回転分子モーターの動力学計算と自由エネルギー変換メカニズムの解明

旋转分子马达动力学计算及自由能转换机理阐明

基本信息

批准号：
19042020
负责人：
高野光則
金额：
$ 3.84万
依托单位：
Waseda 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：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

ATP合成酵素はF1とFoの2つのドメインからなる。F1ではAIPの加水分解時に放出される自由エネルギーがγサブユニットの回転エネルギーに変換される。一方, Foは膜蛋白質であり, 膜内外のプロトンの電気化学ポテンシャルがc-ringの回転に変換される。しかし, エネルギー変換の分子機構はまだ謎につつまれているので, この解明を目標として昨年度に引き続き"1分子計算機実験"を行った。粗視化モデルを用いた1分子計算機実験によって(1)Fo内部でのプロトンの移動経路, (2)ラチェット機構によるFoのc-ring回転, およびF1のγサブユニット回転を調べた。(1)については, これまでの研究でperiplasm側からFo内部への入口経路を見出した一方, Fo内部からoytoplasm側への出口経路が全く観測されなかったため, その原因究明を行った。注目したのは, これまでの研究では考慮していなかった極性アミノ酸(Asn, Gln, Ser等)の寄与である。Fo分子内の極性残基の空間分布とそれによる局所的な比誘電率の違いはプロトン経路に大きく影響すると考えられる。そこで, これまでの粗視化MDプログラムに局所比誘電率とボルン・エネルギー項を実装し, プロトン経路の再調査のための準備を整えた。(2)については, Feymanラチェット機構/Rockingラチェット機構によってc-ring/γサブユニットに一方向性の回転ブラウン運動が生じ, また, 回転方向が外部パラメータに依存して逆転することを示した。これと平行して, ラチェット機構を可能にするタンパク質の柔らかいアーキテクチャーの性質を探るため, 立体構造内部のアミノ酸残基間ネットワークを解析し, タンパク質立体構造の普遍的な性質としてのフラクタル性と臨界パーコレーション性を見出した。

ATP合酶由F1和FO组成。在F1中，AIP水解期间释放的自由能转化为γ亚基的旋转能。另一方面，FO是一种膜蛋白，膜内外质子的电化学潜力转化为C形旋转。但是，能量转化的分子机制仍然是一个谜，因此，为了阐明这一点，我们继续进行“一年的单分子计算机实验”。通过使用粗粒模型使用单个分子计算机实验，我们研究了（1）FO内质子转移的路径，（2）通过棘轮机制fo的C形旋转，以及F1的γ亚基旋转。关于（1），虽然先前的研究发现了从周期到FO内部的入口路径，但观察到从FO内部到Oytoplast侧内部的出口路径，但我们研究了原因。注意到的是在先前研究中未考虑的极性氨基酸（ASN，GLN，Ser等）的贡献。人们认为，FO分子内的极性残基的空间分布以及局部介电常数的差异将对质子途径产生重大影响。因此，在先前的粗粒剂MD程序中实施了局部介电常数和出生的能量项，并为重新检查质子途径做准备。关于（2），结果表明，Feyman棘轮机构/摇摆棘轮机制在C形环/γ亚基中产生单向布朗运动，并且根据外部参数，旋转方向反转。同时，为了探索能够实现棘轮机制的蛋白质软体系结构的特性，我们分析了三维结构内的氨基酸残基网络，并发现分形和关键的渗透特性是蛋白质构型的通用性能。