水素・プロトンまでを含む蛋白質原子モデルの量子化学計算による構築法の開発

使用量子化学计算开发包括氢和质子在内的蛋白质原子模型的构建方法

• 批准号: 20K06503
• 负责人: 恒川 直樹
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K06503/
• 关键词: 水素結合; プロトン移動; タンパク質; 量子化学計算; 密度汎関数法; 大域的探索; プロトン化; 膜蛋白質; X線結晶解析; 蛋白質モデル構築法; 分割統治法

本研究の解析手法では可能性ある構造すべてに対して量子化学計算を実行することが必須である。量子化学計算は律速となる部分であるが、これまでB3LYP/6-31G(d)レベルの密度汎関数法(DFT)での水素・プロトン位置の最適化をまず最初に実行していた。この基底関数系の選択理由は6-31G(d)はDFTにおいて一般的であることと、よりプアーなSTO-3Gなどでは電子状態計算の収束がより困難であるという研究者個人の経験則である。本年度はこの経験則を確認して、より計算リソースが少なく迅速にかつ堅牢に計算が進められるよう、領域分割を行い異なる基底関数系を設定したDFT計算の有効性を確認した。具体的には、カルシウムポンプE2状態の膜領域イオン結合サイト近傍での２２の可能性ある水素・プロトンの位置のモデル（水素結合ネットワークモデル）について、STO-3Gと6-31G(d)の両者での最適化計算を実行した。その結果、6-31G(d)では全て収束したが、STO-3Gでは６個のモデルで電子状態計算が収束に至らなかった。別に２個のモデルでは構造最適化は収束の気配が無く断念した。勿論、パラメータなどの変更で収束の可能性は残るが、網羅的計算において致命的である。また、6-31G(d)では全て成功したことから、次のような推測した。STO-3Gでは水素結合ネットワークの違いに対して計算の堅牢性は揺らぎ、様々な水素結合の電子状態の再現に不十分であるが、6-31G(d)ならば十分である。そこで、水素結合に関わる領域は6-31G(d)で、その他はSTO-3GでDFT計算を実行してみた。その結果、全て電子状態計算は収束し、水素・プロトンの位置の最適化を実行することができた。かつ、計算時間はほぼ半分となった。基底関数の数も６割ほどに抑えられた。以上のことから、開発しているツールの有効性の改善が出来た。

The analytical method of this study is both possible and necessary for the implementation of quantum chemical calculations. Quantum chemical calculations are based on the speed and speed part, which is why the optimization of the location of water elements using the density universal correlation method (DFT) of B3LYP/6- 31G (d) is initially implemented. The reason for selecting this base relation system is 6-31G(d). DFT is generally difficult to calculate electron state. This year, we confirmed the validity of DFT calculation by setting the basic relationship between DFT calculation and DFT calculation. The optimization calculation of STO-3G and 6- 31G (d) was carried out in detail. The result is that 6-31G(d) is the total number of electrons, and STO-3G is the number of electrons calculated. Two different types of structural optimization are proposed. Regardless of whether or not the probability of a collision occurs, the calculation of a collision is fatal. 6-31G(d) STO-3G is the most reliable computer for the reproduction of electronic states of water binding. 6- 31G (d) is the most reliable computer. The DFT calculation is carried out in the domain of 6-31G(d) and STO-3G. The results of the calculation of the total electron state are summarized and the optimization of the position of the element is carried out.かつ、计算时间はほぼ半分となった。The number of feet is 6. The improvement of the above characteristics is achieved.