傘 孝之

石井 郁子

40018827514application/pdfdepartmental bulletin pape

石井, 郁子

イシイ, イクコ

9000010235008

00184458

傘, 孝之

カラカサ, タカユキ

9000008409757

20147763

The Nippon Dental University Repository

フラグメント分子軌道(FMO)法による水溶液中のトレハロースと水分子の相互作用の解析著者 石井 郁子, 傘 孝之雑誌名 日本歯科大学紀要. 一般教育系巻 40ページ 35-39発行年 2011-03-20URL http://doi.org/10.14983/00000670Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.jaフラグメント分子軌道(FMO)法による水溶液中のトレハロースと水分子の相互作用の解析Analysis of the interaction of α，α-trehalose and water molecules in aqueous solution based on the fragment molecular orbital (FMO) method 北里大学生命歯学部石井郁子傘孝之Ikuko ISHII Department of BiochemistりJ，Kitasato University School of Medicine， Kitasato 1-15-1， Minami-ku， Sagamihara， Kanagawa， 252-0374， JAPAN and Takayuki KARAKASA Department of Chemistry， School of L砕Dentistryat おかoThe Nippon Dental University， Fujimi 1-9-20， Chかoda-ku，Toわ叫 102-8159，JAPAN (2011年 1月 31日受理)The structure of 仏α-trehalosein aqueous solution has the two water-binding clefts which are in the region placed between the C(6)-OH and the C(2')-OH and in the region placed between the C(6')-OH and the C(2)-OH. To examine the difference between the cleft-water and the solvent-water， the inter-fragment interaction energy (lFIE) value of the water-o'刈・trehalosesystem (include 52 water molecules) was calculated with the fragment molecular orbital (FMO-MP2/6血31G) method. The IFIE value of the al water molecules was -97.6Kcal/mol and the IFIE value ofthe two cleft-water molecules was ・39.7Kcal/mol.The resu1ts showed that the two cleft water molecules are a major contribution to the stability ofα，α-trehalose in aqueous solution. Key words : Trehalose， Interaction， water， FMOラIFIEα，αー トレハロー ス(α-D-glucopyranosyl-(1，1)ーα-D-gluco-pyranoside) (1)は，グルコース2分子が(1，1)-α結合している単純な2糖であるにもかかわらず、乾燥保護，デンプン老化抑制，タンパク質変'性抑制などを示すことが知られ36 日本歯科大学紀要第40巻ている。1)このような機能は， 固体状態で、も水溶液状態で、もα，α-トレハロースl分子が2分子の水と特異な相互作用をしているためではなし、かと考えて検討を行ってきた。α，αートレハロースは，水溶液中で、は2つのグソレコヒ。ラノース環がグリコシド、結合に対して対称な構造を保っていることは lH_NMRスベクトル 2)の測定から明らかになっている。我々は，更に詳細な水溶液中のα，α-トレハロースの立f材蒔造を知るために lH_NMRスベクトルの実測スベク トルと計算スベクトルの比較および 眼 スベクトルの実測スベク トノレと計算スベクトノレの比較解析を行った。3，4)その結果，α，αート レハロースは水溶液中で、Fig.2に示すようにα，αートレハロースのC(6)-OHとC(2')-OHおよび C(6')-OHとC(2)ーOHにできた2つのクレフト(くぼみ)に各水分子1つを挟み込む構造(2)のまま，水溶液中に溶解していることが分かつた。更に，室温下メタノーノレ溶媒中にα，α-トレハロース二水和物を溶解すると徐々にα，αート レハロース無水物に変化する機構をRスベクトノレから明らかにした。5)すなわち，固体状態のα，α・トレハロース二水和物は，X線構造解析のから Fig.3に示すような非対利書造をとっていることが知られている。メタノール溶媒中に溶解すると水溶液中に溶解した時と同じく水2分子をα，αート レハロースの 2ヵ所のクレフト C(6)-OHとC(2')-OHおよび C(6')-OHとC(2)-OHで挟み込んだ対称な構造に変化し，この対朝司書造から水2分子が脱離する。