クラスCβ-ラクタマーゼによる抗生物質不活化機構に関する研究

• Project/Area Number: 14771305
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 医薬分子機能学
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 畑 晶之 千葉大学, 大学院・薬学研究院, 助手 (50241972)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2004: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2003: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2002: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
• Keywords: β-ラクタマーゼ / クラスC / 抗生物質 / アシル化反応 / 分子動力学計算 / 量子化学計算 / 四面体中間体 / 薬剤耐性 / 脱アシル化反応 / 分子力場計算

Research Abstract

当初計画に従い、1.クラスCβ-ラクタマーゼによる基質加水分解機構-量子化学計算による検討、2.クラスCβ-ラクタマーゼによる基質加水分解機構-分子動力学計算による検証、3.まとめを行った。
1.については、前年度までに求めた反応機構における反応のポイントとなる安定構造、遷移状態構造について密度汎関数法計算を行い、より正確な活性化エネルギーを求めた。クラスCβ-ラクタマーゼによる基質加水分解反応における素反応は(1)アシル酵素四面中間体の生成反応、(2)アシル酵素中間体の生成反応、(3)アシル酵素中間体の加水分解反応の3つであるが、密度汎関数法計算の結果、活性化エネルギーはそれぞれ31.1kcal/mol、4.8kcal/mol、30.5kcal/molであった。すなわち、この反応は生体内で起こり得る反応である。
2.については、前年度に明らかにしたアシル化反応時の安定構造(反応開始構造、アシル酵素四面中間体、アシル酵素中間体)を酵素活性部位に組み込み、それらの構造を出発点として分子動力学計算を行った。その結果、組み込んだ構造が実際の酵素中で再現された。いずれの構造においてもSer64- Lys67- Tyr150- 基質カルボキシル基- Lys315- (Wat)- Glu272の水素結合(相互作用)系が保たれており、これが反応を安定に進める要因であると考えられる。
3.これまでの研究結果をまとめると、クラスCβ-ラクタマーゼによる抗生物質不活化機構は、(1)アシル化、脱アシル化の二段階反応であること、(2)Ser64、Lys67、Tyr150の三残基とそれらを支える水素結合系が必要であることがわかった。

Research Products

• [Publications] Yasuyuki Fujii: "Molecular Dynamics Study on Class A β-Lactamase : Hydrogen Bond Network among the Functional Groups of Penicillin G and Side Chains of the Conserved Residues in the Active Site."Journal of Physical Chemistry B. 107. 10274-10283 (2003)
• [Publications] Yasuyuki Fujii: "Catalytic Mechanism of Class A β-Lactamase : Role of Lysine 73 and C3-Carboxyl Group of the Substrate Pen G in the Deacylation Step"Journal of Physical Chemistry B. 106. 9687-9695 (2002)