Water Roles in Functioning of ATP-Driven Proteins : Theoretical Analyses Based on Statistical Mechanics

2010 Fiscal Year Self-evaluation Report

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 20118004
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: KINOSHITA Masahiro Kyoto University, エネルギー理工学研究所, 教授 (90195339)
• Project Period (FY): 2008 – 2012
• Keywords: 水 / ATP / 水和 / エントロピー / 排除容積

Research Abstract

非常に大きな蛋白質やそれらの会合体をもかなり精密にかつ短い計算時間で扱うことのできる独自の統計熱力学理論を武器とし、「(1)F_1-モーター(F_1-ATPase);(2)ABCトランスポーター;(3)シャペロニンGroEL;(4)アクトミオシン」を主たる対象として選定して、水が果たす役割を具体的に解明する。以下の概念に注目することを特徴とする:(A)蛋白質の折り畳み、レセプターとリガンドの結合、蛋白質の会合による高次構造形成などにおいては、水の並進配置エントロピーを増加させることが強力な推進力となる;(B)F_1-ATPaseのような蛋白質会合体は、水の並進配置エントロピーをできる限り大きくするように充填された立体構造をとらされる;(C)F-actin近傍におけるミオシンには、水分子の並進移動に起因して、ミオシンおよびF-actin表面の幾何学的形状を反映したエントロピー力場が形成される。蛋白質とヌクレオチドの相互作用、「蛋白質とATPの結合⇒ATPの加水分解⇒分解生成物の遊離」の各ステップにおける蛋白質や蛋白質会合体の立体構造変化の仕方、上記エントロピー力場の変化などを解析する。その結果を踏まえ、生体内における他のATP駆動蛋白質の機能発現における水やATPの役割を横断的に解明し、水を脇役としか見ていない現存のATPエネルギー変換論を根本的に塗り替える。

Research Products

• [Journal Article] Rotational Mechanism of F1-ATPase : Crucial Importance of Water-Entropy Effect (2011)
  • Author(s): T.Yoshidome, Y.Ito, M.Ikeguchi, M.Kinoshita
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society 133 Pages: 4030-4039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Model of Insertion and Release of a Large Solute into and from a Biopolymer Complex (2011)
  • Author(s): K.Amano, M.Kinoshita
  • Journal Title: Chemical Physics Letters 504 Pages: 221-224
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Entropic Insertion of a Big Sphere into a Cylindrical Vessel (2010)
  • Author(s): K.Amano, M.Kinoshita
  • Journal Title: Chemical Physics Letters 488 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Entropic Potential Field Formed for a Linear-Motor Protein near a Filament : Statistical-Mechanical Analyses Using Simple Models (2010)
  • Author(s): K.Amano, T.Yoshidome, M.Iwaki, M.Suzuki, M.Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics 133 Pages: 045103(11)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Statistical-Mechanical Analysis on the Hyper-Mobile Water around a Large Solute with High Surface Charge Density (2009)
  • Author(s): M.Kinoshita, M.Suzuki
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics 130 Pages: 014707(1-11)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Crucial Importance of Translational Entropy of Water in Rotation Mechanism of F1-ATPase, Pacifichem 2010, Topic Area - Physical, Theoretical , & Computational (2010)
  • Author(s): T.Yoshidome, Y.Ito, M.Ikeguchi, M.Kinoshita
  • Organizer: New Experimental and Computational Probes of Water in Biological Systems (#130)
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20101215-20101220
• [Presentation] Insertion and Release of a Big Sphere into and from a Cylindrical Vessel, Pacifichem 2010, Topic Area - Physical, Theoretical , & Computational (2010)
  • Author(s): K.Amano, M.Kinoshita
  • Organizer: New Experimental and Computational Probes of Water in Biological Systems (#130)
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20101215-20101220
• [Book] 現代界面コロイド科学の事典-シャンプーから宇宙まで-(表面の水和の統計力学理論 日本化学会・コロイドおよび界面化学部会35周年記念出版)10章6節 (2010)
  • Author(s): 木下正弘
  • Total Pages: 244-245
  • Publisher: 丸善
• [Remarks] ホームページ
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/centerbunya/kinoshita/