[論文レビュー] Effect of hydrogen bonds on protein stability

Valentino Bianco, Svilen Iskrov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Material Dynamics and Properties参考文献 65被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、水単層の粗粒度モデルを提案し、水素結合（HB）の協同効果を捉え、温度と圧力の変化下でのタンパク質安定性のシミュレーションに応用する。モンテカルロシミュレーションを用いて、P-T平面における楕円形の安定領域を再現し、冷害、高温、高圧による変性、および溶融グロブール状態を示す。水素結合ネットワークの破壊が折りたたみの主要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

The mechanism of cold- and pressure-denaturation are matter of debate. Some models propose that when denaturation occurs more hydrogen bonds between the molecules of hydration water are formed. Other models identify the cause in the density fluctuations of surface water, or the destabilization of hydrophobic contacts because of the displacement of water molecules inside the protein, as proposed for high pressures. However, it is clear that water plays a fundamental role in the process. Here, we review some models that have been proposed to give insight into this problem. Next we describe a coarse-grained model of a water monolayer that successfully reproduces the complex thermodynamics of water and compares well with experiments on proteins at low hydration level. We introduce its extension for a homopolymer in contact with the water monolayer and study it by Monte Carlo simulations. Our goal is to perform a step in the direction of understanding how the interplay of cooperativity of water and interfacial hydrogen bonds affects the protein stability and the unfolding.

研究の動機と目的

• 界面における水素結合と水の協同効果がタンパク質の安定性および折りたたみに与える影響を理解すること。
• 閉じ込められた水の複雑な熱力学的性質を再現できる水単層の粗粒度モデルを開発すること。
• 温度（T）と圧力（P）を変化させた条件下で、水単層に接する疎水性ヘテロポリマーの折りたたみ・展開挙動をシミュレートすること。
• 冷害、圧力変性、熱変性のメカニズムを統一的な枠組みで調査すること。
• 実験的な相挙動と比較してモデルを検証し、タンパク質安定性における水素結合ネットワークの役割を特定すること。

提案手法

• 水素結合（HB）の協同効果を明示的に扱う水単層の粗粒度モデルを開発する。
• 平均場計算とモンテカルロシミュレーションを用いて、水単層の熱力学的性質を研究する。
• 簡略化されたタンパク質として、自己回避型疎水性ヘテロポリマーを水層に接触させたモデルを拡張する。
• 温度（T）と圧力（P）の範囲を変化させたシミュレーションを実施し、安定領域をマップする。
• 折りたたみ・展開遷移の過程で、ヒドロゲンボンド（HB）の数と配向を分析する。
• シミュレートされた相図と構造的状態（折りたたまれた状態、溶融グロブール状態、展開状態）を、実験的観察と理論的予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じ込められた水における水素結合の協同効果は、温度と圧力の変化に伴いタンパク質安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粗粒度モデルによる水単層は、タンパク質相図で観察される楕円形の安定領域を再現できるか？
• RQ3 水の水素結合ネットワークは、冷害変性と圧力誘発折りたたみの駆動要因として果たす役割は何か？
• RQ4 ヒドロゲンボンド構造の水和殻における揺らぎは、タンパク質の折りたたみ・展開遷移とどのように相関するか？
• RQ5 本モデルは、さまざまな熱力学的条件下で中間状態（例：溶融グロブール）をどれほど正確に捉えられるか？

主な発見

• モデルは、実験的タンパク質相図と整合するP-T平面における楕円形の安定領域を成功裏に再現した。
• 冷害変性は、低温でも水和殻内の水素結合数が著しく減少することで発生する。
• 圧力変性は、水素結合数の減少と、特に高圧下で顕著な水素結合ネットワークの破壊と関連している。
• 中間的条件下では溶融グロブール状態が観察され、部分的収縮と非ゼロの水素結合数を特徴とする。
• 楕円形の安定領域の軸がずれていることが確認され、理論的予測と実験的観察と一致した。
• モデルは冷却、圧力上昇、温度上昇に伴うタンパク質の折りたたみを再現し、3つの変性経路を確認した。