NPU：究極の生命単位⑧Yang-Ling協同吸着等温線/原形質への結合

続編

文献情報

Ling, G. (2007). Nano-protoplasm: The ultimate unit of life. Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR, 39(2), 111–234. https://gilbertling.org/pdf/PCP39-2_ling.pdf

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今回の記事は以下の動画で触れている「タンパク質のゲル化/液体化」の話である。

この「生きてる細胞の中ではなぜか液体の状態を保ってて」「殺すと、途端にゲルのようになってしまって動きも止まってしまう」ものがまさに原形質(Protoplasm)であり、ここでいう「何等かの機構でガーッと振るのに相当すること」をリンのAIHは完全に説明している(だからキネシンの話も怪しい)。

2.8. 吸着の「全か無」遷移の開始メカニズム

図13は、白丸(○)と黒丸(●)の相互互換的吸着体が「全か無 all or none」的置換を開始する2タイプのメカニズムを表している。Bのモデルにある吸着体の裡、相対的に量の豊富な方は変化しない。「全か無」的置換は主要吸着体(EWC)の結合を引き金とする。このタイプの吸着体置換は前の節でいう『制御された自己協同的遷移 controlled auto-cooperative transition』を指す[1⇒ pp.143-144.]。

Aのモデルでは、「全か無」的吸着体置換は周辺培地にある2つの吸着体の裡、相対的に豊富な一方の増加を引き金とする。このタイプの置換を『自発的自己協同的遷移 spontaneous auto-cooperative transition』という。

注意すべきは(理想的な)自発的遷移の条件では、全ての吸着サイトは正規サイト regular siteであり、主サイト cardinal siteとして示されていない点である。従って、変化の伝播は偶発的に任意のサイトで開始する。対照的に、制御された遷移では、変化の伝播は常に主サイトで始まり、即ちその方向と伝播は所定の経路を辿る。

以下のセクションでは、統計力学の厳密な用語でこれら「全か無」の変化を定量的に検証しよう。

2.9. Yang-Ling協同吸着等温線

会合誘起仮説はその黎明期から細胞生理の巨視的性質や挙動を微視的性質や、原子/分子/電子の挙動で説明することを目的としていた[2⇒Chapter 1]。この目的を前提にすれば、Ludwig ルードヴィヒ Boltzmann ボルツマンの業績がこの仮説を構築する上で重要人物だと理解するだろう。

ボルツマンは生命とその物理的基礎を解明する上で肝心要となる。それは彼が統計力学の創始者の為である…この新たな科学分野はアメリカの物理学者Josiah ジョサイア Willard ウィラード Gibbs ギブズ(1839-1903)により補強された。

何しろ、統計力学の目的が微視的性質や原子/分子/電子の挙動を巨視的な物質全般の挙動に結び付けることに他ならない[3]。

この頃までに、還元主義者4人組は生物質…即ち細胞や細胞以下の生理学…の巨視的特性や挙動が物質全般の巨視的特性や挙動に不可欠だと明白に示していた。

加えてもう一人、同格の理論物理学者であるC.N.Yang 楊振寧教授からも多大な恩恵を受けた。1963年から1965年の間、中国昆明市にある清華大学大学院で私は彼とルームメイトだった。

Yangには1962年出版の拙著『A Physical Theory of the Living State 生命状態の物理的基礎: the Association-Induction Hypothesis 会合誘起仮説』を出版前にいち早く読んでもらい、賛辞を受けた。気が付けば一次元イジング模型に基づくYang-Ling吸着等温線が誕生していた。

こうして私の単純モデル…図13Aの図解通り、タンパク質分子を同質の吸着サイトが等間隔に並ぶ無限の長鎖と見做し、溶質iかjの何れかを吸着…が定量的に拡張された。

元々、この直後に作品を共著出版する予定だった。だが完全な私の不手際からその日は来なかった。代わりに、新雑誌『Biopolymers』[5]の初のシンポジウム号でこの等温線を発表した。1980年、George Karreman博士は、自身も編集に携わった『Cooperative Phenomena in Biology 生物学に於ける協同現象』に掲載したモノグラフの第一章でこの導出に私見を発表した[6]。

