| 研究課題/領域番号 |
25291035
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
木下 正弘 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (90195339)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 自己組織化 / 構造形成 / フォールディング / 分子認識 / ATP駆動蛋白質 / 水和 / エントロピー / 積分方程式論 |
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| 研究実績の概要 |
（１）AcrBの機能的回転に対する統計熱力学を構築した。3通りの異なる立体構造をとるプロトマーが構成するトリマーAcrBの立体構造を溶媒和エントロピーの観点から解析し，以下のことを明らかにした：各プロトマー及び隣接するプロトマー間の界面の充填効率に不均一性が見られ，各プロトマーの溶媒和エントロピーがこの不均一性に依存して変化する；プロトマー単独で薬剤排出の（待機→結合→排出→待機→･･･）なる構造変化を行うことは途中で300kBT（kBはボルツマン定数，Tは絶対温度）もの自由エネルギー上昇が要求されるため不可能である；しかし，トリマーでは，あるプロトマーの構造変化が溶媒のエントロピー損失を伴うとき，他の2つのプロトマーがそれを打ち消すように構造変化をすることにより，溶媒のエントロピーをほぼ一定に保つことができる；その結果，1サイクルでたった1個のプロトンを高濃度側から低濃度側に移行させることにより（僅か8kBTの自由エネルギー低下で），薬剤排出のための構造変化が可能となる。
（２）代表的な天然変性蛋白質p53のC末端領域は，それ自体は決まった構造をとらないが，ターゲット分子に依存して結合後にヘリックスを形成したり（S100B()と結合時）シートを形成したり（Sir2-Af2と結合時）コイル構造を形成したり（CBP bromodonainやCyclin Aと結合時）する。これらの4通りの結合過程を取り上げ，結合に伴う系の自由エネルギー変化を計算すると共に，そのエントロピー成分とエンタルピー成分さらにはそれらへの溶質分子のみからの寄与及び水和からの寄与を解析した。その結果，一見異なる4通りの結合過程がすべて水の並進配置エントロピー利得で駆動されることが分かった。
（３）同じ理論で，蛋白質の折り畳み・低温変性・圧力変性・熱変性のすべてが統一的に説明でき，実験結果とも定性的に一致することを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
蛋白質の折り畳みが系の自由エネルギーの低下を伴う不可逆過程であることは，始状態と終状態で蛋白質の立体構造が異なることから容易に理解できる。一旦折り畳みが終了すると立体構造はゆらぐだけで変化しない。ところが，AcrBの立体構造は1サイクルの始状態と終状態で全く同じである。それでも一方向に回転するように見える構造変化が起こるのは，その過程がプロトンの高濃度側から低濃度側への移行という自由エネルギー低下を伴う不可逆過程とカップルしているからである。F1-ATPaseの立体構造も1サイクルの始状態と終状態で全く同じである。それでも一方向に回転するのは，その過程がATP加水分解という不可逆過程とカップルしているからである。以上のように，プロトン駆動蛋白質とATP駆動蛋白質に対する統一的な見解を示すことができた。以上の研究は，当初予定していなかったV1-ATPaseの回転機構の解明にも発展しつつある。
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| 今後の研究の推進方策 |
共溶媒（糖・アルコール・尿素・塩など）の添加が蛋白質立体構造安定性に及ぼす影響を中心に理論解析研究を行う。いずれも，溶媒分子の並進移動に起因するエントロピー効果に主として注目する。ただし，例えば尿素の添加効果に関しては，蛋白質－尿素間のファン・デル・ワールス引力相互作用の獲得が安定性低下の主要因であるものと考えられる。溶媒の並進配置エントロピーを軸にした描像および理論体系を構築するが，同時に，いかなる場合にそれが不十分となり，いかなる因子を加える必要があるかを整理する。
当初予定していなかった「V1モーター回転機構の解明」を進める。溶媒のエントロピー効果を主役として，我々は既にF1モーター回転機構とAcrBの機能的回転機構の物理描像を開発している。同様の考え方をV1モーター回転機構に適用し，共通性と特殊性を明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新たな計算サーバーとファイルサーバーを購入したかったが、それらのうちのいずれか一方のみを購入するのにも不十分な額しか残っていなかった。よって、次年度に繰り越し、それらを購入することにした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
新たな計算サーバーとファイルサーバーを購入する。
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