生体分子の構造と光応答の相関に対する非断熱遷移動力学法によるアプローチ

• Project/Area Number: 24550021
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 石田 俊正 京都大学, 福井謙一記念研究センター, 准教授 (50212890)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 南部 伸孝 上智大学, 理工学部, 教授 (00249955)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2014: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2013: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2012: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: ロドプシン / 光異性化 / 反応動力学 / シミュレーション / インドリルマレイミド

Research Abstract

生体分子では、小さな構造の違いが大きな刺激応答の違いになって現れてくることがある。たとえば、ロドプシンとイソロドプシンとでは、クロモファオであるレチナール分子が11-cisであるか9-cisであるかの違いがあるのみであるのに、光応答性が大きく異なる。本研究ではこのような構造の相違による光応答の違いをわれわれの開発してきた、電子状態間の遷移を正確に考慮できるab initio動力学法を用いて解明していくことを目的とする。
すでに、光応答性の違いを反応シミュレーションで再現し、その違いがクロモファアの動力学の違いによることを明らかにしていたが、その違いが、異性化の際にねじれの起こる位置のまわりのタンパク質による立体障害の違いに基づくことを、詳細なシミュレーション結果の解析から明らかにした。
また、静的な反応経路から予測される捩れ運動よりも、実際の運動のほうがおおきくなることがあきらかになった。さらに、WeissとWarshelが提案した、励起状態でcis型とtrans型の構造変化が何度も起こり、trans型へと構造変化するときに励起状態から基底状態へ遷移するとtrans型ができるとするモデルは正しくなく、遷移の際のcis型、trans型への分岐比が重要であることを本研究は示した。
ほかに、インドリルマレイミド誘導体の光異性化のシミュレーションを行い、二価アニオンが発光に関わっていることを明らかにした。
本研究は事情により、１年で終了することになったが、構造－光応答の一般的な描像の確立に向けての一歩を踏み出せたと考えている。