前述のYang-Ling吸着等温線は以下の通りに読み取れる。

$${[p_i]_{ad} = \frac{[f]}{2}[1 + \frac{ξ-1}{\sqrt{(ξ-1)^2 + 4ξexp(γ/RT)}} ]}$$・・・⑤

$${[p_i]_{ad}}$$と$${[f]}$$はそれぞれ吸着された溶質iの濃度と吸着サイトの濃度を表す。ξは次のように定義される。

$${ξ = \frac{[p_i]_{ex}}{[p_j]_{ex}}K^∞_{j→i}}$$・・・⑥

$${[p_i]_{ex}}$$と$${[p_j]_{ad}}$$はそれぞれ浸漬液に於ける吸着体iとjの平衡濃度を指す。$${K^∞_{j→i}}$$はjからiへの吸着体置換の固定平衡定数であり、その置換に於ける固有自由エネルギー$${ΔF^∞_{j→i}}$$に関連する。これは最近接サイトのトリオのj→i置換(ijj → iij)の場合のように、最近接i-jペアの数に変化は生じさせない。一方、別のトリオ(jjj → jij)でのj→i置換の場合、2つの新しいijペアが作られる。それぞれの新ijペアには、-(γ/2)に等しい「最近接相互作用エネルギー」というエネルギー項が必然的に加わる。従ってこのjjj → jij置換の場合、全自由エネルギー変化は単なる$${ΔF^∞_{j→i}}$$ではなく$${ΔF^∞_{j→i}+2{−(γ/2)} =ΔF^∞_{j→i}-γ}$$となる。

ここで互換的吸着体(j)が空孔の場合があることに言及しておきたい。その場合の濃度は吸着サイトの総濃度から吸着体(i)が占めるサイトを差し引いたものとなる。

協同現象では最近接相互作用エネルギーである『ー(γ/2)』が肝要となる。『ー(γ/2)』が負の数の場合、iの吸着は互換的溶質jの吸着可能性を増加させる。このタイプの協同現象を「ヘテロ協同 hetero-cooperative」と呼ぶ。『ー(γ/2)』がゼロに等しい場合、協同的相互作用は発生しない。そこでの吸着はラングミュア吸着等温線で記述される。

『ー(γ/2)』が正の数の場合、ある種の吸着が同種の吸着を更に促進する。このタイプの吸着は前述の通り「自己協同 auto-cooperative」と呼ぶ[2⇒ p. 103]。

自己協同現象が細胞生理学に於いて決定的に重要であるのは、このタイプの相互作用が個々の要素をグループに纏め、一つの単位として機能させる為である。自己協同吸着の図解たる図14Bは、$${[p_i]/[p_j]}$$に対する$${[p_i]/[f]}$$に等しい吸着体iのモル分率($${X_i}$$)の線形プロットを表している。自己協同吸着ではプロットがS字型やシグモイド曲線となることに注意されたい。

式⑤は次のような形でも書ける：

$${[p_i]_{ad} = \frac{[f]}{2}[1 + \frac{ξ-1}{\sqrt{(ξ-1)^2 + 4ξexp(γ/RT)}} ]}$$・・・⑤

$${\frac{[p_i]_{ad}}{[p_j]_{ad}}= \frac{\sqrt{(ξ-1)^2+4ξexp(γ/RT)+ξ＋1}}{\sqrt{(ξ-1)^2+4ξexp(γ/RT)-ξ＋1}}}$$・・・⑦

式⑦を様々な『ー(γ/2)』で対数-対数プロットにしたものが図14Aである。一方の図14Cが所謂吸着等温線のスキャッチャードプロットであり、データ群が自己協同相互作用のどのタイプかを判断する方法を追加するものである。特に、スキャッチャードプロットでは非協同型(ラングミュア等温線)が直線となるのに対し、自己協同吸着では下方に湾曲する点に注意されたい。

後述する、この式からの更に複雑な導出式を簡略化するべく、式⑤の大括弧×1/2(※[f]以外)を表す簡略表記にΩを導入してこのセクションを締めとする。

$${[p_i]_{ad} = \frac{[f]}{2}[1 + \frac{ξ-1}{\sqrt{(ξ-1)^2 + 4ξexp(γ/RT)}} ]}$$・・・⑤

$${Ω= \frac{1}{2}[1+\frac{ξ-1}{\sqrt{(ξ-1)^2+4ξexp(γ/RT)}}]}$$・・・⑧

例として、式5は次のようなシンプルな形になる：

$${[p_i]_{ad}=[f]Ω}$$・・・(5a)

$${[p_i]_{ad}}$$は吸着されたiの濃度、[f]は固定吸着サイトの濃度であり、いずれも新鮮細胞1gあたりのモル数単位である。Ωは式⑧の定義の通りである。

