スーパーコンピュータ「京」を知る集い

計算機で観る蛋白質の形と動き
理化学研究所計算科学研究機構
粒子系生物物理研究チーム
杉田有治

細胞内環境でのタンパク質細胞の模式図	

細胞内には様々なオルガネラ（細胞内小器官）が存在	

細胞質	

細胞膜	
核	

それぞれの環境で異なるタンパク質が働く
1. 細胞質→水溶性タンパク質
2. 細胞膜→膜タンパク質3. 核内→DNA結合タンパク質DNAとタンパク質
遺伝情報に基づいて必要なタンパク質をつくる
DNAに含まれる遺伝情報：
４つの塩基の並び（配列）	

複製

DNA	
転写

RNA	
DNAは2重のらせん構造をとり、情報を複製する	

翻訳タンパク質	
Molecular Biology of the Cell (Fifth Ed.)	

親水性アミノ酸

タンパク質の成分：
20種類のアミノ酸＊リジン (Lys)

アルギニン(Arg)＊ ヒスチジン(His)

アスパラギン酸(Asp)

塩基性

セリン(Ser)＊トレオニン(Thr)グルタミン酸(Glu)酸性

アスパラギン(Asn)グルタミン (Gln)

プロリン (Pro)
特殊アミノ酸アラニン(Ala)

グリシン(Gly)＊ バリン(Val)＊ イソロイシン(Ile)＊ ロイシン(Leu)＊メチオニン(Met)

システイン(Cys)

脂肪族＊フェニルアラニン(Phe)チロシン(Try)
芳香族＊ トリプトファン(Trp)

含硫（＊必須アミノ酸）

疎水性アミノ酸

中性タンパク質はアミノ酸がペプチド結合で繋がった鎖状の分子
ミオグロビンのアミノ酸配列	
1

アミノ酸1

アミノ酸2

ペプチド結合生成

VLSEGEWQLV LHVWAKVEAD
VAGHGQDILI RLFKSHPETLEKFDRFKHLK

51 TEAEMKASED LKKHGVTVLTALGAILKKKG HHEAELKPLAQSHATKHKIP
101 IKYLEFISEA IIHVLHSRHPGDFGADAQGA MNKALELFRKDIAAKYKELG
151 YQG(1MBN Chain A)	

X線結晶解析による構造決定
英国のジョン・ケンドルーらが、血液中で酸素を貯蔵・運搬する“ミオグロビン”の結晶をつくってX線を照射し、原子レベルで立体構造を明らかにした（1962年ノーベPERSPECTIVES
ル化学賞受賞）	
were indeed frozen out and had little choice
but to flee, and it took three decades forevery journal to insist on depositing atomic
coordinates as a prerequisite for publication.

タンパク質結晶の例と、結晶構造解析で用いられるブラッグ反射の原理図

From structure to protein folding
Solving the structures of proteins at highresolution uncovered a new problem andinitiated a novel field of research — that ofprotein folding. It was known from seminal
experiments by Christian Anfinsen that small
proteins could spontaneously refold fromtheir denatured states, and so the primarystructure (sequence) of a protein dictates its
tertiary structure9. The ‘protein folding problem’ consists of two parts: first, the tertiary
structures of proteins need to be predictedfrom their primary sequences, and second,
the pathway of folding and unfolding must
be predicted.
Cyrus Levinthal and others, such as
Michael Levitt and Oleg Ptitsyn, wanted to
predict tertiary structures by predicting theirfolding pathways. Levinthal famously pointed
out in almost offhand remarks during ameeting in 1969 (REF. 10) that it seemedimpossible that an unfolded protein could
fold spontaneously by a random process ona biological time scale. Mechanisms wereproposed that could overcome the ‘Levinthal
paradox’ by simplifying the folding process
and breaking it down into subprocesses that
could occur stepwise. Ptitsyn suggested（参考：Fersht, A. R. (2008) Nature 9:650-654.）	

Figure 1 | Three-dimensional structure of myoglobin. The low-resolution structure of myoglobinthat was published by John Kendrew and colleagues in 1958 (REF. 1). This figure in the Nature paper
was reconstructed by the author using the original figures in the archives of the Medical ResearchCouncil Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK. Polypeptide chains are in white and thegrey disc represents the haem group. The three spheres show positions at which heavy atoms wereタンパク質の形と表現	
ヘムに含まれる鉄が酸素原子を吸着	
ヘリックスの色を付けて、よく見ると	ミオグロビンに含まれる全原子を表示	
主鎖原子を強調	
ヘリックスをリボンで表示	鉄	ヘム	
緑：炭素原子赤：酸素原子酸素	
青：窒素原子
これは何だろう？	
オレンジ：鉄原子	いろいろなタンパク質とその形
リゾチーム
細菌の膜を壊す	

アルコール脱水素酵素
アルコールを解毒する	

ロドプシン
眼で光を見る	

ATP合成酵素
細胞における反応過程の動力を供給する
ATPの大半を作る	

カルシウムイオンポンプ
筋肉の弛緩に必要	PDBj 今月の分子 http://www.pdbj.org/mom/index.php?l=ja	

タンパク質は動いている（１）	
ATP合成酵素は回転する分子モーター
野地らは、１９９８年に世界に先駆けて、ATP合成酵素の一部であるF1-ATPaseが回転する分子モーターであることを実験的に示した。
（Noji, H. Science (1998) など）	東大野地研究室のホームページ参照
http://www.nojilab.t.u-tokyo.ac.jp/index.html	

