Verification of the hydrophobic interaction hypothesis in protein structural stability and theoretical/experimental study on cosolvent effects

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05431
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Sumi Tomonari 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (40345955)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: タンパク質 / 疎水性相互作用 / 水和効果 / 分子内直接相互作用 / 共溶媒効果 / アルコール / 尿素 / 選択的溶媒和

Outline of Final Research Achievements

In this study, we addressed the following two questions. One is to elucidate the hydration effect on protein folding stability in water, and the other is to elucidate the molecular mechanisms of the opposing co-solvent effects of 2,2,2-trifluoroethanol (TFE) and urea on protein folding stability.
In the former, we found that water does not disfavor hydrophobic groups, but rather prefers to interact with them, and thus the stability of native protein structures is essentially due to intramolecular interactions of the proteins. In the latter, we showed that TFE strongly interacts electrostatically with side chains via hydroxy groups, leading to helix induction by enhancing preferential solvation to the helical structures, while urea enhances preferential solvation to the coil via interaction with the main chain, thereby inducing coil stabilization.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

タンパク質の水中での構造安定性機構では，約60年もの間，Kauzmannによる「疎水性相互作用仮説」が，中心的役割を果たしてきた。実際，生化学や分子生物学の教科書には必ず，タンパク質の構造安定性における疎水性相互作用の重要性が説かれており「疎水基に対する水からの反発力により，疎水基間に水を介した実効的引力が働く」と説明されている。本研究による結論は，長年信じられてきた疎水性相互作用仮説に対する再検討の必要性を指摘しており，新たな水和の役割，すなわち分子内相互作用により構造化されたタンパク質をむしろ不安定することにより構造の柔軟性をもたらし，機能発現に必要なゆらぎを導いていることが示唆される。