2A08
新規レーザー脱離分光法の開発と生体分子の気相分光(東工大資源研）○石内 俊一
Development of new laser desorption supersonic jet spectroscopy
and its application to gas phase spectroscopy of biomolecules!

(Chemical Resources Laboratory, Tokyo Institute of Technology) Shun-ichi Ishiuchi
極低温孤立気相状態を実現する超音速ジェット法は、精密な分子構造や励起状態ダイナミクスを分光学的に研究する上で理想的な環境を提供し、その出現以来、分子分光学の牽引役の一翼を担ってきた。これまでは、比較的剛直な分子やそれらを含む分子クラスターの研究が精力的に進められてきたが、生体分子の様な柔軟な分子への適用は限定的であった。それは、これらの分子が不揮発性・熱分解性であるため加熱による気化が困難だからである。本研究では独自のレーザー脱離超音速ジェット法を開発し、多数のコンフォメーションを取り得る柔軟な分子の精密な構造研究を可能にした。この方法をカテコールアミン神経伝達物質やペプチドに適用し、コンフォメーションの系統的理解や柔軟性に新たな概念を導いた。
1. 新規レーザー脱離超音速ジェット法の開発
パルスバルブレーザー脱離超音速ジェット法（図１）は2000年頃から複数の分光研究者によって利用されている。従来
脱離レーザー法では、試料分子とグラファイトの混合物に脱離レー(1064 or 532 nm)
試料＋マトリックス
ザーを照射し、脱離・気化された試料分子にパルスバ
希ガスジェット
ルブより噴射した数気圧の希ガス原子を衝突させ、極スキマー低温孤立状態を得る。複数のコンフォメーションを取イオン化レーザー(波長可変UV)る分子では、各コンフォマーに由来する多数のバンドカチオンが重畳して１つの電子スペクトル上に観測されるた質量分析器へめ、それらの正確な帰属のためには、S/N比の高い電図１ レーザー脱離・超音速ジェット法
子スペクトルの測定が不可欠である。しかし、従来法では十分なS/N比のスペクトルを得るのは困難で、誤った結論の報告例が多い。本研究では、金ナノ粒子やカーボンブラック等のナノ構造材料をマトリックスに用い、高圧のジェット噴射を用いる新規レーザー脱離超音速ジェット法を開発し、脱離・冷却効率の改善によりスペクトルのS/N比を格段に向上させ、実験手法の可能
図２ a）チロシンの脱離効率のマトリック性に質的変化をもたらした（図２）[1]。
ス依存性と、b）SIVSFペプチドの電子スペ
2. カテコールアミン神経伝達物質
クトルの押し圧依存性
カテコールアミン神経伝達物質はドーパミンやアドグラファイトだとほとんど脱離しない条件でもレナリンなどに代表的される神経伝達物質の一群であ
カーボンブラックでは強い信号が観測されるり（図５最下段）、それぞれ固有のレセプタータンパ（a）。また80 barでは5 barのときに観測されク質と選択的に結合する事により神経シグナルが伝達るブロードバックグラウンド（ホットバンド）される。この過程はしばしば「鍵と鍵穴」に例えられ、 が消滅する（b）。
DNA塩基対の様に特異的な水素結合が形成されると予想される。しかし、カテコールアミンはDNA塩基とは異なり複数の単結合をもつため、多数のコンフォメーションをとり得る。その中の特定のコンフォメーションのみがレセプターと結合できるはずで、分子認識過程ではコンフォメーションが柔軟に変化する必要がある。そのような柔軟性が分子固有の性質とどのように結びつくのかを明らかにするために、気相分光の手法を用いてカテコールアミ