タンパク質は動いている（２）	
イオンポンプは、ATPを動力源としてイオンを輸送する
豊島らは、複数のX線結晶構造を解くことで、イオンポンプがATPを動力源としてカルシウムイオンを輸送する機構を解明した。
（Toyoshima et al, Nature (2000) など）	東大豊島研究室のホームページ参照 http://www.iam.u-tokyo.ac.jp/StrBiol/jp/	

計算機でタンパク質の動きを観る	
イオンポンプの生体膜中での分子運動	

イオンポンプのイオン結合部位の運動
黄色：炭素、赤：酸素、青：窒素、
水色：カルシウムイオン	

計算機でタンパク質の動きを観る	
Newtonの運動方程式を解く → タンパク質中の原子の運動が分かる	

mid 2ri (t)dt

2dU (r N )= Fi t = −dri()

上の式のままでは解けないので、繰り返し計算を実行する	
⎛ Δt ⎞ri (t + Δt ) = ri (t ) + Δtv i ⎜ t + ⎟ ,2⎠⎝
F (t )⎛ Δt ⎞⎛ Δt ⎞v i ⎜ t + ⎟ = v i ⎜ t − ⎟ + Δt i
2⎠
2⎠
mi⎝
⎝

時間刻みΔtは、フェムト秒（10-15秒＝千兆分の１秒）に制限される 	
→ 1秒の運動を観るためには千兆回の繰り返し計算が必要→ 現在の計算機の演算量ではマイクロ秒（百万分の１秒）程度が限界（それでも、十億回の繰り返し計算を実行）

計算機でタンパク質の動きを観る	
分子内相互作用	
結合長エネルギー項：

分子間相互作用	Lennard-Jones :結合角エネルギー項：

静電相互作用 :二面角エネルギー項：

計算機でタンパク質の動きを観る	
イオンポンプの生体膜中での分子運動	

シミュレーションの原子数
タンパク質の原子数： 約１５０００
生体膜の原子数：
約５００００水やイオンの原子数： 約２０００００

莫大な分子間相互作用
原子数 X 原子数
＝ ２６万 X ２６万＝ 約600億回の計算量（毎ステップ）

１マイクロ秒の計算をするため600億回（相互作用） X 10億回（繰り返し）「京」やもっと速い計算機が必要	タンパク質の計算からわかること	
• 立体構造形成	  – 立体構造予測、新しいタンパク質のデザイン	  • 変性と凝集	  – アルツハイマー病などの原因解明へ	  	  • 分子認識	  – 創薬、分子設計への応用	  • 細胞内分子ダイナミクス	

– 細胞まるごとモデリングへ	  タンパク質の立体構造形成
ゆで卵と生卵ではどっちが長持ちするでしょう？

茹でると抗菌作用を担うリゾチームというタンパク質のかたちが変わってしまい機能しなくなる	

加熱	

リゾチームの結晶構造	  (PDB:2LYZ)	  天然状態（生卵）	

変性状態（ゆで卵）	

タンパク質の立体構造形成	
生理的条件下での自発的巻き戻り	

変性状態	

天然状態	

タンパク質折れ畳みのシミュレーション
Villin （アミノ酸36残基）
マイクロ秒で折れ畳む
小タンパク質Yoda et al. Biophys. J. (2010)	

タンパク質の変性と凝集	
アルツハイマー病の原因は、アミロイドベータタンパク質の変性と凝集であると考えれられている	

アミロイド前駆体からアミロイドベータへ	細胞外でのアミロイドベータの凝集	

老人斑の形成	神経細胞のダメージと失活	

D.J. Selboe, Nature Cell Biology, 2004	タンパク質の変性と凝集	
実験的によくわからないアミロイド前駆体の膜中での構造（二量体）を分子シミュレーションで解明
Miyashita et al. JACS (2009)	

J.E. Straub and D. Thirumalai, Annu. Rev. Phys. Chem. 2011 	

タンパク質の分子認識：	  創薬への応用	• タンパク質は、特定の分子（基質）を認識し機能を発現する	  タンパク質
（鍵穴）

基質（鍵）
Population
Shift

古典的な「鍵と鍵穴モデル」（左）と、ダイナミクスを考慮した「平衡シフトモデル」（右）	

sPre-exiting創薬への応用	コンピュータを用いてより強く結合する分子をデザイン

コンピュータを用いて親油性をあげつつ結合能を保つような分子をデザイン

E119	
E227	

NANA	
より強く結合する	Relenzaは、親水性が高すぎるので腸から吸収されない。
Inhaled drug 吸入薬
粉末状の薬を専用の吸入器によって吸い込む

Zanamivir(Relenza)	

疎水性を上げる	Oseltamivir(Tamiflu)	

Oral drugs: 経口薬

まとめ	• タンパク質の分子動力学計算は、分子間相互作用を繰り返し解く必要があるため莫大な計算量を必要とする。	  
• しかし、この計算は	  – タンパク質の構造形成	  – タンパク質の凝集と変性	  – タンパク質の分子認識と創薬応用	  – 細胞内でのタンパク質ダイナミクス	  などの原子レベルの情報を得るために不可欠な方法である。