2.10. 膨大な微細NPU集合体からコヒーレントな巨視的構造体(原形質)への結合

人間もまた他の多くの複雑な生命体と同じく器官の集合でできている。器官は大同小異の細胞の集合でできている。細胞は細胞質と小器官(細胞膜、細胞核、ミトコンドリア等)でできている。細胞質と小器官は原則として様々な種類の原形質でできている。そして原形質はそれぞれ膨大なNPUの集合体である。本セクションでは、これら沢山の微視的なNPUが巨視的な原形質へと結合していくメカニズムに関する具体的な問題をテーマとする。

まずは(巨視的)原形質がその物理的粘性を変化させるメカニズムを検証する。原形質は、コロイド化学者の云う「ゾル」という様々な粘度の流体になる。逆に、彼等が「ゲル」と呼ぶ、固さの異なる固体にもなる。単細胞生物が持つ同じ原形質がゾル状態からゲル状態に可逆的に変化し得ることは、顕微鏡の登場で不可視の世界が突如可視化された19世紀半ば以降の細胞生理学者たちを魅了してきた。

原生生物を粉砕すると、Felix Dujardinの言うサルコードがゾル状態として流出する。同じく、フォン・モウルが植物細胞に観察してプロトプラズムと呼んだものも切断した巨大藻類細胞から流出した。だが原形質の流動性を更に印象付ける例はA.A.Listerの粘菌(変成菌 Mycetozoa)だろう。腐敗した楢の木に棲息するこの粘菌は通常、暗褐色のカビ胞子で充満しており、粘菌はこの胞子を栄養源としている。だが粘菌を濡れた綿毛に匍行させると、褐色の胞子が全て濾過され、透明な原形質が出現する[9]。

この対極の例として、筋肉細胞の物質は固いゲルである。成熟ヒト赤血球がヘモグロビンを喪失させずに微細に切断できるとの記録から、赤血球原形質もまた固いゲルであることは明白である[10⇒ p. 48]。

流体の粘菌と固体の赤血球を念頭に置けば、図15のように図解できる。これはNPUの集合体がとり得るゾル状態やゲル状態の最も単純な動的モデルである。残念ながら全ての図解に倣い、この図は一部の側面を強調しつつ、他の側面については意図せず不正確なものとなっている。最も深刻で不可避な誤りは、タンパク質部分 moietiesのサイズとそのβ-/γ-カルボキシル基の数である。赤血球細胞質NPUを例にしてみよう。

先に指摘した通り、赤血球1Lにはヘモグロビン340gが含まれる。アミノ酸残基の平均重量の推定値は114であり、これを340で割ると、新鮮な赤血球1Lあたり合計2.98(≒3)molのアミノ酸残基が存在することになる。上述の通り、これら残基の11%がβ-/γ-カルボキシル基を持つので、その総濃度は赤血球1Lあたり328mmolとなる。一方、生きた赤血球の細胞内K⁺濃度は赤血球1Lあたり約100mmolである。全てのK⁺は実質的にβ-/γ-カルボキシル基に吸着状態である[11]。この為、328－100＝228mmol、つまり約75%(※228÷328)のβ-/γ-カルボキシル基が、
・同一ヘモグロビン分子内
・近傍の他のヘモグロビン分子/非ヘモグロビン分子
の固定カチオン 陽イオンと自由に塩結合することになる(3.1.1.2参照)。

こうした選択肢を念頭に置くと、図15A ゾル状態の図解の通り、現実世界では、生細胞の基礎となるNPUは恐らくバルク相の水分子…全分子が分極と配向に関与…を挟んで何とも結合状態にない。粘菌の原形質では図15B ゲル状態の方が真相に近いだろう。動的構造の過程で恒常的に結合の形成と破壊が生じる。

