生命の基質「水」と自己組織化
生命維持における水の役割は未だに完全には理解されておらず、ずっと過小評価されてきました。
一般的なイメージは、タンパク質や核酸などの機能性生体高分子の拡散運動の媒体として機能する溶媒でした。
しかし、生体水は細胞の生命に積極的な役割を果たしていることがわかってきました。
高分子の構造と会合を規定する重要な力、すなわち疎水性引力の源となります。
一見するとかなり単純な水分子は、細胞内の化学反応や情報伝達プロセスを助けるために、驚くべきほど多様な構造を形成しています。
Spatial Layouts of Low-Entropy Hydration Shells Guide Protein Binding
Glob Chall. 2023 May 2;7(7):2300022. doi: 10.1002/gch2.202300022
自己組織化による動的平衡
私たちの体は、固定された物質のように思われますが、体を構成している要素は絶え間なく分解され、食事によって摂取した栄養素により作り直されています。
構成要素がお互いに調和し補い合い、全体として一定のバランスが保たれること、すなわち恒常性が保たれるシステムが私たちの生命です。
私たちの体は常に新陳代謝を繰り返して、決して固定されることはありません。
私たちは静的な存在ではなく、動的な存在なのです。
健康と病気の動的平衡については、関連記事をご参照ください ↓
この自己組織化する力こそが生命の神秘であり、自然治癒力やホメオスタシスを可能にしています。
散逸構造の自己組織化については、関連記事をご参照ください ↓
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自然治癒力については、関連記事をご参照ください ↓
タンパク質結合を導く低エントロピー水和殻
タンパク質間の結合は、秩序だった自己組織化を可能にするため、自然の奇跡と考えられています。
タンパク質の生物学的機能は、別のタンパク質（すなわちリガンド）との正確な結合を介して発現し、免疫応答、DNA複製、酵素阻害、シグナル伝達など、様々な生理学的プロセスに関与しています。
タンパク質間の結合は、主に静電気力、水素結合、ファンデルワールス力、疎水性相互作用によって支配されています。
これらの物理的な力の中で、疎水性相互作用のみが、周囲の水分子の静電遮蔽によるタンパク質間の分子間引力と見なすことができます。
水分子は明らかにタンパク質の親水基よりも電気的に分極しています。
タンパク質表面の親水基は、水和殻内の周囲の強い極性水分子と水素結合することで、タンパク質の表面水素結合供与体が別のタンパク質の水素結合受容体とランダムに水素結合するのを防いでいます。
水和殻
水溶液中の物質は、水和することで安定化します。
水との親和性が強い物質は親水性水和殻、水との親和性が低い物質は疎水性水和殻で覆われ、物質はすべてこの水和殻を通して相互作用しています。
水の中で物質が互いに接近する際には、まず水和殻の構造が変化します。
タンパク質の構造と機能は、水和殻に強く影響されます。
タンパク質の周りの水和殻は、1～5 nmの距離までバルク水とは異なるダイナミクスを持っています。
水分子は、タンパク質の水和殻に入ると大幅に減速し、速度は 2～5 倍低下します。
水和殻の水分子の水素結合ネットワークは、バルク水よりもはるかに整然としています。
したがって、その回転と可能な構成の数は大幅に減少し、水和殻内のエントロピーレベルはバルクの水分子よりも低くなります。
エントロピーについては、関連記事をご参照ください ↓
水和殻の低エントロピー領域が、個々のタンパク質の結合部位を覆っています。
タンパク質の周りの低エントロピー水和殻は、タンパク質間の結合を調整するタンパク質間の疎水性引力を促進します。
タンパク質間の結合は、主に、形状が一致した低エントロピー水和殻間の疎水性崩壊によって誘導されます。
タンパク質の水和殻の低エントロピー領域の空間レイアウトは、タンパク質間の結合を正確に導くための「鍵と鍵穴」のような役割を果たします。
タンパク質の周りの水和殻は、EZ水（Exclusion Zone Water）とも呼ばれています。詳しくは関連記事をご参照ください ↓
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まとめ
タンパク質の生物学的機能は、別のタンパク質との正確な結合を介して発現し、免疫応答、DNA複製、酵素阻害、シグナル伝達など、様々な生理学的プロセスに関与しています。
タンパク質間の結合は、秩序だった自己組織化を可能にするため、自然の奇跡と考えられています。
この自己組織化する力こそが生命の神秘であり、自然治癒力やホメオスタシスを可能にしています。
タンパク質間の結合は、主に静電気力、水素結合、ファンデルワールス力、疎水性相互作用によって支配されています。
これらの物理的な力の中で、疎水性相互作用のみが、周囲の水分子の静電遮蔽によるタンパク質間の分子間引力となります。
タンパク質の構造と機能は、水和殻に強く影響されます。
タンパク質の周りの低エントロピー水和殻は、タンパク質間の結合を調整するタンパク質間の疎水性引力を促進します。
タンパク質の水和殻の低エントロピー領域の空間レイアウトは、タンパク質間の結合を正確に導くための「鍵と鍵穴」のような役割を果たします。
