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構造変化における蛋白質のエネルギー地形階層性と水和の役割

研究課題

研究課題/領域番号 18031006
研究種目

特定領域研究

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関東京大学

研究代表者

城地 保昌  東京大学, 分子細胞生物学研究所, 助教 (30360415)

研究分担者 北尾 彰朗  東京大学, 分子細胞生物学研究所, 准教授 (30252422)
研究期間 (年度) 2006 – 2007
研究課題ステータス 完了 (2007年度)
配分額 *注記
5,300千円 (直接経費: 5,300千円)
2007年度: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円)
2006年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円)
キーワード生物物理 / 蛋白質 / 溶媒効果 / 分子シミュレーション / 中性子散乱 / 立体構造変化
研究概要

本研究では、分子シミュレーションと中性子散乱により、蛋白質のエネルギー地形と水和の役割を研究している。本年度は水和状態(h=0.49g protein/g D_2O)と乾燥状態(h=0.09g protein/g D_2O)のStaphylococcal Nuclease結晶の分子動力学シミュレーションを100Kから300Kの6種類の温度で行い、その解析結果から以下の成果を得た。
1.平均2乗揺らぎの温度依存性を水和状態と乾燥状態で比較した結果、水和状態の方が蛋白質のガラス性転移が顕著であることがわかった。水和状態では、300Kで水の平均2乗揺らぎが蛋白質と比べて2桁大きな値をとっており、水が蛋白質ダイナミクスに対して潤滑油の役割を果たしていると考えられる。一方、乾燥状態では、常温で水分子が主に蛋白質分子と水素結合し、お互いの揺らぎを制限している。以上のように、蛋白質のガラス性転移の起源には、蛋白質分子間相互作用と水分子の動きやすさが重要な役割を果たしている。
2.通常の中性子散乱実験では、重水(D_2O)により水和された試料が通常用いられる。軽水素の非干渉性散乱断面積は、その他と比べて2桁大きいため、蛋白質中の軽水素からの非干渉性散乱が支配的になると考えられ、水分子からの散乱は通常無視される。シミュレーション結果から干渉性散乱スペクトルを解析した結果、300Kでは水和状態で水分子の揺らぎが蛋白質と比べて2桁大きいため、水分子(D_2O)からの干渉性散乱が顕著に現れることが明らかになった。一方、常温の乾燥状態、低温(水和、乾燥)では水分子の揺らぎが蛋白質と同程度のため、水分子からの干渉性散乱の寄与は小さい。

報告書

(2件)
  • 2007 実績報告書
  • 2006 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2008 2007 2006

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] 非弾性散乱の生物への応用について2008

    • 著者名/発表者名
      城地 保昌, 中迫 雅由, 難波 啓一
    • 雑誌名

      日本結晶学会誌 50

      ページ: 78-82

    • NAID

      10021085479

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydration-dependent protein dynamics revealed by molecular dynamics simuiation of crystalline Staphylococcal nuclease2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Joti, H. Nakagawa, M. Kataoka and A. Kitao
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B 112

      ページ: 3522-3528

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydration effect on low-frequency protein dynamics observed in simulated neutron scattering spectra2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Joti, H. Nakagawa, M. Kataoka and A. Kitao
    • 雑誌名

      Biophysical Journal 94(掲載確定)

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Non-Gaussian behavior of elastic incoherent neutron scattering profiles of proteins studied by molecular dynamics simulation2007

    • 著者名/発表者名
      Tokuhisa, A., Joti, Y., Nakagawa, H. Kitao, A., & Kataoka, M.
    • 雑誌名

      Physical Review E 75

      ページ: 41912-41912

    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamical heterogeneity of protein dynamics studied by elastic incoherent neutron scattering and molecular simulations2006

    • 著者名/発表者名
      Nakagawa, H., Tokuhisa, A., Kamikubo, H., Joti, Y., Kitao, A., Kataoka, M.
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering : A 442

      ページ: 356-360

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Hydration-coupled protein boson peak measured by incoherent neutron scattering2006

    • 著者名/発表者名
      Nakagawa, H., Kataoka, M., Joti, Y., Kitao, A., Shibata, K., Tokuhisa, A., Tsukushi, I., Go, N
    • 雑誌名

      Physica B 385-386

      ページ: 871-873

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] 分子シミュレーションと中性子散乱による蛋白質ダイナミクスの研究2006

    • 著者名/発表者名
      城地 保昌, 北尾 彰朗
    • 雑誌名

      分子シミュレーション研究会会誌「アンサンブル」 8

      ページ: 44-47

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] 蛋白質の効率的機能を支えるメカニズム2006

    • 著者名/発表者名
      城地 保昌, 北尾 彰朗
    • 雑誌名

      蛋白質核酸酵素 51

      ページ: 972-978

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations of NAD+-Induced Domain Closure in Horse Liver Alcohol Dehydrogenase2006

    • 著者名/発表者名
      Hayward, S., Kitao, A
    • 雑誌名

      Biophysical Journal 91

      ページ: 1823-1831

    • 関連する報告書
      2006 実績報告書
  • [学会発表] 分子シミュレーションと溶液散乱で探る蛋白質の立体構造変化2008

    • 著者名/発表者名
      城地 保昌, 北尾 彰朗
    • 学会等名
      次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発第2回公開シンポジウム
    • 発表場所
      岡崎カンファレンスセンター
    • 年月日
      2008-03-05
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] Hydration effects on protein dynamics studied by molecular dynamics simulation of a crystalline protein2008

    • 著者名/発表者名
      Y. Joti, H. Nakagawa, M. Kataoka and A. Kitao
    • 学会等名
      5th Open Workshop for "Chemistry of Biological Processes Created by Water and Biomolecules"
    • 発表場所
      奈良県新公会堂
    • 年月日
      2008-01-25
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書
  • [学会発表] 分子シミュレーションと中性子散乱で探る蛋白質の協奏的運動2007

    • 著者名/発表者名
      城地 保昌, 北尾 彰朗
    • 学会等名
      第45回生物物理学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2007-12-21
    • 関連する報告書
      2007 実績報告書

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公開日: 2006-04-01   更新日: 2018-03-28  

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