生物の中の陽子T. Yamato

(Nagoya University, Japan)

物質の創生と発展 Nov. 6, 2004.

T.Yamato and K. Kawaguchi, 2004

A. Yamada, T. Ishikura and T. Yamato, 2004

POSITIVENEGATIVE

NEGATIVE

共同研究者

• 山田篤志（自然科学研究機構）• 川口一朋（名古屋大学）• 石倉孝一（名古屋大学）• 西岡宏任（名古屋大学）• 垣谷俊昭（名城大学）• 河津 励（Ｄｕｋｅ大学）

物質の世界

元素： ～ １００

生物の世界

遺伝物質： 4

遺伝子産物（タンパク質）の材料（アミノ酸）： 20

疎水性芳香族チロシン [tyrosine (Y)]フェニルアラニン [phenylalanine (F)]トリプトファン [tryptophan (W)]

脂肪族グリシン[glycine(G)]アラニン [alanine (A)]バリン [valine (V)]ロイシン [leucine(L)]イソロイシン [isoleucine (I)]

側鎖に硫黄原子を持つ脂肪族メチオニン [methionine (M)]システイン [cysteine (C)]

親水性ヒドロキシ基を側鎖にもつ脂肪族セリン [serine (S)]トレオニン [threonine (T)]

塩基性リジン [lysine (K)]アルギニン [arginine (R)]ヒスチジン [histidine (H)]

酸性または酸性基の誘導体：アスパラギン酸 [aspartic acid (D)]グルタミン酸 [glutamic acid (E)]アスパラギン [aspargine (N)]グルタミン [glutamine (Q)]

イミノ酸：プロリン [proline (P)]

20種類のアミノ酸

Energy Landscape

Funnel

Evolution, Natural Selection

good folder vs bad folder

Foldability = Tf / Tg

Go model

Protein Folding Theory

Contact Order =(1/LN)∑ΔＳijD. Baker (1998)

CHEMISTRY: 種々の元素の発見⇒メンデレーエフの周期表

・元素の性質の統一的理解

・分子構造の構築原理

PHYSICS: 産業革命⇒熱機関の効率⇒熱力学、統計力学(Industry)

COSMOLOGY: Big Bang theory,

General Relativity,

Cosmological Principle⇒

COBE, WMAP,

Fluctuations in Cosmic Microwave Background

NASAより

WMAPの図

LIFE SCIENCE:

ゲノムプロジェクト、タンパク質３０００ ⇒

●タンパク質構造予測、立体構造構築原理、Bioinformatics、Protein Folding Theory, Energy Landscape Theory, Go model, Homology Modeling

Structure

●タンパク質構造・機能相関、ダイナミクス、シミュレーション、

電子状態計算 Function

●DNA チップ、ＤＮＡマイクロアレイ、システムズバイオロジー

SystemA. Wada -> Genome Project

C. Chothia -> 1/3 of the sequence present in genomes are related to entries in the current sequence databank, and 1/4 of the current sequence belong to one of the 120 protein families. (1992)

One thousand families for the molecular biologist

Folding Problem

Structure-Function Relationship

観測論的宇宙論生物情報学

観測データ

パラメータの決定

宇宙の構造、年齢などをさぐる

構造決定＝配列空間における構造の“観測”

タンパク質立体構造の構築原理、構造予測

機能予測

WMAP/NASAより生物情報をどのように活用したらよいだろうか？

WMAPの図

The Latest Frontiers in Computational Biophysics

• TIME• SIZE • ACCURACY

Realistic Simulation

２１世紀COE「計算科学フロンティア」since 2004

Ab initio Protein Folding• P. Kollman (1998) (Force-Field)• Y. Okamoto (拡張アンサンブル)• V.S. Pande (Folding@Home)

陽子は主として陽電子とπ中間子に崩壊し、その寿命は1030年。（宇宙の寿命は1010年のオーダー）。1030個の陽子（１０００トン程度）を何年か観察すれば陽子の崩壊を検出できるだろう…

HP36: The smallest protein that can fold automatically. Folding time 10～100 μsec. Science, 1998, 282, 740-744より

unfolded partialy folded native

ＴＩＭＥ

Size

B.L. de Groot, H. Grubmuller (2001)

Aquaporin, tetramer (100,000 atoms, 10ns, 16 full permeation ～ 109 /[s], Science, 2001, 294, 2353-2357より)

Accuracy

• Force-field の評価 (S. Ono, J. Higo 生物物理学会誌、 2000)

• Electronic State Calculations (T. Yamato, パリティ２００４ 物理科学この１年＜生物物理＞）

タンパク質反応 電子状態変化

生体エネルギー変換

ブルーバックス「新生物物理の最前線」より

地球最小のプロトンポンプによる

光エネルギー変換

ブルーバックス「新生物物理の最前線」より

NH+

Lys216

All-trans retinal

NH+ Lys216

13-cis retinal

Photocycle and Proton Transfer

bR(568nm)

K(590nm)

L(550nm)

O(640nm)

M(412nm)

N(550nm) Ret → Asp85Glu204 → EC

Asp96 → Ret

CP → Asp96

Asp85 → Glu204

Asp85

Glu204

Ret

Asp212

Glu194

Asp96

bR(568nm)

