高分子論文集
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67 巻, 3 号
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総合論文
  • 本野 千恵, マイケル グロミハ
    2010 年 67 巻 3 号 p. 151-163
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    生体高分子であるタンパク質の安定化要因に関して,数十年以上さまざまな研究がなされてきた.本報では,分子動力学計算と,アミノ酸配列・立体構造の解析結果を組合せて,あるタンパク質の安定化要因を探索した.対象とした超好熱菌 Thermotoga maritima 由来コールドショックタンパク質(CSP)は,菌の至適生育温度 353 K では,わずかな構造安定性(ギブス自由エネルギー変化 ΔG(Topt)=0.3 kcal/mol)しか持たない.一方,常温菌由来の相同な CSP は,菌の至適成育温度 310 K で,超好熱菌由来 CSP の 5 倍以上の安定性を持つ(大腸菌由来 CSP で ΔG(Topt)=2.2 kcal/mol,枯草菌由来 CSP で 1.5 kcal/mol).同じ温度(室温)で比べてみると,超好熱菌由来 CSP は,常温菌由来 CSP よりも高い安定性を示す.これらの報告例から,超好熱菌由来 CSP は,熱力学的ではなく速度論的バリアによって,高温でもアンフォールドしないと推測される.より詳細な熱安定化のメカニズムを探るために,分子動力学計算で超好熱菌 CSP の完全なアンフォールディングを観測し,筆者らの推測を検証した.超好熱菌 CSP 以外の相同 CSP は,C 末部分からアンフォールディングが始まり N 末端部分の構造は最後まで残るが,超好熱菌 CSP は,両末端部分ともアンフォールドするまでに計算時間を要し,ほぼ同時に崩れる.その C 末端部分では,R2, E47, E49, H61, K63 および E66 の荷電残基の相互作用により構造が強固になり,N 末端部分との相互作用も強化されている.これらの相互作用は,超好熱菌 CSP に固有で,常温菌 CSP には見られず,アンフォールディングのバリアとして作用している.この相互作用を壊すアミノ酸置換を導入した変異体モデルと,他の CSP にこの相互作用を導入した変異体モデルのアンフォールディング計算結果からも,この相互作用が超好熱菌 CSP 特有のアンフォールディング機構を決定し,分子の安定化に寄与していることが示された.
  • 兵頭 志明, 土井 正男
    2010 年 67 巻 3 号 p. 164-178
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    高分子シミュレーションにおけるマルチスケールモデリングと粗視化の方法について,特に散逸粒子動力学法などの粗視化粒子の運動方程式を解く方法と動的密度汎関数法などの密度分布関数の時間発展を解く方法の比較,検討を行い,主にこれまで筆者らが報告してきた結果を基にこれらの原理的な差異について議論した.微視的な背景を有する粗視化粒子の方法と巨視的な基礎方程式に基づく密度分布の方法とは互いに情報変換できる可能性があるが,依然として大きなギャップが存在していることが結論された.的確な比較検討を積み重ねることで,より定量的なマルチスケールモデリングに近づけると考えられる.
  • 倭 剛久
    2010 年 67 巻 3 号 p. 179-186
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    筆者らは,コンピューターをもちいてタンパク質の運動や電子状態をしらべ,タンパク質が機能を果たすしくみを研究している.たとえば,特定の部位に外部から刺激がくわわったとき,その刺激(情報)はどのような経路を伝わって分子を伝わっていくのか,どのようなメカニズムで構造変化を起こすのか,電子移動反応にかかわるタンパク質では,電子供与体から電子受容体へ,どのアミノ酸残基を伝わってどのように電子が流れるのか,タンパク質内部でプロトン移動反応が起こるときには,どのような構造変化が引き金になるのか,などの問題をしらべている.このように,タンパク質のはたらきを物理の言葉で表現し,実験結果や遺伝情報解析とつきあわせることで生命現象のメカニズムに肉迫できるのではないかと考えている.
