ATP合成におけるタンパク質触媒機構の理論的研究

ATP合成中蛋白质催化机制的理论研究

• 批准号: 11J05693
• 负责人: 森 義治
• 金额: $ 1.02万
• 依托单位: Institute for Molecular Science (2012)Nagoya University (2011)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2012
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J05693/
• 关键词: 分子シミュレーション; ATP合成酵素; 第一原理計算; 拡張アンサンブル法; プロトン移動; 焼き戻し法

ATP合成酵素における化学反応を理解することは生物学全体として重要なことである。この反応を理解するためには第一原理分子シミュレーションを実行する必要がある。そのような系に使用することができる拡張アンサンブル法を開発し分子系に適用する研究を行った。はじめに,量子力学的な方法を用いた分子動力学シミュレーションを実行することができるプログラムを採用した。そのプログラムに,新たに開発した拡張アンサンブル法である焼き戻しアンブレラサンプリング法を実装し,効率的なサンプリングを可能とした第一原理分子動力学シミュレーションプログラムを作成した。次に,われわれが作成したプログラムを用いて実際に効率のよいシミュレーションが実現できることを示すため,水中のマロンアルデヒドのプロトン移動反応において計算を試みた。つまり,拡張アンサンブル法を用いた第一原理分子動力学シミュレーションを実行することにより,水中のマロンアルデヒドにおける分子内プロトン移動反応に関する正確な反応自由エネルギー曲面を計算できることを示した。この研究では,特定の反応座標を効率よくサンプルできる拡張アンサンブル法,焼き戻しアンブレラサンプリング法,を使用した。このシミュレーションの結果,エネルギー障壁が高い遷移状態に関しても十分なサンプリングができ,化学反応における自由エネルギー曲面を正確に計算できることが分かった。また,この研究では実際に水分子を含んだシミュレーションを行ったことから,溶媒に関する解析を行うことにも成功した。この研究成果は,学術論文誌「Physical Review E」より出版された。第一原理シミュレーションを使用した生体系の化学反応を理解するための効率的な方法を示すことができた。この方法により,ATP合成酵素内の化学反応を理解することができると期待される。つまりATPと水分子の加水分解反応を分子シミュレーションにより理解することが可能となるだろう。

了解ATP合酶中的化学反应在整个生物学中很重要。为了了解这一反应，需要进行第一原理分子模拟。我们已经开发了一种扩展的集合方法，该方法可用于此类系统并将其应用于分子系统进行研究。首先，采用了使用量子力学方法进行分子动力学模拟的程序。该计划已经实施了新开发的钢化伞采样方法，一种新开发的扩展集合方法，以及一个可以实现有效抽样的第一原理分子动力学模拟程序。接下来，我们尝试在水中质子转移反应中进行计算，以证明使用我们创建的程序可以实现有效的模拟。换句话说，可以表明，通过使用扩展的集合方法进行第一原理分子动力学模拟，可以计算出水中分子内质子质子转移反应的准确反应自由能表面。这项研究使用了一种扩展的集合方法，一种钢化伞采样方法，可以有效地对特定反应坐标进行样本。该模拟结果表明，即使对于具有高能屏障的过渡状态，也可以进行足够的采样，并且可以准确计算化学反应中的自由能表面。此外，这项研究成功地进行了含有水分子的模拟，因此分析了溶剂。这项研究发现由《学术杂志》物理评论E发表。已经证明了使用第一原理模拟在生物系统中理解化学反应的有效方法。预计该方法可以使我们能够了解ATP合酶中的化学反应。换句话说，可以通过分子模拟理解ATP和水分子之间的水解反应。

项目成果

焼き戻し分子動力学法による水中における分子内プロトン移動反応の解析

采用缓和分子动力学方法分析水中分子内质子转移反应

• 发表时间: 2012
• 作者: Yoshiharu Mori;Yuko Okamoto;工藤文;森義治;工藤 文;伊藤愉;森義治;伊藤愉;工藤文;森義治
• 通讯作者: 森義治

Free-energy analyses of a proton transfer reaction by simulated-temperingumbrella sampling and first-principles molecular dynamics simulations

通过模拟回火伞采样和第一原理分子动力学模拟对质子转移反应进行自由能分析

• DOI: 10.1103/physreve.87.023301
• 发表时间: 2013
• 期刊: Physical Review E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Yoshiharu Mori;Yuko Okamoto
• 通讯作者: Yuko Okamoto

Proton transfer reaction of malonaldehyde studied by ab initiogeneralized-ensemble molecular dynamics simulations

从头算广义系综分子动力学模拟研究丙二醛的质子转移反应

• 发表时间: 2012
• 作者: 森義治

第一原理シミュレーションにおける拡張アンサンブル法の提案:生体系における化学反応の理解に向けて

提出用于第一原理模拟的扩展集成方法：理解生物系统中的化学反应

• 发表时间: 2012
• 作者: Н. Балатова. Л. Кацис. М. ИТО.(伊藤愉);他;森義治
• 通讯作者: 森義治

First principles molecular simulation with a generalized-ensemble algorithm for studying chemical reactions of biomolecular systems

使用广义集成算法进行第一原理分子模拟，用于研究生物分子系统的化学反应

• 发表时间: 2012
• 作者: Yoshiharu Mori;Yuko Okamoto;工藤文;森義治
• 通讯作者: 森義治