水溶液における生体分子の機能とその発現機構に関する量子化学的研究

水溶液中生物分子功能及表达机制的量子化学研究

• 批准号: 18031022
• 负责人: 高橋 英明
• 金额: $ 3.58万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18031022/
• 关键词: QM; MM; エネルギー表示; 自由エネルギー; タンパク質; 水溶液; 電子伝達

我々は、最近、実空間グリッドを基底とするハイブリッド型の第一原理分子法(QM/MM法)と新規な溶液論(エネルギー表示の理論)を組み合わせることによって、効率良く、正確に溶液内の化学過程の自由エネルギー変化を計算する方法を開発した(QM/MM-ER法)。本研究課題の主たる目的は、酵素内の様々な化学過程の自由エネルギー変化を計算するためにQM/MM-ER法を拡張することである。本年度は、タンパク質1b4v中に埋め込まれた補酵素FADの還元反応に伴う自由エネルギー変化をQM/MM-ER法を拡張することによつて計算した。この方法の大きな特徴は、FADに付加する余剰電子1個を溶質と見なすことにある。水、アポタンパク、FADが混合溶媒を形成するとして、これらの溶媒について、エネルギー分布関数を構成し、各溶媒からの還元自由エネルギーに対する寄与を計算した。水分子、アポタンパク、FAD、ADPによる還元自由エネルギーへの寄与は、それぞれ、-57.5kcal/mol,-149.7 kcal/mol,-31.9 kcal/mol,55.1 kcal/molと計算された。また、バルクの水の寄与は、21.0 kcal/molである。FADの還元自由エネルギーは、これらの寄与の単純な和として、-163.1 kcal/molと計算される。このような大きな還元の自由エネルギー変化は、タンパク質全体が+3価に帯電している為である。この計算値は、報告されている実験値、-90.6kcal/molから大きくずれている。実験では、タンパク質の電荷を中和するようなカウンターイオンが含まれていることが、その差の原因と考えられる。また、本年度の後半では、酵素活性サイトのプロトン化状態を決定するための方法論の定式化を行い、プログラム開発を行った。10個の残基からなる最小のタンパク質、シニョリン(iuao)をテスト系として、QM/MM-ERシミュレーションを行った。シニョリンのような小さなタンパク質でも気相中と溶液中の平均構造に大きな違いがあり、それ故に参照系と溶液系のエネルギー分布関数が十分にオーバーラップしないという結果がでた。

我们最近开发了一种方法，可以根据真实空间网格（QM/mm方法）和新颖的溶液理论（能量表示理论）有效，准确地计算解决方案中化学过程（QM/mm方法）的自由能变化。该研究主题的主要目的是扩展QM/MM-ER方法，以计算酶内各种化学过程的自由能变化。今年，通过扩展QM/MM-ER方法来计算与蛋白1B4V中辅酶FAD的还原反应相关的自由能变化。该方法的一个主要特征是，添加到fad中的一个过量的电子被认为是溶质。假设水，载脂蛋白和时尚形成混合溶剂，则为这些溶剂形成了能量分布函数，并且计算了从每个溶剂中减少的自由能的贡献。水分子，载脂蛋白，FAD和ADP对自由能减少的贡献分别为-57.5 kcal/mol，-149.7 kcal/mol，-31.9 kcal/mol和55.1 kcal/mol。大量水的贡献为21.0 kcal/mol。 FAD的自由能还原为-163.1 kcal/mol，作为这些贡献的简单总和。这种较大的还原自由能的变化是因为整个蛋白质 +带电荷。该计算值显着偏离了报道的实验值-90.6 kcal/mol。差异被认为是由于实验中包含蛋白质电荷的反离子的事实。此外，在今年下半年，我们制定了一种方法来确定酶活性位点的质子化状态并制定了一个程序。使用10个残基IUAO作为测试系统的最小蛋白质进行QM/MM-ER模拟。即使是小蛋白（例如Cygnoline），气相和溶液中的平均结构也有很大的差异，因此，参考系统和溶液系统的能量分布函数也没有充分重叠。

项目成果

Exploration of the reaction path in condensed system

凝聚体系反应路径的探索

• 发表时间: 2007
• 作者: H.;Takahashi,N. Matubayasi・M.;Nakano
• 通讯作者: Nakano

Computation of the Reduction Free Energy of Coenzyme in Water. A Novel Approach within the Framework of the QM/MM-ER Method

水中辅酶还原自由能的计算。

• 发表时间: 2007
• 作者: H.;Takahashi・H.;Ohno・R.;Kishi・S.;Furukawa・M.;Nakano
• 通讯作者: Nakano

A Novel QM/MM Method Combined with the Theory of Energy Representation: Free Energy Calculation for the Beckmann Rearrangement Promoted by Proton Transfers in the Supercritical Water

结合能量表示理论的QM/MM新方法：超临界水中质子转移促进的贝克曼重排的自由能计算

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Chemical Physics 126
• 作者: H.;Takahashi・K.;Tanabe・M.;Aketa・R.;Kishi・S.;Furukawa・M.;Nakano
• 通讯作者: Nakano

Investigation of the Dominant Hydration Structures among the Ionic Species in Aqueous Solution: Novel QM/MM Simulations Combined with the Theory of Energy Representation

水溶液中离子物质的主要水合结构研究：结合能量表示理论的新型 QM/MM 模拟

• 发表时间: 2008
• 期刊: Journal of Chemical Physics 128
• 作者: H.;Takahashi・H.;Ohno・T.;Yamauchi・R.;Kishi・M.;Nakano
• 通讯作者: Nakano

Chemical Equilibrium of Formaldehyde and Metanediol in Hot Water : Free-Energy Analysis of the Solvent Effect.

热水中甲醛和间二醇的化学平衡：溶剂效应的自由能分析。

• 发表时间: 2007
• 期刊: J of Molecular Liquids (in press)
• 作者: Matubayasi;N.;Morooka;S.;Nakahara;M.;Takahashi;H.
• 通讯作者: H.