一般論文
  • 金城 友之, 村山 裕子, 今井 健二, 棟方 稔久, 兵頭 志明
    2010 年 67 巻 3 号 p. 187-191
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    燃料電池の高温低加湿作動の実現には低湿度での電解質膜のプロトン伝導性と水透過性の向上が求められている.そのためには高酸基密度化が有効であるが,単純な酸基密度の増加では耐水性の低下を招く.水透過性と耐水性という背反する性質を同時に併せ持つ電解質膜を設計するためには,さまざまな分子構造に関する物性予測が可能な計算機シミュレーションの活用が有効である.本研究では粗視化モデルを用いたシミュレーション手法(散逸粒子動力学法)を用いて高分子電解質膜の吸水膨潤挙動および,電解質膜中での水拡散係数の計算を行った.
  • 湯川 美穂, 森脇 英恵, 村上 太一, 池田 浩人, 岩瀬 由紀子, 安藝 初美
    2010 年 67 巻 3 号 p. 192-197
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    β-ラクタム系抗生物質であるアンピシリン(ABPC),アモキシシリン(AMPC)と β-シクロデキストリン(β-CD)との包接複合体の水溶液 pH による構造変化について半経験的分子軌道法計算を行った.酸性条件下では ABPC, AMPC 陽イオン(cation)のフェニル環部分が β-CD の空孔内に配置した 1:1 複合体(Complex_Ph)とペナム環部分が配置した複合体(Complex_Pe)の両方が得られた.中性条件下,塩基性条件下では Complex_Ph が包接化合物として得られ,Complex_Pe は形成されにくかった.これらの傾向は種々の pH 水溶液での ABPC, AMPC と β-CD あるいは 2-ヒドロキシル β-CD(HPCD)との包接複合体に関する熱量測定および NMR 測定結果と一致した.
  • 三根 雅生, 浦上 直人, 野崎 浩二, 山本 隆
    2010 年 67 巻 3 号 p. 198-202
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    有機分子薄膜の特異な積層構造の形成過程を理解するため,固体基板上での n-アルカン(C19H40)超薄膜の融液からの結晶化過程を,分子動力学シミュレーションを用いて究明した.特に,固体基板と n-アルカンとの相互作用の強さ,基板表面の原子的構造,および結晶化温度に注目した.基板表面の構造の詳細にかかわらず,過冷却度が小さく基板の引力相互作用が弱い場合は分子鎖が基板に垂直配向した単分子膜を形成する傾向が顕著になり,逆に過冷却度が大きく基板引力が強い場合は分子鎖が基板表面に平行に配向した薄膜が得られた.また,詳細な原子的構造を考慮した基板(atomic-wall)の場合,分子鎖の基板上での吸着位置の自由度に幾何学的な制限が生じ,原子構造を無視した基板(flat-wall)に比べて分子鎖が基板に対して垂直に立とうとする傾向が見いだされた.
  • 福田 光完, 玉井 良則, 鈴木 望, 菊地 洋昭
    2010 年 67 巻 3 号 p. 203-208
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    ポリジメチルシロキサン(PDMS)に対する希ガス,および数種の炭化水素ガスの溶解性の評価を分子シミュレーションの手法を用いて熱力学的に考察した.PDMS の 25℃, 1 気圧におけるバルク構造は分子動力学(MD)シミュレーションによって作製した.分子鎖間の空隙分率を仮想球分子の挿入によって評価し,粒子挿入法を用いてガスの過剰化学ポテンシャルと平均的な溶質-溶媒間の相互作用エネルギー(溶解エンタルピー)を計算した.希ガスとメタンについては単一のレナード・ジョーンズ(LJ)型ポテンシャル力場で表されるが,過剰化学ポテンシャル,溶解エンタルピーとも LJ 型の分子サイズ(σ)とエネルギー項(ε)とはよい相関が見られた.一方,メタン以外の炭化水素は,単純に LJ 型のパラメーターでは比較できないため図形的に分子サイズを求め解析した.分子サイズと過剰化学ポテンシャル,溶解エンタルピーとはよい相関関係を示した.キセノン,エタン,プロパン等,ガスの分子サイズが大きくなると過剰化学ポテンシャルは負の値を示す.これは溶解エンタルピー項が溶解エントロピー項よりも負の大きな値となることに起因することが明らかとなった.
