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ハイブリッド型第一原理分子動力学法による生体内酵素反応の研究

Research Project

Project/Area Number 15750009
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Research Field Physical chemistry
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

高橋 英明  大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助教授 (10291436)

Project Period (FY) 2003 – 2004
Project Status Completed (Fiscal Year 2004)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2004: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2003: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000)
Keywordsハイブリッド型第一原理分子動力学法 / 生体分子 / 反応機構 / タンパク質 / 酵素反応 / 実空間グリッド法
Research Abstract

本研究の実績は、次の2点に要約することが出来る。一つは、密度汎関数法にもとづく分子内QM/MM法を開発し、これを並列化したことである。もう一つは、ヒト免疫不全ウイルスのプロテアーゼ(HIV-1Pr)の反応の遷移状態を決定したことである。以下にそれぞれについて詳述する。
(1)遷移状態の決定
HIV1-Prのペプチド鎖解裂反応は2段階で進むとされている。我々は1、及び2段階目の反応の遷移状態をHF/3-21G^<**>レベルで構造最適化している。基質となるペプチド鎖のモデルとして、CH_3-CO-NH-CH_3を選択し、1対のAsp25の他に、Thr26とGly27のペプチド結合部を活性部位として扱った。現在のところ、1段階目の遷移状態の構造最適化が完了しており、この反応の活性部位のみのエネルギー障壁の高さは、24.8kcal/molであった。
(2)分子内QM/MM法の開発
QM/MM法のプログラム開発において、我々は、実空間の格子上で波動関数の値を計算する実空間グリッド法を導入した。この方法は、従来の原子基底や平面波基底に比べて計算精度が良い上に、並列計算も容易に行えるという利点がある。また、反応活性部位以外のMM領域は、Tinker Packageにより扱う。我々は、Link Atom法によりこれら二つの領域の力場を合成し、タンパク系のシミュレーションの実行が可能なプログラムを完成させた。また、QM系のほぼ全体、及びMM系の力の計算部分を並列化することに成功した。特にQM系の並列化においては、並列化効率を損なわないようにするために、HartreeポテンシャルをPoisson方程式を逐次的に解くことにより計算するなどの工夫をした。これにより、8CPUを使用した場合でも、量子化学計算において80%以上の並列化効率を実現することが可能になった。

Report

(2 results)
  • 2004 Annual Research Report
  • 2003 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2005 2004 2003 Other

All Journal Article (3 results) Book (1 results) Publications (5 results)

  • [Journal Article] An application of the novel quantum mechanical/molecular mechanical method combined with the theory of energy representation2005

    • Author(s)
      H.Takakashi
    • Journal Title

      Journal of Chemical Physics 122

      Pages: 44504-44504

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] A quantum chemical approach to the free energy calculations in condensed systems2004

    • Author(s)
      H.Takakashi
    • Journal Title

      Journal of Chemical Physics 121

      Pages: 3989-3989

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] A real-space-grid QM/MM study on the ionic/radical association reaction in aqueous phase2003

    • Author(s)
      H.Takakashi
    • Journal Title

      Journal of Molecular Structure 632

      Pages: 185-185

    • Related Report
      2004 Annual Research Report
  • [Book] 物性量子化学入門2004

    • Author(s)
      山口 兆他編
    • Total Pages
      288
    • Publisher
      講談社
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  • [Publications] 新田 友茂: "吸着現象の分子シミュレーションと分離技術への応用"分離技術. 33(3). 14-20 (2003)

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  • [Publications] 高橋 英明: "ハイブリッド型の量子化学計算による生体内化学反応の研究"CICSJ Bulletin. 21(6). 119-122 (2003)

    • Related Report
      2003 Annual Research Report
  • [Publications] Hideaki Takahashi: "Quantum mechanical/molecular mechanical studies of a novel reaction catalyzed by proton transfers in ambient and supercritical states of water"Journal of Chemical Physics. 119. 7964-7971 (2003)

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  • [Publications] Takumi Hori: "Hybrid quantum chemical studies for the methanol formation reaction assisted by the proton transfer mechanism in supercritical water : CH_3Cl+nH_2O→CH_3OH+HCl+(n-1)H_2O"Journal of Chemical Physics. 119. 8492-8499 (2003)

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  • [Publications] Hideaki Takahashi: "A real-space-grid QM/MM study on the ionic/radical association reaction in aqueous phase : HCHO+OH→HCHO-OH"Journal of Molecular Structure(THEOCHEM). 632. 185-195 (2003)

    • Related Report
      2003 Annual Research Report

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Published: 2003-04-01   Modified: 2016-04-21  

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