紹介する.</p>
  3. 研究論文(学術雑誌) 共著 Stabilization of protein structure through π-π interaction at the second coordination sphere of pseudoazurin Takahide Yamaguchi, Yuko Nihei, Duncun Southerlands, Martin Stillman, Takamitsu Kohzuma Protein Science 1921-1931 2017
  4. 研究論文(学術雑誌) 共著 The pH Dependent Protein Structure Transitions and Related Spin-State Transition of Cytochrome c′ from Alcaligenes xylosoxidans NCIMB 11015 Takashina Akiko, Tiedemann Michael T., Unno Masaki, Yamaguchi Takahide, Stillman Martin J., Kohzuma Takamitsu Bulletin of the Chemical Society of Japan 公益社団法人 日本化学会 90/ 2, 169-177 2017 0009-2673 URL <p>The unusual magnetic/spectroscopic properties of Cytochrome c′ (Cyt c′) have been discussed, especially concerning the possibility of a quantum mechanically mixed-spin configuration of heme Fe(III). Here, four unique-spin species were identified from the magnetic circular dichroism (MCD) spectra of Cyt c′ from Alcaligenes xylosoxidans (AxCyt c′). The ESI-MS and CD spectroscopic data showed the overall conformation of AxCyt c′ was unchanged, in complete contrast to the drastic changes in the heme MCD spectra over the range of pH 3.5 and 11.8. The pH dependency of ESI-MS, electronic absorption, MCD, and CD spectroscopic properties of AxCyt c′ enabled us to reveal the undiscovered correlation between the protein-folding state and the electronic structure of the active site as a function of pH. The mechanism of alkaline spin-state transition through the rearrangement of the hydrogen-bonding linkage between Helix C and D is also proposed on the basis of atomic resolution crystal structure analyses (A. Takashina, M. Unno, T. Kohzuma, Chem. Lett. 2015, 44, 268).</p>
  5. 研究論文(学術雑誌) 共著 X-ray crystallographic evidence for the simultaneous presence of axial and rhombic sites in cupredoxins: atomic resolution X-ray crystal structure analysis of pseudoazurin and DFT modelling T. Yamaguchi, K. Akao, A. Takashina, S. Asamura, M. Unno, R. K. Szilagyi, T. Kohzuma RSC Adv. 6, 88358-88365 2016

研究発表

  1. 口頭発表(招待・特別) THE RICH CHEMISTRY OF WEAK INTERACTION IN BLUE COPPER PROTEIN Asian Society of Bioinorganic Chemistry 2018 Noncovalent weak interactions play important roles in biological systems [1]. In particular, such interactions in the second-coordination shell of metal ions in proteins modulate the structure and reactivity of the metal ion site in functionally significant ways. Recently, we have demonstrated the perturbation of weak non-covalent interaction on the structure and properties of copper site in a blue copper protein, pseudoazurin (PAz) [2]. PAz is well known to work as an electron transfer protein to NO2- reductase and N2O reductase in denitrifying bacteria [3]. The weak interaction at Met16 with a copper coordinated histidine (His81) imidazole ring in the second coordination sphere provides not only for the modulation of PAz properties but also the whole protein stability [4]. In this lecture, I also would like to introduce the utilization of modern quantum beams involving Synchrotron X-ray, Neutron Beam, and Muon in biological inorganic chemistry.
  2. 口頭発表(招待・特別) The Rich Chemistry of Weak Interaction in a Blue Copper Protein, Pseudoazurin International Conference of Coordination Chemistry, 2018 2018 Noncovalent weak interactions play important roles in biological systems1. In particular, such interactions in the second-coordination shell of metal ions in proteins modulate the structure and reactivity of the metal ion site in functionally significant ways. Recently, we have demonstrated the perturbation of weak non-covalent interaction on the structure and properties of copper site in a blue copper protein, pseudoazurin (PAz)2. PAz is well known to work as an electron transfer protein to NO2- reductase and N2O reductase in denitrifying bacteria3. The weak interaction at Met16 with a copper coordinated histidine (His81) imidazole ring in the second coordination sphere provides not only for the modulation of PAz properties but also the protein stability4. We also would like to report the recent solution structure analysis by small angle neutron scattering in this lecture.
  3. 口頭発表(招待・特別) Advanced X-ray spectroscopic and crystallographic studies of weak non-covalent interaction in blue copper protein International Conference of Moleclular Spcetroscopy 2017
  4. 口頭発表(一般) Structure and Function of Weak Interaction in a Blue Copper Protein, Pseudoazurin Mettalomics 2017
  5. 公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等 The Rich Chemistry of Weak Interaction in a Blue Copper Protein, Pseudoazurin Seminar at Department of Chemistry, University of Rhode Island 2017

知的財産権

  1. 特許 反応解析装置 特願2000−246148(P2000−246148) 2000/08/15 特開2002−62263(P2002−62263A) 2002/02/28

所属学協会

  1. 日本化学会
  2. 錯体化学会
  3. Society of Bilogical Inorganic Chemistry
  4. 日本コーヒー文化学会 2014-現在

委員歴

  1. 日本コーヒー文化学会 理事 2014/04-現在