  • 川内 進, 金子 将之, 今瀬 達也, 田口 吉昭, 顔 竹君, 姜 聲敏, 戸木田 雅利, 渡辺 順次
    2010 年 67 巻 3 号 p. 209-213
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    Poly(p-hydroxybenzoic acid)(poly(p-HBA))の双極子モーメント(μ)および超分子分極率(β)の重合度依存性を,B3LYP, MP2 により重合度 n=5 まで計算した結果,μ, β ともに重合度に対し線形関係を示した.また,poly(p-HBA)の μ, β いずれも B3LYP/6-31G(d)の方が MP2/6-31G(d)よりやや大きめの値を与えた.μ と β の基底関数依存性を調べた結果,すべての場合で高い線形性を示した.B3LYP MP2,いずれの場合も 6-31G(d)と 6-311G(d)の値,6-31+G(d)と 6-311+G(d)の値がそれぞれ似通った結果を与えた.一方,diffuse 関数を加えることでいずれの場合も μ と β の値がやや大きくなっており,基底関数を大きくするより diffuse 関数を加える効果の方が大きいことがわかった.以上より,電子相関を考慮し,diffuse 関数を加えた基底関数を用いた計算から,実験では得られていない p-HBAの μ および β を妥当な値として算出できることがわかった.
  • 稲井 嘉人, 小川 治輝
    2010 年 67 巻 3 号 p. 214-223
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    ラセミ単位を鎖中央部に含むポリ乳酸(PLA)のコンホメーションを理論的に解析した.このため,25 量体の L-乳酸シーケンス(1)とその中央の 13 番目を D-異性体に置換したシーケンス(1-D)を取り上げた.両方の PLA において,幾つかの初期構造を半経験的分子軌道計算により構造最適化し,収束構造のエネルギー値を DFT 一点計算によって再評価した.1 の八つの周期構造からの最適化において,“g-t”型らせん構造が最安定となった.1-D の場合,対応する構造は概してエネルギー的に不安定化したり,中央部付近でひずみを招いた.1 の最安定な“g-t”型らせんに組み込まれた D-乳酸単位は全体の分子鎖を三角形状に変化させ,1 に比べて鎖末端距離を約 25% だけ縮小させた.結論として,一つのラセミ単位を長いホモキラル PLA 鎖へ導入すると,元の物理化学的特性を変化させるような大きな構造柔軟性が発生することが明らかとなった.
ノート
  • 澤田 真一, 八巻 徹也, 小沢 拓, 鈴木 晶大, 寺井 隆幸, 前川 康成
    2010 年 67 巻 3 号 p. 224-227
    発行日: 2010年
    公開日: 2010/03/25
    ジャーナル フリー
    We investigated for the first time the mesoscopic structure of crosslinked-polytetrafluoroethylene (cPTFE) based radiation-grafted polymer electrolyte membranes (PEMs) by using dissipative particle dynamics (DPD) simulation. Based on the molecular structures, the fully-hydrated PEM systems were constructed with coarse-grained particles representing several atom groups. In the equilibrium state, water appeared to percolate into poly(styrene sulfonic acid) (PSSA) graft chains to give a mixed phase, separated from the hydrophobic PTFE chains. This phase-separation picture is quite different from that of Nafion, in which only water particles were gathered excluding any polymer parts (formation of a so-called water cluster). In order to obtain a deep insight into the phase-separation structure, the radial distribution function between water particles was calculated. As a result, there were found to be small water clusters with a diameter of only 1.8 nm in the water/grafts mixture regions.
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