5)以上のように， α，αート レハロースのクレフト中の 2分子の水(クレフ ト水)は， α，αートレハロースの立体配座を保つために非常に重要な役割を果していると考えられます。今回，この2分子のクレフト水と溶媒の水の聞にどのような違いがあるかに興味を持ち，フラグメン ト分子軌道σMO)法めを用いてα，αート レハロースと水分子の相互作用エネルギー(IFIE)を計算した。H (1) Fig.lα，α-trehalose Fig. 2 Ball-stick representation ofα，α-trehalose in aqueous solution (2) Fig.3α，α-trehalose dihydrate6) 計算方法α，αートレハロースの構造最適化計算には GAMESS6)フ。ログ、ラムを，分子力学ゆ品のおよび分子動力学計算。1D)には Aお侶ER17)プログfラムパッケージを，フラグメント分子軌道σMO)計算には ABINI下MP8)プログラムをそれぞれ使用した。また，入力ファイルの作成と出力デ、ータの表示および解析には BioStationViewer9)，Facio10) ， Winrnostar1)フ。ログPラムをイ吏用した。結果と考察水溶液中で、は， α，αー 卜レハロースは 2分子の水をC(6)司OHとC(2')・OHおよび C(6')-OHとC(2)-OHで挟み込んだ対称な構造で溶解している 3，4)我々 は，この構造がα，αート レハロースの機能に重要な寄与をしているのではないかと考えた。そこで，トレハロース分子に挟み込まれた2分子の水と溶媒の水との相互作用をフラグメン ト分子軌道σMO)法で計算し比較検討し石井 ・傘 フラグメン卜分子軌道(FMO)法による水溶液中のトレハロースと水分子の相互作用の解析 37 た。まず、水溶液中の立体配座で、あるα，α-トレハロース二水和物(2)を初期構造として，M侶ERプログラムで用意されているTIP3Pモデ、ル構造を使って2の周りに746個の水分子を配置し，746個の水分子のみを初期温度と熱浴温度 300K，積分間隔2fs(5000ステップ)， SHAKE法で平衡化した。更に，この構造を初期構造として 746個の水分子のみを 20psかけて初期温度をOKから300Kに上昇させ， 300Kで20psの計算を行った。この系の分子モデルをFig.4に示した。 トレハロース分子はスペースフィルでフk分子はワイヤーフレームで表示した。Fig.4 この計算で得られた746個の水分子の配置の中で，α，α・トレハロースとの相互作用に重要と考えられるα，α・トレハロース分子の中心から 8.oA以内にある水分子52個(二水和物の水分子を含めて)の系を用いてフラグメント分子軌道σMO)法計算を次の様に行った。まず，この系の中で、α，αートレハロース二水和物以外の水分子50個についてHF/STO-3G，次いでHF/6-31Gで部分最適化計算をした。この部分最適化構造を初期構造として HF/6・31Gで全最適化計算した。この結果をFig.5に示した。この系では， α，α・トレハロース周りの 50個の水分子が不均一に分布しているにもかかわらず，計算したα，αートレハロースの立体構造は以前報告 3，4)した水溶液中のα，α-トレハロースの構造 (α，αートレハロースの2ヵ所のクレフトに各1分子の水を挟み込んだ構造)とほぼ同じ立f材薄造を保っていた。次に，この全最適化構造を使ってフラグメン ト分子軌道 σMO-MP2/6-31G)計算により，フラグメン ト問相互作用エネルギー (IFli)を求めた。Fig.5 トレハロース分子と各水分子問のIFliとα，α-トレハロース分子の中心から各水分子まで、の距離を Table1 に示した。、.Vaf.r IFIE(K<. ~田 01) Distauce(A) 、iatlPc IFIE(KロU回。1) Dist:luc.e(A】WAT2 -20.2 4.50 WAT39 -0.2 8.40 WAT3 -19.5 4.80 WATJI -0.2 7.90 WAT26 -18.4 5.40 WAT53 -0.2 9.00 WATJ2 -9.7 4.50 WATJ5 0ー.1 9.30 WAT32 7ー.4 7.20 WA'τ'20 -0.1 9.70 WAT35 -6.3 6.50 WAT41 0ー.1 10.50 WATJ6 -3.2 7.60 WAT43 -0.1 8.40 WAT33 -1.9 8.50 WAT52 -0.1 7.40 WAT7 1ー.4 7.00 WAT28 。.0 9.90 WAT4 1ー.4 6.60 WAτ'24 0.0 6.70 WATI8 -1.4 7.30 WAT31 0.0 9.20 WAT27 -1.1 7.40 WAT21 。 9.60 、;VAT48 -1.0 6.40 WAT46 。 11.20 WAT29 -0.9 5.90 WAT9 。 8.20 WAT6 -0.8 5.60 WAT42 0.1 7.30 WATJO -0.8 7.50 、IIAT49 0.1 10.40 WAT36 -0.8 630 WAT30 0.1 9.20 WAT22 -0.6 8.30 、IIAT25 0.2 9.20 WAT47 -0.6 5.30 WATJ3 0.2 11.20 WAT5 -0.5 7.40 WATJ4 0.2 7.40 、WAT34 -0.5 7.70 WAT37 0.2 9.00 WAT8 -0.5 6.60 WAT51 0.3 8.30 WAT判 -0.5 8.20 WAT38 0.4 6.70 WAT45 -0.4 8.00 WATJ9 0.4 6.30 WAT40 -0.4 9.00 WAτ'23 0.5 9.10 WATJ7 -0.3 8.60 WAT50 1.3 8.00 Table 1 IFllis ofα，α・trehalose-waterTable 1からトレハロース分子との相互作用が5齢、水分子は，VVAT2， VVAT3， VVAT26 ， VVAT12， VVAT32 ， 38 日本歯科大学紀要 第 40巻WAT35， WAT16であることがわかる一方，最適化によりα，α・トレハロース分子の中心から 8.0A以内に配置した全水分子52個のうち24個が8.0A以上離れた位置に移動している。