浸透圧物質の構造的および熱力学的効果：タンパク質フォールディングランドスケープ全体にわたる効果

科学分野:

• 生化学および分子生物物理学
• 計算化学
• タンパク質ダイナミクス

背景:

• タンパク質フォールディングと、尿素やTMAOなどの浸透圧物質の役割を理解することは、分子生物学にとって重要である。
• コスルベントとタンパク質の構造変化との相互作用は、タンパク質の安定性と機能に影響を与える。
• 浸透圧物質の効果は以前から研究されてきたが、完全なフォールディングランドスケープ全体を包括的に見ることは不足していた。

研究 の 目的:

• SRCホモロジー3（SH3）ドメインとタンパク質AのBドメイン（BdpA）の2つのモデルタンパク質のフォールディングランドスケープ全体にわたる尿素とTMAOの優先的相互作用の構造と熱力学を特徴づけること。
• タンパク質変性中の表面積の変化との相互作用の相関を調査すること。
• 溶解機構に対するバックボーン、側鎖、および個々の残基の特定の寄与を解明すること。

主な方法:

• 完全なフォールディングランドスケープ全体にわたる溶解構造をモデル化するために、粗視化および原子論的シミュレーションを組み合わせた新しい計算パイプラインを利用した。
• 詳細な溶解解析のために、最小距離分布関数とカークウッド・バフ溶解理論を適用した。
• 分布関数と移動自由エネルギーへの残基ごとの寄与を計算した。

主要な成果:

• SH3とBdpAの両方のタンパク質において、優先的相互作用と変性状態の表面積との間に高い相関が見られた。尿素はBdpAの部分的に変性した状態を不安定化させ、そのアンフォールディング経路を調節したが、SH3の変性は一貫して表面積を増加させた。
• 変性 upon で尿素およびTMAOとの水素結合は弱まったが、非特異的相互作用はアンフォールデッド構造で強化された。尿素-バックボーンおよび非極性-コスルベント相互作用が主要な溶解機構であった。
• 移動自由エネルギーに対するコスルベント効果は、実験データ（1 kcal mol⁻¹以内）と密接に一致した。

結論:

• 尿素およびTMAOとの優先的相互作用は、タンパク質変性中に露出する表面積と強く関連している。
• タンパク質のアンフォールディング経路は、タンパク質の特定のフォールディングランドスケープに応じて、コスルベントによって大きく調節される可能性がある。
• 開発された計算方法は、大きな構造変化を伴う複雑な分子システムにおける溶解の研究のための堅牢なフレームワークを提供する。