[論文レビュー] Discrete breathers in protein secondary structure

A.E. Sitnitsky|ArXiv.org|Jun 5, 2003

Nonlinear Photonic Systems参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、弱い結合相互作用と非線形ポテンシャルの下で、タンパク質二次構造内に高さ局在的で長寿命な振動モード（離散的ブレーカー：DBs）が存在可能であると提唱している。実際のマイクロスコピックモデルを用いて、αヘリックスにおけるDBs（周波数約115 cm⁻¹）がミオグロビンおよびバクテリオロドスフィンの長寿命な遠赤外吸収を説明できることを示し、酵素触媒におけるエネルギー局在化の機能的役割を示唆している。

ABSTRACT

The role of the rigidity of a peptide chain in its equilibrium dynamics is investigated within a realistic model with stringent microscopically derived coupling interaction potential and effective on-site potential. The coupling interaction characterizing the chain rigidity and the effective on-site potentials are calculated for three main types of protein secondary structure. The coupling interaction is found to be surprisingly weak for all of them but different in character: repulsive for alpha-helix and anti-parallel beta-sheet structures and attractive for parallel beta-sheet structure. The effective on-site potential is found to be a hard one for alpha-helix and anti-parallel beta-sheet and a soft one for parallel beta-sheet. In all three types of protein secondary structures a stable zig-zag shape discrete breather (DB) associated with the oscillations of torsional (dihedral) angles can exist due to weakness of the coupling interaction. However, since the absorption of far infrared radiation (IR) by proteins is known to require the existence of rather long chains of hydrogen bonds that takes place only in alpha-helicies, then one can conclude that the excitation of a DB in such a way is possible in alpha-helix and seems to be hardly possible in beta-sheet structures. The interpretation of the recent experiments of Xie et al. on far IR laser pulse spectroscopy of proteins is suggested. The frequency of a DB in an the alpha-helix is obtained in the region of 115 cm^{-1} in accordance with these experiments.

研究の動機と目的

• 実際のマイクロスコピックモデルを用いて、ペプチド鎖の剛性がタンパク質の平衡ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 弱い結合と非線形ポテンシャルの下で、離散的ブレーカー（DBs）がタンパク質二次構造内に存在可能かどうかを特定すること。
• 長寿命な振動がαヘリックスでは観測されるがβシートでは観測されないという、最近の遠赤外レーザー分光法実験を解釈すること。
• 局在的エネルギー貯蔵メカニズムとしてのDBsの機能的役割、特に反応促進振動に関連して、酵素触媒における可能性を検討すること。
• Xieらの実験データと一致する115 cm⁻¹のDB周波数との関連を確立すること。

提案手法

• 微視的に導かれた結合相互作用と有効な局所ポテンシャルを備えたポリペプチド鎖の現実的なモデルを開発した。
• 詳細な物理的制約を用いて、αヘリックス、反平行および平行なβシートにおける結合相互作用と局所ポテンシャルを計算した。
• 非線形格子方程式に非調和項を含め、二面角（トランスォナル）角のダイナミクスをモデル化した。
• 運動方程式の数値的および解析的解法を用いて、離散的ブレーカー（DBs）の存在と安定性を分析した。
• 物性的減衰項を用いて散逸メカニズムを評価し、音響的／フォノン媒介エネルギー損失を検討した。
• フラクチュエーション・ドレイン効果定理を用いて、ノイズと摩擦の関係を関連づけたが、γの微視的起源についてはまだ推測的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い結合と非線形ポテンシャルの下で、タンパク質二次構造内に離散的ブレーカーが存在可能か？
• RQ2 なぜ長寿命な遠赤外振動がαヘリックスでは観測されるが、βシートでは観測されないのか？
• RQ3 αヘリックスにおける離散的ブレーカーの周波数は何か？ そして、実験的観測と一致するか？
• RQ4 有効な局所ポテンシャル（硬い vs. ソフト）が、異なる二次構造におけるDB形成に与える影響は何か？
• RQ5 離散的ブレーカーは、特に反応促進振動に関連して、酵素における局在的エネルギー貯蔵メカニズムとして機能可能か？

主な発見

• すべての3つの二次構造において、結合相互作用は驚くほど弱く、αヘリックスおよび反平行βシートでは反発的性質を示し、平行βシートでは引力的性質を示す。
• 有効な局所ポテンシャルは、αヘリックスおよび反平行βシートでは硬いが、平行βシートではソフトである。
• 弱い結合相互作用のおかげで、すべての3つの二次構造に安定したジグザグ形状の離散的ブレーカー（DB）が存在可能である。
• αヘリックスにおけるDB周波数は約115 cm⁻¹と計算され、Xieらの実験的観測と非常に良好に一致する。
• ミオグロビンおよびバクテリオロドスフィンにおける長寿命な振動は、ソリトンやフォノンではなく、二面角の振動に起因するDBとして解釈される。
• DBエネルギー（室温下で約40kB T）は、一般的な酵素活性化エネルギーと同等であり、触媒におけるエネルギー局在化の潜在的役割を示唆している。