タンパク質立体構造形成に及ぼす溶媒効果の分子論的解明

溶剂对蛋白质 3D 结构形成影响的分子阐明

基本信息

批准号：
15076203
负责人：
木下正弘
金额：
$ 26.69万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

「疎水性」の分子起源を分子性流体用積分方程式論に基づいて解析した。メタンのような疎水性溶質の溶解度が70-80℃で最小値をとるという挙動は,適当にモデル化した単純溶媒でも再現できる。水の特性の多くは,水素結合そのものや回転運動などにあるのではなく,小さな分子サイズと強い引力相互作用にある。溶質近傍における水分子間水素結合の強化(構造化)は,極めて低温で大きな溶質の場合を除けば,それによるエントロピー損失がエンタルピー利得を大きく上回るために好ましくない。蛋白質は,高圧下では,水のエントロピーを増加させるために,内部に水分子が1分子層程度侵入したようなスウェリング構造に変性する。蛋白質の水和エントロピーを(1)蛋白質-水間の2体相関レベルの水和エントロピーのうち,排除容積EVに依存する成分(朝倉-大沢理論で計算した水和エントロピー),(2)それのうち,EV以外に依存する成分,(3)蛋白質-水-水間の3体相関レベルおよび多体相関レベルの水和エントロピーに分解して解析した。さらに,(2)と(3)の各々を水分子の並進運動の制限からの寄与と回転運動の制限からの寄与に分解した。その結果,高圧下で変性した場合に水のエントロピーが増加する原因は,(3)の並進運動の制限からの寄与にあることが分かった。(1)と(2)においてはいずれも損をする。内部に浸透した水分子の並進運動と回転運動はより制限されるものの,蛋白質外部における水分子の混み合いが大きく緩和されるのである。分子性流体用積分方程式論と形態熱力学を統合した独特の理論を用いて,蛋白質の水和の熱力学量を高精度でかつ高速で計算できる新しいアプローチを開発した。このアプローチに基づいて構築した自由エネルギー関数を用いて,合計15種類の蛋白質に対し,各々天然構造と600-700通りのデコイ(偽物)構造の中から天然構造を射当てることに成功した。

根据分子流体的积分方程理论分析了“疏水”的分子起源。即使适当建模的简单溶剂，也可以再现在70-80°C时具有最小值的甲烷等疏水溶质的行为。水的大部分特性不是由于氢键本身或旋转运动引起的，而是由于小分子大小和强烈的吸引人的相互作用所致。水间溶质附近的水间氢键的加固（结构）是不可取的，因为所得的熵损失明显大于焓的增益，除非在极低温度下具有较大的溶质。在高压下，蛋白质被转化为肿胀的结构，水分子进入大约一层以增加水的熵。通过（1）在蛋白质水合水平上的水合熵分解蛋白质的水合熵，这取决于排除体积EV（由Asakura-Osawa理论计算得出的水合熵），（2）水合熵在蛋白质 - 含量3和多体相关水平上的水合熵。此外，（2）和（3）中的每一个都因水分子的翻译运动的限制和旋转运动限制的贡献而分解为贡献。结果表明，在高压下变性时的水熵增加是由于（3）中翻译运动极限的贡献。（1）和（2）均遭受损失。尽管在内部穿透的水分子的平移和旋转运动受到更大的限制，但蛋白质外的水分子充血大大降低了。使用一个独特的理论，该理论将整合方程理论整合到分子流体和形态体现学上，已经开发了一种新方法，可以进行高精度和快速计算蛋白质水合的热力学量。使用基于这种方法构建的自由能函数，我们成功地从600-700种不同的诱饵结构中触发了15种蛋白质的自然结构。