Verification of the hydrophobic interaction hypothesis in protein structural stability and theoretical/experimental study on cosolvent effects

蛋白质结构稳定性中疏水相互作用假说的验证及共溶剂效应的理论/实验研究

基本信息

批准号：
20K05431
负责人：
墨智成
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Okayama University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

(1)アルコールの中でも2,2,2-トリフルオロエタノール（TFE）は顕著なHelix誘導能を示すことが知られており，TFE水溶液の大きな濃度揺らぎがその主要な要因であると考えられてきた．一昨年度，小角X線散乱測定によって決定されたTFE水溶液のKirkwood-Buff(KB)積分に基づく解析から，TFE分子の凝集はヘリックス誘導に必ずしも必要ではなく，HelixとTFEとの直接分子間相互作用に起因する選択的溶媒和が，Helix誘導能に関与している事を示した．この熱力学的解析に基づき，TFEの選択的溶媒和の微視的メカニズムを明らかにすべく，コイルドコイルHelix GCN4-p1をモデルタンパク質として採用し，TFE水溶液中でのMD計算を行った．解析の結果，Helix側鎖とTFE分子のOH基との間の静電相互作用により，TFE分子は逆ミセル配向を取りながら，Helixへのより顕著な溶媒和殻が形成され，Helix誘導能を実現することが明らかとなった．(2)尿素は古くからタンパク質の変性剤として使われており，天然構造を不規則なコイル構造へと導くことが知られている。その分子メカニズムは尿素がタンパク質に強く相互作用することに起因した直接メカニズムと水の構造を乱し疎水性相互作用を変調すること起因した間接メカニズムが提案せれており，議論が続いている．一般に変性効果が強い高濃度尿素水溶液が使われることが多いが，同様のKB積分に基づく解析により，低濃度域での解析から変性メカニズムを議論できる事が示された．この知見に基づき，同様の尿素2 MのMD計算を行った結果，尿素とタンパク質主鎖との静電相互作用およびロンドン分散力により，尿素はHelixよりCoilに強く溶媒和し，変性状態を安定化する事が明らかとなった．

(1)在醇类中，已知2,2,2-三氟乙醇(TFE)表现出显着的螺旋诱导能力，并且TFE水溶液的大浓度波动被认为是主要因素。前年，基于通过小角X射线散射测量确定的TFE水溶液的Kirkwood-Buff（KB）积分的分析表明，TFE分子的聚集对于螺旋诱导并不一定是必需的，并且直接分子间Helix 和 TFE 之间的相互作用结果表明，Helix 诱导能力涉及选择性溶剂化。基于这种热力学分析，我们采用卷曲螺旋Helix GCN4-p1作为模型蛋白，并在TFE水溶液中进行MD计算，以阐明TFE选择性溶剂化的微观机制。分析结果，由于Helix侧链与TFE分子的OH基之间的静电相互作用，TFE分子采取反胶束取向，同时形成了Helix更明显的溶剂化壳，从而降低了TFE分子的极性。很明显，这是可以实现的。 (2) 尿素长期以来被用作蛋白质的变性剂，并且已知可以将天然结构诱导成不规则的卷曲结构。至于分子机制，人们提出了由于尿素与蛋白质的强相互作用而产生的直接机制以及由于水结构的扰乱和疏水相互作用的调节而产生的间接机制，并且争论仍在继续。一般多采用变性作用较强的高浓度尿素水溶液，但基于类似KB积分的分析表明，可以从低浓度范围内的分析来讨论变性机理。基于这些知识，我们对 2 M 尿素进行了类似的 MD 计算，发现由于尿素与蛋白质主链之间的静电相互作用以及伦敦色散力，尿素在 Coil 中的溶剂化作用比在 Helix 中更强，从而稳定了变性状态。很明显，