研究の対象:生体膜
動物や植物の細胞の外側は細胞膜で外界と仕切られています。また、ミトコンドリア、ゴルジ体と言った細胞内小器官も外膜により内外が区別されています。これらの膜を総称して生体膜と呼んでいます。
生体膜は、その主構成成分である脂質が自己組織化して形成する二重膜構造を基本骨格としています。細胞を構成する生体分子において、核酸は4種類の塩基、タンパク質は約20種類のアミノ酸が基本単位ですが、生体膜は数百種類以上の脂質から構成されています。また、生体膜中の脂質組成は細胞種類により大きく異なり、また生物種によっても顕著に異なっています。他の生体分子に比べて、一体、どうしてこのような数多くの脂質が存在しているのでしょうか。脂質分子は合目的に分子集合体を形成することを考えると、何かその理由があるはずです。
自己集合系の一形態:二重膜
私達の研究の大きな特色は、温度、濃度と同様に圧力を生体膜研究の解析ツールとして使用していることです。温度や濃度のような変数は、伝播に拡散過程を含むため、到達の遅延、局所的な差違が起こるのとは対照的に、圧力はパスカルの原理で均一、等方的且つ瞬時に作用します。圧力は脂質膜にメカニカルな大きなゆらぎをもたらすので、その結果、常圧下では観測不能な現象や新規な現象が観測できます。膜作用性薬物(麻酔薬)の作用が圧力によって覚醒する現象(麻酔作用の圧拮抗)は、その代表例です。
私達は、生体膜の関与した様々な生命現象(相変化、非二重膜形成、脂質ラフト、膜融合・膜分裂、麻酔作用機序など)の解明を目指し、主に生体モデル膜(脂質二重膜)を対象として生物物理学的手法あるいは界面科学的手法によるアプローチで以下のような研究テーマを実施しています。
日本生物物理学会ホームページ内の研究紹介ページ(B-08:脂質膜の相転移、B-09:脂質膜低分子相互作用)および学科ホームページ内のA1研究室の研究内容ページもご参照下さい。
研究内容の紹介
熱および圧力が誘起するリン脂質二重膜の相転移を常圧下における示差走査熱量測定に、高圧力下における光透過法、蛍光プローブ法などの測定方法を組み合わせて調べ、脂質二重膜の相挙動に関する温度−圧力相図を構築してきました。これまでに疎水基および親水基の構造が異なる多くのリン脂質が形成する二重膜相図を構築し、二重膜相挙動を脂質分子構造と照らし合わせて統一的に説明することに成功しています。代表的な一例として、DPPC二重膜の高圧力下における指組み構造形成、DPPE二重膜の高温・低圧力におけるゲル相の安定性変化、DOPC二重膜の常圧下における低温相転移の同定(主転移ではなく水和結晶−液晶相転移)などがあります。
図1 種々の分子構造を有するリン脂質が形成する二重膜の温度—圧力相図
(2)膜作用性薬物(麻酔薬)の作用機序に関する界面化学的研究
モデル膜として界面活性剤吸着膜やミセル、リン脂質二重膜を使用し、これら分子集合体中への局所麻酔薬の分配様式を検討しました。研究結果より、局所麻酔薬の分配能力は麻酔薬分子の疎水性に比例し、且つ解離型麻酔薬より非解離型麻酔薬の方がこれら集合体中への大きな分配能力を持つことを明らかにしました。このように局所麻酔機序研究に界面化学の手法を導入することで、これまで提唱されてきた解離型麻酔薬主導の局所麻酔理論は誤りであることを示しました。
図2 モデル膜中への局所麻酔薬の分配:(A)界面活性剤ミセル、(B)リン脂質ベシクル
1. | 金品昌志, 松木 均, 高圧力下におけるリン脂質二重膜の相挙動, 生物物理, Vol. 40, No. 2, pp. 94-98, (2000). |
2. | 松木 均, 金品昌志, リン脂質二分子膜相転移の熱力学, 熱測定, Vol. 33, No. 2, pp. 74-82, (2006). |
3. |
金品昌志, 松木 均, リン脂質二重膜の熱および圧力誘起構造転移, 高圧力の科学と技術, Vol. 17, No. 2, pp. 106-112, (2007). |
4. | 松木 均, 佐竹 弘, 金品昌志, 局所麻酔作用のモデル研究−界面化学的手法による作用機構の解明−, 表面, Vol. 42, No. 12, pp. 353-371, (2004). |