生体分子のダイナミクスにおける量子効果の基礎理論と生体機能への応用

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生物の好気呼吸において、電子伝達系の果たす役割は非常に大きい。電子伝達系について近年多くのことが明らかにされてきているが、まだ分子論な問題が多く残されている。実際、膜貫通タンパク質に汲み上げられた後、プロトンは膜間部に3次元的に拡散するのか内膜に沿った2次元的拡散をするのか論争が続いている。本研究ではまず、生体膜面付近でのプロトンの統計的振る舞いの一面を明らかにした。ここでは、広い位相空間をサンプルするバイアス有りのシミュレーションと長時間(4ナノ秒)のバイアス無しのシミュレーションをWHAM法で効率的に組み合わせ、自由エネルギー曲線を計算した。実際、膜の深部では運動が遅くなるため、従来のような各ウィンドウ領域で短時間(300ps)のMD計算をするバイアス有りのシミュレーションだけでは不十分である。従来の方法で計算すると2kcal/molしか安定化しないが、長時間のシミュレーションでサンプルを補うと5kcal/molもの安定化を示す。5kcal/molの安定化は濃度に換算すると308Kでバルク水領域の3500倍であり、pHに換算すると3.5に相当する。これは今までの理論予想より桁違いに多くのプロトンが生体膜表面に局在していることを示している。ここで見られるプロトンのトラップ状態の振動スペクトルは前年度開発した量子古典混合法により予測できると考えている。また、ここで取り扱っている脂質に含まれるリン酸基のpKaはおよそ2と小さくが、膜面では非常にプロトン濃度が高くなっているため、脂質へのプロトン付加が無視できない可能性がある。pKaを再現するのにプロトンの量子効果は無視できるものではないが、量子効果を有効ポテンシャルの形で取り込んだ古典シミュレーションが良い結果を与える。本研究では、リン脂質のモデル分子としてジメチルリン酸(DMP)を用いて、pKaを再現するEVB力場を開発した。