Research Products

• [Journal Article] A model theoretical study on ligand exchange reactions of CooA (2014)
  • Author(s): T. Ishida, S. Aono
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys Volume: 15 Issue: 16 Pages: 6139-6148
  • DOI: 10.1039/c3cp43253j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] QM/MM Trajectory Surface Hopping Approach to Photoisomerization of Rhodopsin and Isorhodopsin: The Origin of Faster and More Efficient Isomerization for Rhodopsin (2012)
  • Author(s): Wilfredo Credo Chung, Shinkoh Nanbu, and Toshimasa Ishida
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 116 Issue: 28 Pages: 8009-8023
  • DOI: 10.1021/jp212378u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photochemical dynamics of indolylmaleimide derivatives (2012)
  • Author(s): T. Murakami, M. Nakazono, A. Kondorskiy, T. Ishida, S. Nanbu
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 14 Issue: 32 Pages: 11546-11555
  • DOI: 10.1039/c2cp41269a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical study of photo-physical processes in 2-aryl substituted indoles (2012)
  • Author(s): ZiLong Zheng, Yi Zhao, Shinkoh Nanbu
  • Journal Title: J. Theo. Comp. Chem Volume: 11 Issue: 06 Pages: 1311-1322
  • DOI: 10.1142/s0219633612500885
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical study of photo-physical properties of indolylmaleimide derivatives (2012)
  • Author(s): ZiLong Zheng, Yi Zhao, Manabu Nakazono, Shinkoh Nanbu
  • Journal Title: J.Phys.Chem.A Volume: 14 Issue: 9 Pages: 3017-3024
  • DOI: 10.1039/c2cp22946c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First principle study of proton transfer in the green fluorescent protein (GFP): Ab initio PES in a cluster model (2012)
  • Author(s): H. Zhang, Q. Sun, Z. Li, S. Nanbu, S. S. Smith
  • Journal Title: Comp. Theo. Chem. Volume: 990 Pages: 185-193
  • DOI: 10.1016/j.comptc.2012.02.035
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A non-adiabatic QM/MM trajectory approach to photoisomerization of rhodopsin and isorhodopsin. The origin of faster and more efficient isomerization in rhodopsin (2012)
  • Author(s): CHUNG, Wilfredo Credo; ISHIDA, Toshimasa; NANBU, Shinkoh; NAKAMURA, Hiroki
  • Organizer: 28th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics (2E4)
  • Place of Presentation: 福岡県春日
• [Presentation] Theoretical study of charge transfer and deactivation process of donor-acceptor type thiophene derivatives (2012)
  • Author(s): KOBAYASHI, Osamu; ISHIDA, Toshimasa; NANBU, Shinkoh
  • Organizer: 28th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics (2P16)
  • Place of Presentation: 福岡県春日
• [Presentation] Theoretical study of selectivity mechanism on photoisomerization reaction between cyclohexadiene and hexatriene (2012)
  • Author(s): OHTA, Ayumi; ISHIDA, Toshimasa; NANBU, Shinkoh
  • Organizer: 28th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics (2P19)
  • Place of Presentation: 福岡県春日
• [Presentation] A QM/MM Trajectory Surface Hopping Approach to Photoisomerization of Rhodopsin and Isorhodopsin (2012)
  • Author(s): Wilfredo Credo Chung, Toshimasa Ishida,Shinkoh Nanbu and Hiroki Nakamura
  • Organizer: The 14th International Congress of Quantum Chemistry (ICQC2012) (I.62)
  • Place of Presentation: Boulder, Colorado, USA
• [Presentation] シクロヘキサジエン、ヘキサトリエン間の光異性化反応における選択制の理論的研究 (2012)
  • Author(s): 太田亜由美、石田俊正、南部伸孝
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012 (3P088)
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] ドナーアクセプター型ポリチオフェン誘導体の電荷移動と失活過程 (2012)
  • Author(s): 小林理、赤間知子、石田俊正、南部伸孝
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012 3P111
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] ロドプシンとイソロドプシンの光応答性に関する非断熱ab initioトラジェクトリ法による理論的研究 (2012)
  • Author(s): Wilfredo Credo Chung, 南部伸孝、石田俊正
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012 4A04
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 蛍光性分子の光化学動力学 (2012)
  • Author(s): 村上龍大、Kondorskiy Alexey、石田俊正、南部伸孝
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012 4E16
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 緑色蛍光タンパク質の光励起動力学：QM/MM法による非断熱ab initio分子動力学 (2012)
  • Author(s): 北淑宏、南部伸孝、石田俊正
  • Organizer: 第6回分子科学討論会2012 4P124
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] A Non-adiabatic Trajectory Approach to Photoisomerization for Rhodopsin and Isorhodopsin. The Origin of Faster and More Efficient Isomerization in Rhodopsin (2012)
  • Author(s): Wilfredo Credo Chung, Shinkoh Nanbu, and Toshimasa Ishida
  • Organizer: Congress on Computational Physics 2012
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] Theoretical studies on reactions in biomolecules: photoisomerization of rhodopsins and ligand exchange in CooA (2012)
  • Author(s): 石田俊正、Wilfredo C. Chung、南部伸孝、青野重利
  • Organizer: 第１０回福井謙一記念研究センターシンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Semiclassical Simulations of Nonadiabatic Chemical Dynamics (2012)
  • Author(s): Shinkoh NANBU
  • Organizer: 10th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics
  • Place of Presentation: Taipei, TAIWAN.
  • Invited
• [Presentation] PHOTODISSOCIATION DYNAMICS OF SO AND SO2 (2012)
  • Author(s): Shinkoh NANBU
  • Organizer: International Symposium on Isotopomers 2012 Meeting
  • Place of Presentation: Washington, DC, USA.
  • Invited
• [Remarks] 業績リスト 石田 俊正
  • URL: http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/users/ishida/public_html/ishida.htm