H+

H+

Bacteriorhodopsinプロトン輸送メカニズム

Hydroxyl pump model(Facciotti et al)

Water pump model(Kouyama et al,)

Water orientation model(Kandori et al)

水のEC側からCP側への輸送が生じ、蛋白環境を変化させ、プロトンが輸送される

ヒドロキシルイオンとプロトンが相互にカップリングしながら、ヒドロキシルイオンはCP側、プロトンはEC側に輸送される。

いずれも、各自が独自に扱った結晶からモデルを打ち立てている

レチナールの下の水の配向が変化し、それが水素結合の結合・崩壊を引き起こし蛋白環境が変化する。

光受容タンパク質が働くしくみ

• 吸収波長の制御（川口）• 超高速光誘起構造変化のメカニズム（山田）

タンパク質励起状態計算の新手法

川口一朋、倭剛久

名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻（物理系）

生物物理化学理論研究室（TB研）

多層自己無撞着分子軌道法

（Multilayer Self-Consistent Molecular Orbital Method)

計算ＭＯＤＥＬの概念図

ss-CASSCF/6-31G

FMO/6-31G

MM

SCF計算

ss-CASSCF Fragment MO

SCF計算をする。

※ INT.は発色団、発色団ー蛋白質のエネルギー。EXT.は蛋白質のエネルギー。単位は[a.u.]

タンパク質励起状態計算の新手法

川口一朋、倭剛久

名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻（物理系）

生物物理化学理論研究室（TB研）

多層自己無撞着分子軌道法

（Multilayer Self-Consistent Molecular Orbital Method)

計算ＭＯＤＥＬの概念図

ss-CASSCF/6-31G

FMO/6-31G

MM

SCF計算

ss-CASSCF Fragment MO

SCF計算をする。

※ INT.は発色団、発色団ー蛋白質のエネルギー。EXT.は蛋白質のエネルギー。単位は[a.u.]

青はエネルギーをプラスにする原子

赤はマイナスにする原子。

TYR42

THR50

ARG52

まとめ

• VAL66～SER72はクマル酸に最も近いので電子状態の変化の影響を受けやすい。

• それ以外の部分ではTYR42、THR50のOH基、ARG52のCZなどが、吸収波長のシフトに大きく寄与していることが分かった。

今後の課題と発展

• 残りのタンパク部分と周りの水をMM層として取り込んで、より規模の大きい計算をする。

• ミュータントでも計算をして、実験データとの比較をする。

bond internal interaction totalC4-C7 0.83 1.23 2.06C7=C8 -1.05 9.69 8.64C8-C9 -5.19 4.74 -0.45S-C9 1.15 -1.14 0.01

GRADIENT, (-∂Ｖ/∂θ） [kcal/mol・radian]

蛋白質中で発色団をねじる力

真空中での発色団の断熱ポテンシャル面

蛋白質中での平均座標

0

1

2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

-15

-10

-5

0

5

10

15

kcal

/mol

/rad

ian

(a)

(b)

Atom Number

Tyr42

Glu46

Thr50

Arg52

Phe62 Val66Ala67Pro68

Thr70Asp71Ser72Pro73

Tyr94Thr95Phe96Asp97Tyr98

Met100

Val122

POSITIVENEGATIVE

CONCLUSIONS

• We studied the photoisomerization reaction of PYP and found unexpectedly significant contribution from the protein to the reaction. (PROTEIN-DRIVEN PHOTOISOMERIZATION)

• We separated the force promoting the photoreaction into different contribution from different atoms. The constituent atoms in the proteins are shown in different colors depending on their contributions to the reaction. This method is hopefully being a new tool to study the structure-function relationships of proteins (FUNCTIONAL ATOMS HUNT).

• We proposed a model for the photoisomerization reaction of PYP.

蛋白質中長距離電子移動の電子トンネル因子の超高速ゆらぎの物理的意味と観測量に与える影響

名大院理，デューク大化A

西岡宏任，河津励A，木村明洋，倭剛久，垣谷俊昭

ブルーバックス「新生物物理の最前線」より

Introduction従来、蛋白質中の長距離電子移動の反応速度は、Condon近似を適用したFermiの黄金則を用いて、以下のように表される。

( )FCTk DAET2=

しかし、我々はこれまでに、

「シミュレーションを用いて計算した電子トンネル因子 TDA が、蛋白質構造の熱揺らぎの影響により短時間で激しく変動する」

ことを報告してきた。

今回、

TDAの超高速揺らぎが反応速度に与える影響

その影響の物理的意味

を、シミュレーションから得られるデータを用いて解析する。

量子化学計算に用いた構造

ドナー Bacteriopheophtin a(緑)

アクセプター ubiquinone 10 (赤)

まとめ

• 進化の過程で生物は優れたタンパク質（ナノスケールの分子）を生物機能発現のために改変しながら獲得してきた。

• 生物は生体膜内外の水素イオン濃度勾配を利用して生体エネルギー変換を実現している。

• 構造生物学の進歩によりタンパク質による生体エネルギー変換の機構が分子レベルであきらかになりつつある。