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oai:ir.soken.ac.jp:00000308 2023-06-20T14:57:15Z 2:427:10

水溶液中における生体分子の安定性に対する統計熱力学的研究 今井, 隆志 イマイ, タカシ IMAI, Takashi タンパク質の安定性は溶媒、温度、圧力、共存溶質（変性剤、酸・塩基、塩）などの熱力学条件に敏感である。それら熱力学条件がタンパク質の安定性に与える影響を明らかにすることは、それ自体興味深い上、タンパク質の立体構造構築原理を解明する上でも非常に重要である。それらに関する実験的研究は古くから行われているが、理論的研究、特に、分子論的研究は極めて限られているのが現状である。本研究では、このうち塩効果と圧力効果についてRISM積分方程式理論（分子性液体の統計力学）を用いて考察した。 1： 水溶液中におけるペプチドの安定性に対する塩効果 　水溶液中におけるタンパク質の安定性に対する塩効果のイオンによる違いはHofmeister順列として知られている。Hofmeister順列はタンパク質だけでなく非極性分子を含む様々な分子に対して成り立つ一般性の高い規則である。しかし、その分子論的解釈はいまだ行われていない。本研究では、Hofmeister順列を分子論的に解釈するため、RISM積分方程式理論を用いて、アルカリハライド（LiCl，NaCl，NaBr，NaI，KCl）溶液中でのペプチドの溶媒和自由エネルギーやペプチドのまわりの溶媒和構造を調べた。以下に得られた知見をまとめる。 ○ ペプチドの溶媒和自由エネルギーに対する塩効果 　ペプチドの溶媒和自由エネルギーに対する塩効果を疎水的効果と静電的効果、さらにそれらをイオンからの直接的な寄与と水の構造変化を介した寄与にわけることにより以下の結論を導き出した。イオンは溶質の疎水的溶媒和と静電相互作用の両方に影響を及ぼすが、静電相互作用に対する効果は各寄与が打ち消すことにより塩効果としてほとんど現れてこず、溶質の疎水的溶媒和に対する効果が塩効果として前面に現れてくる。それは、塩効果が溶質の持つ静電的な特徴に依存しないということであり、Hofmeister順列が様々な分子に対して成り立っている理由であると考えられる。また、Hofmeister順列は水の構造変化を介した効果の順序とイオンからの直接的な相互作用の順序のバランスにより決まっていると言える。アニオンの場合は、水の構造変化を介した効果の方が支配的であるため、Hofmeister順列はイオンによる水の構造変化を介した疎水的効果の順序により決まって いる。カチオンの場合は両者が同程度の寄与をする。 ○ ペプチドのまわりの永和構造に対する塩効果 　イオンの影響によりペプチドのまわりの水和構造がどのように変化するかを説明するために、次の3つのモデルを構築した。 　「正水和効果」：　イオンとペプチド原子の電荷が異符号の場合、イオンに水和した水分子がイオンと共にペプチド原子に引きつけられ、そのペプチド原子のまわりの氷分子の分布が増加する。イオンとペプチド原子の電荷が同符号の場合、イオンに水和した氷分子がイオンと共にペプチド原子に反発され、そのペプチド原子のまわりの氷分子の分布が減少する。正水利イオン（今回用いたイオンの中ではLi+，Na+）がこの効果を期待される。 　「負水和効果」：　イオンがまわりの水分子の氷様構造を破壊し、まわりの氷分子の密度を増加させる。それに伴い、そのペプチド原子のまわりの水分子の分布が増加する。負水和イオン（今回用いたイオンの中ではK+，Cl-，Br-，I-）がこの効果を期待される。 　「イオン交換効果」： イオンが静電相互作用によりペプチド原子に強く引きつけられる時、そこにいた水分子と交換し、そのペプチド原子のまわりの氷分子の分布が減少する。溶質サイトと強く相互作用するすべてのイオンがこの効果を期待される。 2： 水溶液中におけるアミノ酸、ペプチドの部分モル体積 　化学反応の平衡（速度）に対する圧力効果は反応物と生成物（遷移状態）の部分モル体積差と密接に関係している。それゆえ、タンパク質の圧力変性を議論するには、タンパク質の天然状態と変性状態の部分モル体積を知ることが必要である。本研究では、多原子分子の部分モル体積を理論的に計算するため、Kirkwood-Buff理論とRISM理論を組み合わせ定式化を行った（RISM-KB理論）。そして、それをタンパク質の構造単位であるアミノ酸とペプチドに応用した。以下に、その結果をまとめる。 ○ 構造揺らぎによる理想体積 　部分モル体積の理論値は対応する実験値と比較すると系統的な差を含んでいる（系統的に小さく見積もる）ことがわかった。その差は溶質の分子量（あるいは原子数）や温度におおよそ比例する。それは、RISM-KB理論では考慮されていない溶質の構造に関する自由度からくる理想項の寄与（構造揺らぎによる理想体積）であることを示唆している。 ○ アミノ酸の部分モル体積 　アミノ酸の末端基や側鎖の解離基の解離は数cm3/molの部分モル体積の減少を伴うことがわかった。一方、部分モル体積に対する部分電荷の寄与は負にはならず、いくつかの例外を除いて若干正になることがわかった。また、原子や官能基の部分モル体積はそれらがおかれている環境に大きく依存することがわかった。このことは、分子の部分モル体積をその成分である原子や官能基の経験的な部分モル体積の足し合わせにより計算するという伝統的な方法は信頼性が低いことを示唆している。 ○ ペプチドの部分モル体積の構造依存性 　モデルペプチドの自由エネルギーと部分モル体積の二面角依存性を調べた。それらを用いて（このモデル系においては）常圧ではより伸びた構造が最安定であるが、圧力をかけることにより、よりコンパクトな構造を持つ他の極小エネルギー状態に遷移することを示した。自由エネルギー曲面あるいは反応経路さえ分かれば、タンパク質の圧力変性を含む一般的な反応（構造変化）に対して同様の議論を行うことができる。 application/pdf 総研大甲第450号 jpn thesis AM https://ir.soken.ac.jp/records/308 博士（理学） 2000-03-24 総合研究大学院大学 https://ir.soken.ac.jp/record/308/files/甲450_要旨.pdf application/pdf 374.4 kB 2016-02-17 https://ir.soken.ac.jp/record/308/files/甲450_本文.pdf application/pdf 2.0 MB 2016-02-17