生物分子モーターにおける自由エネルギー変換と制御の理論

生物分子马达的自由能转换与控制理论

• 批准号: 12030215
• 负责人: 関本 謙
• 金额: $ 0.32万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12030215/
• 关键词: 制御; 構造機能相関; センサー; ゆらぎ; 化学力学共役; エネルギー変換; 分子モーター; アロステリック酵素

タンパク質分子モーターは、'揺ぐ世界'において入出力とそのタイミングの制御によって変換効率など望ましい機能を発揮している。今年度はこの制御の問題を正面からとりあげ、ナノバイオロジーの実験的知見とタンパク質構造解析の知見を統合することを目指した。1.揺ぎのエネルギー論の枠組みを用いて、カルノー熱機関おける操作にともなう仕事とその不可逆性、および両者の関係について検討し(ref.1)、わけても、環境との接触に際して不可避に失われる情報と不可逆仕事の関係については熱力学の拡張への挑戦的な問題を含むので一般論の形式で論じた(注1).2.揺ぐ開放系の個別過程を扱う枠組みを揺ぎのエネルギー論の拡張として構成した(ref.2)。これはATP,ADP、あるいはGTP,GDP etc.、およびPiの混合物である環境での議論に必要である。化学ポテンシャルの意味、それと反応座標やエネルギー収支との関係なども示した。3.実験の仮説検証的な解析により(ref.3)、分子モーターが化学反応→力学仕事の向きのみならず、力学仕事→化学反応の向きの双方向の制御を具現していることを示唆した。従来の(思考)実験モデルでは大雑把にいって片側の制御のみしか行わない事を指摘した(ref.4)。4.分子モーターにおいて要素過程が互いに時空的に制御されながら進行していることが強く示唆されるが、(1)リガンド結合を検知するシステムの構造的・エネルギー論的な設計(2)検知のシステムと(タイミングを含めた)制御のシステムを双方向に結合して、自由エネルギー変換機構を構築した(注2;論文執筆中)。副産物として、Allosteric転移や結合の交換などをミクロレベルで統一的に記述できるようになった。注1:Irreversibility resulting from contact with a heat bath caused by the finiteness of the system,K.Sato,K.Sekimoto,T.Hondou,F.Takagi,submitted to Phys.Rev.E注2:Control and Sensing in Thermally Fluctuating Systems:Ken Sekimoto,(Talk presented at Dynamical Aspects of Complex Systems from Cells to Brain(DACS2000),29Nov.-1Dec.2000,Sendai,Japan)

タ ン パ ク qualitative molecular モ ー タ ー は, '揺 ぐ world' に お い て in output と そ の タ イ ミ ン グ の suppression に よ っ て - in sharper rate な ど hope ま し い function を 発 swing し て い る. Our は "こ の suppression の problem を positive か ら と り あ げ, ナ ノ バ イ オ ロ ジ ー の be 験 know see と タ ン パ ク mass structure の knowledge integration を す る こ と を refers し た. 1. 揺 ぎ の エ ネ ル ギ ー theory の 枠 group み を with い て, カ ル ノ ー engine masato お け る operation に と も な う shi matter と そ の irreversibility, お よ び struck is の masato is に つ い て beg し 検 (ref. 1), わ け て も, environmental と の contact に interstate し て cannot avoid に lost わ れ る intelligence と irreversible shi matter の masato is に つ い て は thermodynamics の company, zhang へ の pick 戦 The な problem を contains む で で general theory of <s:1> form で theory of じた(Note 1).2. 揺 ぐ open individual process is の を Cha う 枠 group み を 揺 ぎ の エ ネ ル ギ ー theory の company, zhang と し て constitute し た (ref. 2). こ れ は ATP, ADP, あ る い は GTP, made GDP etc., お よ び Pi の mixture で あ る environment で の comment に necessary で あ る. Chemical ポ テ ン シ ャ ル の means, そ れ と anti 応 coordinates や エ ネ ル ギ ー 収 branch と の masato is な ど も shown し た. 3. Be 験 の said 仮 検 な resolution に よ り (ref. 3), molecular モ ー タ ー が chemical anti 応 - > mechanical shi thing の き の み な ら ず - chemical, mechanical shi things against 応 の to き の both sides to の suppression を is し て い る こ と を in stopping し た. 従 の (thinking) be 験 モ デ ル で は big 雑 に い っ て piece side の suppression の み し か line わ な い matter を blame し た (ref. 4). 4. Molecular モ ー タ ー に お い て elements process が mutual い に spatio-temporal に suppression さ れ な が ら for し て い る こ と が く and shown strong sucking さ れ る が, (1) リ ガ ン ド combining を 検 know す る シ ス テ ム の constructed · エ ネ ル ギ ー theory な design (2) know 検 の シ ス テ ム と (タ イ ミ ン グ を containing め た) suppression の シ ス テ ム を both sides to に combining し て Construction of a free エネ ギ ギ ギ transformation mechanism を た(Note 2; in the process of writing the paper). By-products と し て, Allosteric planning move や combining の exchange な ど を ミ ク ロ レ ベ ル で unified に account で き る よ う に な っ た. Note 1:Irreversibility resulting from contact with a heat bath caused by the finiteness of the System, Keith ato, Keith ekimoto, Todd Harper ondou, F.T akagi, submitted to Phys. Rev. E note 2: the Control and Sensing in Thermally Fluctuating Systems:Ken Sekimoto,(Talk presented at Dynamical Aspects of Complex Systems from Cells to Brain(DACS2000),29Nov.-1Dec.2000,Sendai,Japan)

项目成果

Tatsuo Shibata: "Energetics of Open Systems and Chemical Potential From Micro-Dynamics Viewpoints"J.Phys.Soc.Jpn.. 69・8. 2455-2462 (2000)

柴田龙夫：“从微观动力学角度看开放系统的能量学和化学势”J.Phys.Soc.Jpn.. 69・8（2000）。

Ken Sekimoto: "Fluctuations in sliding motion generated by independent and random actions of protein motors"Biophysical Chemistry. 89. 95-99 (2001)

Ken Sekimoto：“蛋白质马达的独立和随机作用产生的滑动运动波动”生物物理化学。

Ken Sekimoto: "The Carnot cycle for Small Systems : Irreveresibility and Cost of Operation"Phys.Rev.E. 62. 7759-7768 (2000)

Ken Sekimoto：“小型系统的卡诺循环：不可逆性和运行成本”Phys.Rev.E。

Tsuyoshi Hondou: "Unattainability of Carnot efficiency in Brownian heat engine"Phys.Rev.E.. 62・5. 6021-625 (2000)

本堂刚：“布朗热机中卡诺效率的无法达到”Phys.Rev.E. 62・5（2000）。