熱力学的手法による生体膜モデル系における揺らぎの検出

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107704
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 山村 泰久 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (80303337)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2011: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 揺らぎ / 脂質二分子膜 / 熱容量 / アルキル鎖 / 生体膜モデル系

Outline of Annual Research Achievements

脂質二分子膜を基本とする生体膜は，その様々な機能の発現に揺らぎが関与する典型的な生体分子系であり，この脂質二分子膜における揺らぎの検出と解明は重要である．
本研究では，モノアシルグリセロール／水系を擬生体膜モデルの基本系として取り上げ，それに摂動として異種分子を加えることによる熱力学的諸量の変化を精密に測定することにより，熱力学的アプローチによる擬生体膜の揺らぎの検出を試みた．摂動分子として構造がリジッドで生体膜中にも多く存在するコレステロールを選択した．二分子膜中ではコレステロールのリジッドな部分が脂質のアルキル鎖の位置に入ることから，アルキル鎖の運動に対する影響が大きい．シス体のモノオレイン／水系を基本形としたモノオレイン－コレステロール－水系のラメラ相と等方相における断熱法による精密熱容量測定を行った．その二相間の熱容量差から，脂質二分子膜系のエネルギー揺らぎのコレステロール濃度依存性を見いだすことに成功した．この熱容量差とコレステロールの成分比の関係は線形ではなく，脂質二重膜とコレステロールの間に協同的な相関があることを示唆する結果が得られた．また，研究を迅速に進めるために，ペルチェ素子を使った超高感度示差走査熱量計の開発を行い，少量の試料で熱容量差を検出することに成功した．本研究により，系のエネルギーの“揺らぎ”に直接対応する熱力学量である熱容量を介して脂質二分子膜系における揺らぎの検出に成功し，さらにそのアプローチ法を生体膜モデル系に適用する道筋をつけることができたといえる．

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Calorimetric and Spectroscopic Evidence of Chain-Melting in Smectic E and Smectic A Phases of 4-Alkyl-4'-isothiocyanatobiphenyl (nTCB) (2012)
  • Author(s): Y. Yamamura, T. Adachi, T. Miyazawa, K. Horiuchi, M. Sumita, M. Massalska-Arodz, S. Urban & K. Saito
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 116 Issue: 30 Pages: 9255-9260
  • DOI: 10.1021/jp303972s
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Cisand Trans Double Bonds on Conformational Disordering of Hydrocarbon-Chain of Lipid, Unsaturated Monoacylglycerols in Lamellar Phase of Binary System with Water (2011)
  • Author(s): Y. Yamamura & K. Saito
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 115 Issue: 50 Pages: 14963-14968
  • DOI: 10.1021/jp205881f
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Conformational Disorder of Alkyl Chain in Smectic E Phase (2013)
  • Author(s): 安達卓也
  • Organizer: 物構研サイエンスフェスタ
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（つくば市）
  • Year and Date: 2013-03-14
• [Presentation] Conformational Disorder of Alkyl Chain in Smectic E Phase (2012)
  • Author(s): Takuya Adachi
  • Organizer: 3rd International Symposium on Center for Creation of Functional Materials
  • Place of Presentation: 筑波大学（つくば市）
  • Year and Date: 2012-12-10
• [Presentation] Heat Capacity of Monoacylglycerol-Cholesterol-Water Systems (2012)
  • Author(s): Yasuhisa Yamamura
  • Organizer: The 6th International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都市）
  • Year and Date: 2012-12-05
• [Presentation] Relation among Fe-His Bond, Fluctuations of Helices and Oxygen Affinity of Hemoglobin in T-state and R-state (2012)
  • Author(s): Shigenori Nagatomo
  • Organizer: The 6th International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都市）
  • Year and Date: 2012-12-05
• [Presentation] ヒトヘモグロビンの酸素親和性の制御における本質：四次構造、三次構造変化に共通して起こるFe-His結合の変化 (2012)
  • Author(s): 長友重紀
  • Organizer: 第50回生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] 熱力学的アプローチによる生体膜モデル系におけるダイナミクスと揺らぎ (2012)
  • Author(s): 山村泰久
  • Organizer: 公開シンポジウム「ゆらぎと水－生命のエネルギーと機能の分子機構を探る」
  • Place of Presentation: 大阪ガーデンパレス（大阪市）
  • Year and Date: 2012-09-14
• [Presentation] Dynamics of Flexible Alkyl-chain in Lyotropic and Thermotropic Liquid Crystals (2012)
  • Author(s): Yasuhisa Yamamura, Takuya Adachi, Shigenori Nagatomo, Kazuya Saito
  • Organizer: 2nd CCFM International Symposium on Center for Creation of Functional Materials-Coordination Chemistry at the Front
  • Place of Presentation: 筑波大学(つくば市)
  • Year and Date: 2012-02-09
• [Presentation] Role of Fe-His Bond and Fluctuations of Helices in Functional Regulation of Human Adult Hemoglobin (2012)
  • Author(s): Shigenori Nagatomo, Yasuhisa Yamamura, Kazuya Saito
  • Organizer: 5th International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • Place of Presentation: 東大寺文化総合センター(奈良市)
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] Calorimetric Study on Dynamics of Flexible Alkyl-Chain in Lyotropic and Thermiotropic Liquid Crystals (2012)
  • Author(s): Yasuhisa Yamamura, Takuya Adachi, Shigenori Nagatomo, Kazuya Saito
  • Organizer: 5th International Symposium on Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
  • Place of Presentation: 東大寺文化総合センター(奈良市)
  • Year and Date: 2012-01-07
• [Presentation] 4'-alkyl-4-isothiocyanatobiphenyl (nTCB)の層状中間相における分子内ダイナミクスの熱力学的研究 (2011)
  • Author(s): 宮澤崇仁, 安達卓也, 山村泰久, 長友重紀, M.Massalska-Arodz, S.Urban, 齋藤一弥
  • Organizer: 第47回熱測定討論会
  • Place of Presentation: 桐生市市民文化会館(桐生市)
  • Year and Date: 2011-10-23
• [Presentation] Restricted Dynamics of Hydrocarbon Chain in Lamellar Phase of Lipid-Water Systems (2011)
  • Author(s): Kazuya SAITO, Yasuhisa YAMAMURA
  • Organizer: 25th European Symposium on Applied Thermodynamics (ESAT-25)
  • Place of Presentation: St.Petersburg University, St.Petersburg, Russia(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-27