生体分子およびその集合体の構造形成と揺らぎに対する溶媒効果の分子論

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15076205
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 松林 伸幸 京都大学, 化学研究所, 助教授 (20281107)
• Keywords: 溶媒和自由エネルギー / 分布関数 / エネルギー表示 / 計算機シュミレーション / 溶質-溶媒相互作用 / 分子集合体 / 構造揺らぎ / 水

Research Abstract

蛋白質やミセルといったナノスケールの分子やその集合体の溶液内での振る舞いを取り扱うために、溶媒和自由エネルギーの解析法を確立することが必須である。そこでは、大きな自由度をもつ構造ゆらぎの細部に立ち入ることなく、解析・算定を行う手法の開発が重要である。本研究の目的は、内部自由度をもつ溶質およびその集合体の溶媒和自由エネルギーについての分子論的解析手法の確立である。本年度は、方法論の開発と単純なモデル系への応用を行い、以下の成果を得た。
1.これまでに提案した、溶媒和自由エネルギーに対するエネルギー表示の方法を、構造揺らぎの大きな溶質系に対して精度よく適用できるように拡張した。溶媒の存在によって溶質構造の分布関数が大きく変わらないときは、これまでに定式化した方法で溶媒和自由エネルギーを計算できる。しかし、溶媒の存在によって、溶質の構造分布が大きく変わるとき、以前の方法では効率が落ちる。そこで、溶質の構造変化の情報を取り入れてやると、溶媒和自由エネルギーの算出が効率よくなることを見出した。もちろん、改善された手法でも、溶液内での溶質構造の分布関数を、多次元の溶質座標の上で得る必要は無く、溶質系の分子内エネルギーの分布関数に関する情報だけを取り入れてやれば十分であることが分かった。
2.上記1で定式化した方法を用いて蛋白質やミセルの構造組織化をモデル化する疎水性溶質の多体会合の自由エネルギー解析を行った。多体の疎水性溶質分子の凝集を、溶質間の直接相互作用による効果と水-溶質間相互作用の効果を分離して、水の効果を会合数の関数として解析した。その結果、2体の会合がmarginalな場合でも、水の存在によって3体以上の会合が促進されることを見出した。また。球状会合体の形成は、溶質間の直接相耳作用が斥力であるため自由エネルギー的に不利となり、円筒状の会合体の形成が促進されることが分かった。

Research Products

• [Publications] Y.Nagai, C.Wakai, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Noncatalytic Cannizzaro-type Reaction of Acetaldehyde in Supercritical Water"Chemistry Letters. 32. 310-311 (2003)
• [Publications] N.Matubayasi, M.Nakahara: "Theory of solutions in the energy representation. III. Treatment of the molecular flexibility"Journal of Chemical Physics. 119. 9686-9702 (2003)
• [Publications] T.Kimura N.Matubayasi, M.Nakahara: "Side-Chain Conformational Thermodynamics of Aspartic Acid Residue in the Peptides and Achatin-I in Aqueous Solution"Biophysical Journal. 86. 1124-1137 (2004)
• [Publications] T.Yamaguchi, N.Matubayasi, M.Nakahara: "NMR Study on the Reorientational Relaxation in Supercritical Alcohols"Journal of Physical Chemistry A. 108. 1319-1324 (2004)
• [Publications] C.Wakai, S.Morooka, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Carbon-Carbon Bond Formation in Glycolic Acid Generated Spontaneously from Dichloromethane in Hot Water"Chemistry Letters. 33. 302-303 (2004)
• [Publications] Y.Usui, C.Wakai, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Synthesis of Dimethyl Ether from Supercritical Methanol in the Presence of Aluminum"Chemistry Letters. 33. 394-395 (2004)
• [Publications] Y.Nagai, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Hot Water Induces an Acid-Catalyzed Reaction in Its Undissociated Form"Bulletin of the Chemical Society of Japan. 77(in press). (2004)
• [Publications] C.Wakai, K.Yoshida, Y.Tsujino, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Effect of Concentration, Acid, Temperature, and Metal on Competitive Reaction Pathways for Decarbonylation and Decarboxylation of Formic Acid in Hot Water"Chemistry Letters. 33(in press). (2004)
• [Publications] S.Morooka, C.Wakai, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Acid-Catalyzed Hydrothermal Formation of Carbon-Carbon Bond in Glycolic Acid from a Series of Formaldehyde Producers"Chemistry Letters. 33(in press). (2004)
• [Publications] Y.Nagai, N.Matubayasi, M.Nakahara: "Noncatalytic Disproportionation and Decarbonylation Reactions of Benzaldehyde in Supercritical Water"Chemistry Letters. 33(in press). (2004)
• [Publications] T.Kimura, E.Okamura, N.Matubayasi, K.Asami, M.Nakahara: "NMR Study on the Binding of Neuropeptide Achatin-I to Phospholipid Bilayer : The Equilibrium, Location, and Peptide Conformation"Biophysical Journal. 86(in press). (2004)
• [Publications] 松林 伸幸: "化学便覧 基礎編II(日本化学会編)"丸善. II 130-II 144 (2004)