生体関連分子と水の複合的な分子間相互作用による振動スペクトル強度・形状の理論解析

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 26104515
• 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: Shizuoka University
• Principal Investigator: 鳥居 肇 静岡大学, 教育学部, 教授 (80242098)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: タンパク質 / 水 / 振動スペクトル / 強度 / 理論

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質と水の相互作用などを実験的に検出するための一手法群として，振動分光は広く利用されており，その正しい解析のために不可欠な，スペクトル上の特徴と分子間相互作用・構造・ダイナミクスを関係付けるための理論的基盤が，構築されつつある。しかし，現在の計算の枠組みに不十分な点があることが明らかとなっており，改良を続行する必要がある。
平成２７年度には，アミドⅡモードの赤外強度に対するペプチド鎖２次構造と水和の効果を，前年度に引き続いて解析した。その結果，(1) この赤外強度は，２残基以上連続してC5構造をとるペプチド鎖について特に増大するが，これは主としてC5リングのH...Oを通じたペプチド基間電荷フラックスに由来すること，(2) 一方，この赤外強度はαヘリックス構造をとるペプチド鎖については減少するが，これは水素結合を形成するペプチド基間の静電分極の効果に由来すること，また減少した赤外強度の値 (170 km mol-1) は実測値と良く合致すること，(3) この赤外強度に対する水和効果は，水分子の角度位置に依存して増大／減少を起こし，これは分子間電荷フラックスと分極効果の有無によること，(4) C5構造をとるペプチド鎖どうしが水素結合してシートを形成するケースや，C5構造をとるペプチド鎖が水分子と水素結合を形成するケースでは，水素結合の分極効果による赤外強度の減少に比べて，C5リングのH...Oを通じたペプチド基間電荷フラックスによる赤外強度の増大のほうが大きいこと，を明らかにした。
これにより，前年度に得られた結果と合わせて，アミドⅠ・Ⅱモードからペプチド鎖の構造・ダイナミクスに関する，従来より詳細な情報を引き出す指針を得ることができた。
関連して，類似した振動モードをもつ混合溶液系の解析も実施した。ペプチドの振動スペクトルの特徴を，俯瞰的に理解することができる道標を得る一助となった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bologna(Italy)
• [Int'l Joint Research] University of Salzburg(Austria)
• [Journal Article] Secondary structure dependence and hydration effect of the infrared intensity of the amide II mode of peptide chains (2016)
  • Author(s): H. Torii and M. Kawanaka
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 120 Issue: 8 Pages: 1624-634
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b08258
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Solvation structure around the Li+ ion in mixed cyclic/linear carbonate solutions unveiled by the Raman noncoincidence effect (2015)
  • Author(s): M. G. Giorgini, K. Futamatagawa, H. Torii, M. Musso, and S. Cerini
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 6 Issue: 16 Pages: 3296-302
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b01524
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Amide I vibrational properties affected by hydrogen bonding out-of-plane of the peptide group (2015)
  • Author(s): H. Torii
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: ７ Issue: 4 Pages: 727-733
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00004
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] New twist in the theories on the secondary structure dependence and hydration effect of the vibrational properties of peptides (2016)
  • Author(s): H. Torii
  • Organizer: ICCMSE 2016
  • Place of Presentation: Metropolitan Hotel (Athens, Greece)
  • Year and Date: 2016-03-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ペプチドの振動モードに対する水和効果と２次構造依存性への理解の深化 (2016)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 日本生物物理学会中部支部講演会
  • Place of Presentation: 分子科学研究所（岡崎市）
  • Year and Date: 2016-02-29
• [Presentation] Out-of-plane hydration and conformation effects on the vibrational properties of the peptide group (2015)
  • Author(s): H. Torii
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center (Honolulu, USA)
  • Year and Date: 2015-12-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ペプチドのアミドIIモードの赤外強度に対する水和効果と２次構造依存性の理論的解析 (2015)
  • Author(s): 鳥居 肇，川中 恵
  • Organizer: 第９回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] A strategy for improving the map of hydration-induced frequency shifts of the amide I band (2015)
  • Author(s): H. Torii
  • Organizer: 17th International Conference on TRVS
  • Place of Presentation: University of Wisconsin-Madison (Madison, USA)
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素結合とハロゲン結合による分子振動モードの振動数シフトに関わる理論的解析 (2015)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第18回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中市）
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] ペプチド基の水和による振動数シフトを表すパラメーターセットの改良 (2015)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学（船橋市）
  • Year and Date: 2015-03-29
• [Presentation] ペプチドのアミドIIモードの赤外強度の２次構造依存性と水和効果の解析 (2014)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第37回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: アバンセ（佐賀市）
  • Year and Date: 2014-11-12
• [Presentation] ペプチド基の水和構造と振動モードの諸性質の相関の解析 (2014)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第８回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学（東広島市）
  • Year and Date: 2014-09-22
• [Remarks] Torii Lab web page
  • URL: http://reve2.ed.shizuoka.ac.jp/