[論文レビュー] Mechanism of antifreeze proteins action, based on Hierarchic theory of water and new ''clusterphilic'' interaction

Alex Käiväräinen|ArXiv.org|May 20, 2001

Physiological and biochemical adaptations参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、凝縮系の階層的量子理論に基づき、抗凍結たんぱく質（AFP）の作用に関する新しいメカニズムを提案する。ここでは、AFPの周囲で水のクラスター（クラストロン）を安定化する「クラスターフィリック」相互作用を導入する。このモデルは、共鳴するリブレーション効果オンの作用により凍結点降下を説明し、脈動するクラストロンからの超音波放射、トキソトロピック構造形成を含む。予測は、粘度、音速、ナノコンfinement下での亜冷凍結に関する実験データと一致する。

ABSTRACT

A basically new Hierarchic theory, general for solids and liquids (Kaivarainen, 2001, 2000, 1995, 1992), has been briefly described and illustrated by computer simulations on examples of water and ice. Full description of theory and its numerous applications are presented in series of articles at the arXiv of Los-Alamos (see http://arXiv.org/abs/physics/0102086). New clusterphilic interactions, intermediate between hydrophilic and hydrphobic, are introduced. They can be subdivided into: intramolecular - when water cluster is localized in the ''open'' states of big interdomain or intersubunit cavities and intermolecular clusterphilic interactions. Intermolecular clusterphilic interactions can be induced by very different macromolecules. The latter displays themselves in bordering of water cluster by macromolecules and forming so-called ''clustrons''. Clusterphilic interactions can play an important role in self-organization of biosystems, especially multiglobular allosteric enzymes, microtubules and the actin filaments. The selected review of literature, devoted to antifreeze proteins (AFP) and ice-nucleation proteins (INP) interaction with water is presented. Corresponding experimental results were analyzed on the base of Hierarchic theory. The possible mechanism of cryoproteins influence on water, changing its freezing point has been proposed. The consequences of new model of AFP action and ways of its experimental verification are described also.

研究の動機と目的

• 液体および固体に適用可能な、凝縮系の統一的量子理論を構築すること。特に、水および氷に焦点を当てる。
• 水の異常な物理的性質と、生物学的自己組織化および機能におけるその役割を説明すること。
• 凍結点降下および熱的ヒステリシスを説明できる、抗凍結たんぱく質（AFP）の機能に関するメカニズムを提案すること。
• 水とマクロ分子間の間隔的相互作用（ヒドロフィリックとヒドロフォビックの中間）としての「クラスターフィリック」相互作用を導入し、バイオシステム内でのマクロ分子組織化の鍵を特定すること。
• 提案されたAFP作用メカニズムの実験的検証に向けた検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 集団励起（効果オン、トランジットオン、コンバートン、デフォームオン）と分子波のミクロスコピックボーズ凝縮に基づく、凝縮系の階層的量子理論を適用する。
• 翻訳運動およびリブレーション運動の非マクスウェル＝ボルツマン分布に基づき、水および氷のコンピュータシミュレーションを実施する。
• 「クラスターフィリック」相互作用を導入：キャビティ内での分子内相互作用およびマクロ分子と水クラスター間の分子間相互作用を含み、これにより「クラストロン」が形成される。
• AFP作用を、一次リブレーション効果オン（約280個の水分子で構成されるコherentlyなクラスター）の安定化および10^6–10^7 Hzの周波数で脈動する現象としてモデル化する。
• 脈動するクラストロンからの超音波（US）波放射を予測し、これが氷核生成を妨げて凍結点を低下させることを示す。
• クラストロンの凝集が、流体力学的および双極子-双極子相互作用を通じてトキソトロピック構造形成に関与することを示し、粘度の増加を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一的量子理論としての凝縮系理論は、水および氷の異常な挙動をどのように説明できるか？
• RQ2 分子波のミクロスコピックボーズ凝縮は、生物学的系におけるコherentlyな水クラスター形成に果たす役割は何か？
• RQ3 抗凍結たんぱく質（AFP）は、融点に影響を与えずに凍結点を低下させ、熱的ヒステリシスを引き起こすメカニズムは何か？
• RQ4 AFPによって安定化されたコherentlyな水クラスター（クラストロン）の物理的および構造的特徴は何か？
• RQ5 クラスターフィリック相互作用は、細骨格や酵素などのマクロ分子系における長距離組織化および協同的ダイナミクスをどのように媒介するか？

主な発見

• モデルは、AFPに結合した水クラスター内の一次リブレーション効果オンが約280個の水分子を含み、約20 Åの特徴的なサイズを持つと予測する。
• AFPの周囲に形成されるクラストロンは、表面の幾何学的形状および溶媒条件に応じて半径30–50 Åの範囲にあると予測される。
• クラストロン内の水は、バルク水とは異なる物理的性質を示す：密度が低く、粘度が高く、音速が高く、誘電率緩和周波数が低い。
• 非弾性中性子散乱の共鳴データ（Teixeiraら、1985年）は、音速がバルク水を上回る固体的集団励起が水に存在することを支持する。
• ナノコンフィネムの孔内での亜冷凍結（例：0 °C未満）は、水の固定化およびクラストロンの安定化が強化されることに起因すると説明できる。
• 脈動するクラストロンは10^6–10^7 Hzの超音波を放射し、これが氷核生成中心を妨げて凍結点を低下させる。この予測は、AFP誘発の熱的ヒステリシスに関する実験的観察と一致する。