ン及び関連分子のコンフォメーションを調べた。ドーパミンの前駆体であるドーパに対してレーザー脱離超音速ジェット法を適用し、共鳴多光子イオン化（REMPI）スペクト
図３ UV-UVホールバーニング（HB）分光法の原理（左）とa）ドールを測定した例を図３aに示パのREMPI及びb）HBスペクトルす[2]。複数のコンフォマーが共存する場合、REMPIスペクトルにはそれぞれの異なる電子遷移が観測されるが、このままではいくつのコンフォマーが共存するのか、どのバンドがどのコンフォマーに由来するのかは分からない。これらを区別するために
UV-UVホールバーニング（HB）分光法が有効である（図３左）。この方法では、まず第１のUVレーザーνPをREMPIスペクトルに観測された特定のバンドに固定し、生成するイオン量をモニターする。
このイオン量はそのバンドを与えるコンフォマーの基底状態の分子数に比例する。ここに第２のUVレーザーνBを照射し波長掃引する。νBがモニターしているコンフォマーの電子遷移エネルギーに一致し電子励起が起こると、基底状態の分子数が減少するためイオン量も減少する。従って、特定のコンフォマーの電子遷移をイオン量の減少として観測でき、コンフォメーションを区別した電子スペクトルを測定できる。図３aの矢印のバンドにνPを固定して測定したHBスペクトル（図３b）はREMPIスペクトルとよく一致しており、REMPIスペクトル中の全てのバンドは共通のコンフォマーに由来する事が判明した。つまりドーパでは単一のコンフォマーしか観測されない。フェノールOH基が１つ少ないチロシンでは12種のコンフォマーが観測される[3]事と比較すると、これは驚くべき結果である。他のカテコールアミン及び関連分子でも同様の測定を行い、各分子のコンフォマー数を調査した（図４）[4]。図中の各列はアミン鎖
amino-acid 6ethylamine 4aminoethanol 2
methylaminoethanol 3が共通、各行では芳香環部分が共通である。最上段にある数字は各アミphenyl
1ン鎖のコンフォメーション数を示し、phenylalanine
PEAAPEMAPE
これは1行目のモノ置換ベンゼンのコ
6423ンフォマー数に一致する。最左列の4-hydoroxyphenyl(p-phenol)
数字は各ヒドロキシベンゼンにおけ2tyrosine
tyramineoctopamine
synephrine
るOH基の可能な配向の数を示してい
12746る。カテコールアミン以外では、ア3-hydoroxyphenyl(m-phenol)
ミン鎖とOH基のコンフォマー数の積
4m-tyrosine
m-tyraminem-octopamine
phenyrephrineがその分子のコンフォマー数に等し>1414812
いというpropensity ruleが成立して3,4-dihydoroxyphenyl(catechol)いる。一方、カテコールアミンでは
4dopa
dopamina
noradrenaline
adrenaline
その規則は成立せず、予測される数
1434より遥かに少ない。即ち、神経伝達物質カテコールアミンはとり得るコン 図４ カテコールアミン（最下段）及び類似体の気相中でのフォマーが大きく限定される、という コンフォマー数（ref表示のないものは本研究による）
COOH

NH 2NH 2NH 2N
H

OH(CPL, 321, 49)(JACS, 118, 5086)

HOOH(JPCA, 103, 9706)

HO(JPCA, 105, 1050)

HO

HO

COOH

NH 2NH 2NH 2NH

OH

OH

COOH

HONH 2 HO

NH 2 HONH 2 HOOHHOHOHONH 2 HONH 2 HONHOH

HOCOOH

HONH 2 HOOH

NH

OH

性質がある事を発見した。
カテコールアミンでは特定のコンフォマーが際立って安定なのではないかと予想されるが、量子化学計算によると他の関連分子と比較してその様な事はなかった。つまり、カテコールアミンのコンフォマー数が少ない事は平衡論では説明できない。現時点では、カテコールアミンで観測されるコンフォマーが少ないのは、コンフォマー間の変換速度が速くジェット冷却過程でより安定なコンフォマーに変換される、言い換えると、カテコールアミンは速度論的に柔軟なためではないかと考えている。
参考文献 [1] CP, 419, 145. [2] JPCL, 1, 1130., PCCP, 13, 7812. [3] PCCP, 15, 5163. [4]JPCA, 112, 13463., JPCA, 115, 10363., CL, 42, 1166.