Fig.6に示したように WAT2とWAT3は， α，α-トレハロースのクレフ ト水で、その IFIEは，それぞれ-20.2KcaVmolと-19.5KcaVmolである。このクレフト水は， α，α-トレハロースのC(6)-OHとC(2')-OHおよびC(6')・OHとC(2)・OHでそれぞれ2カ所の水素結合をしている。Fig.6 また，WAT26はα，αートレハロース分子表面に出ているC(2)ーOHとC(3)・OHの2ヵ所で、水素結合σig.7)を作り， IFIEが一18.4KcaVmolとク レフト水と近し、値を示した。Fig.7 一方，WAT12， WAT32， WAT35， WAT16はα，αート レハロースの0(6)，C(6')-0-H， C(3')-0-H， C(6)-0-Hでそれぞれ lカ所づっで水素結合σig.8)を作り， IFIEはそれぞれ-9.7，-7.4， -6.3， -3.2KcaVmol，水素結合距離σig.9)はl.798，l.873， 2.193， 2.816Aで、あった。Fig.8 Fig.9 以上から， α，α・トレハロースと 2ヵ所でフk素結合したクレフト7.K(WAT2とWAT3)とα，αートレノ、ロー スの分子表面にでている OH基と水素結合をした水分子仰J¥T26)では，クレフト水仰J¥T2とWAT3)のIFIE値が約 1'"'-'2KcaVmol安定であることが示された。また，クレフ ト水は，この系の全水分子52個中の2個約 3.8%である。一方，この系全体の IFIE値は97.6Kcaνmol，クレフ ト水の IFIE1直は 39.7Kcal/mol であり、クレフト水による寄与率は約40%と非常に大きい。更に， α，αートレハロースのクレフトに水が入ることにより，クレフト水がくさびのように{動きα，α・ト石井・傘 フラグメント分子軌道(FMO)法による水溶液中の卜レハロースと水分子の相互作用の解析レハロースのグリコシド結合の自由回転が阻害している。今回，水溶液モデ、ル中で、のα刈ートレハロースのフラグメント分子軌道計算からクレフト水が水溶液中の仏αー トレハロースの立体配座の保持に大きな寄与をしていることが明らかになった。文献1. 第 l回~第 12回トレノ¥ロースシンポジウム記録集2. V. S. R. Rao， P. K Qasba， P. V. Bal司1ラR.Chandrasekaran， Conformation 0/ Gαrbohydrat，四Han礼loodAcademic Publishe眠 (1998)，pp. 118とヲ|用文献3. 石井郁子，傘孝之，日本歯科大学紀要 36，33-37 (2007) 4. 石井郁子，傘孝之，日本歯科大学紀要， 38，39-43 (2009) 5. 石井郁子，傘孝之，日本歯科大学紀要， 39， 37-41 (2010) 6. T. Taga， M. Senma and K Osaki， Acta 0予想tallogr.，Sect. B : S，的Ict.Cηlstalogr. Gη'st. Chem.， 28， 3258 (1972) 7. GAMESS. Available at htゆ://www.msg.chem.ias匂te.edu/index.h加u8. D.A. Case， T.A. Darden， T.E. Cheatham， II， c.L. Simmer1ing， J.Wang， R.E. Duke， R. Luo， R.C. Walker， W. Zhang， KM. Merz， B.P. Roberts， B. Wang， S.Hayik， A. Roitberg， G. Seabra， l.Kolossvary， KF. Wong， F.Paesani， J.Vanicek， J.Liu， X. Wu， S.R. Brozell， T.Steinbrecher， H. Gohlke， Q. Cai， X. Ye， 1.Wang， M.-J. Hsieh， G. Cui， D.R. Roe， D.H. Mathews， M.G. Seetin， C. Sagui， V. Babin， T. Luchko， S. Gusarov， A. Kova1enko and P.A. Kollman， M侶 ER11， University ofCalifomia， San Francisco， 2010. 9. AB町IT-恥1p Ver. 4.1 2008. 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Analysis of the interaction of α,α-trehalose and water molecules in aqueous solution based on the fragment molecular orbital (FMO) method

フラグメント分子軌道(FMO)法による水溶液中のトレハロースと水分子の相互作用の解析

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