より可能性が高いのは、図15Bの現実世界での対応物として遥かに小規模ながら、NPUは一部の分子内/間の塩結合形成にも関与することである。AIカスケードのこのタイプのメカニズムが、理論上は同一NPU内以外にも隣接NPU間でも生じ得ることが重要な帰結である。

だが、タンパク構造に関する膨大な情報に既に精通する読者ならば図15を見て愕然とするだろう。読者にとって馴染み深いのは、構造の細部まで高い精度で記述されたタンパク質単離物の三次元立体構造図である。だが図15は最も初歩的な類の結合である。何故このようなものを私は選んだか？

そこには理由がある。真の自然状態ではNPUは式①の通り大量の水と必ず結び付いている。そしてその細胞水は飽和に極めて近い相対蒸気圧(99.6%飽和)の水を含む血漿(またはリンゲル液)と平衡状態にある[12]。

$${NP = (A_lB_mC_n.... Z_1) (H_2O)_{a×1000} (K^+)_{b×10} (ATP)_c}$$ …①

X線回折がタンパク質分子を細部まで描写可能であることは否定しない。だがその描写は...エタノールや高濃度の塩のような非水溶媒で、水の活性を飽和近くからゼロ近くまで減衰させることで達成される...結晶形態のヘモグロビンに限定される。従ってヘモグロビンの結晶に関する詳細なデータとの関連性はあるが、飽くまで参考情報に過ぎない。結晶化タンパク質は多くの点で精巧に保存されたエジプトのミイラに似ている。どちらも自然状態では水気に溢れたものを脱水状態にしている。

だがそれは、図15のβ-/γ-カルボキシル基や骨格NHCO基以外のタンパク質上の官能基に生理的機能がないことを意味しない。当然ながら機能を持つ。ヘム-ヘム相互作用がその一例であり、これは後に詳述する。とはいえ冒険は始まったばかりであり、私が一番単純な所より始めることを信条としていることを言わねばならない。現時点の理論的予測では、β-/γ-カルボキシル基と骨格NHCO基が…生命を生命たらしめる…原形質のコヒーレンス 一貫性に中心的役割を果たす。そして我々のラボの実験的研究を検証し、全く以て単純な本モデルがどこまで事実を説明し得るかを確認していこう。

文献

[1]Ling GN. A Revolution in the Physiology of the Living Cell. Malabar, Fla. : Krieger Pub. Co.; 1992.
[2]Ling G. A Physical Theory of the Living State: The Association-Induction Hypothesis. (Paul R G, ed.). Blaisdell Publishing Co.; 1962.
[3]Boltzmann, L.
https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Boltzmann/
[4]Yang, C.N. (1995) Remarks about some developments in statistical mechanics.
[5]Ling, G. N. “The Role of Inductive Effect in Cooperative Phenomena of Proteins.” Biopolymers Symposia 13 (1964): 91–116.
[6]Karreman, G. (1980) Cooperative Phenomenon in Biology, Pergamon Press, New York
[7]Ling, G.N. (1966) All-or-nothing adsorption by living cells and model protein-water systems. Fed. Proc. (Symposium) 25: 958.
[8]Gulati J. Cooperative Interaction of External Calcium, Sodium, and Ouabain with the Cellular Potassium in Smooth Muscle. Ann NY Acad Sci. 1973;204(1):337-357. doi:10.1111/j.1749-6632.1973.tb30789.x
[9]Lister A. Notes on the Plasmodium of Badhamia utricularis and Brefeldia maxima. Ann Bot. 1888;os-2(1):1-24. doi:10.1093/aob/os-2.1.1
[10]Best, C.H. and Taylor, N.B. (1945) The Physiological Basis of Medical Practice, 4th ed., William & Wilkins, Baltimore, p. 7, Col. 2, line 19.
　※3rd ed(1943)⇒InternetArchive
[11]Ling, G.N. (2005) An updated and further developed theory and evidence for the close contact one-on-one association of nearly all cell K+ with β-, and γ-carboxyl groups of intracellular proteins. Physiol. Chem. Phys. & Med. NMR 37:1.
　PDFリンク：<Physiological Chemistry and Physics and Medical NMR>
[12]Ling, G.N. and Negendank, W. (1970) The physical state of water in frog muscles. Physiol. Chem. Phys. 2: 15.
http://www.physiologicalchemistryandphysics.com/pdf/PCP2-15_ling_negendank.pdf