Quantum Bioenergetics for Exploring Dynamics of Metals in Protein
Publicly Offered Research
| Project Area | Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System |
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| Project/Area Number |
20H05497
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 遷移金属含有タンパク質 / 量子化学計算 / 分子動力学計算 / 電子移動反応 / プロトン移動反応 / 電子状態計算 / チトクロムc酸化酵素 / 反応解析 / 構造解析 / 理論生体金属動体解析 / 第一原理計算 / 物性解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、従来の(化学)熱力学や電気化学を基礎とする古典的生体エネルギー論を拡張し、量子論的な理解を通した生体エネルギー論を展開する。そのため我々がこれまで開発してきたフラグメント分子軌道(FMO)法をベースに、ハイブリッドQM/QM法を新規開発する。具体的なターゲットとして、近年、時間分解X線結晶構造解析によりそのダイナミクスが解明されつつある「シトクロムc酸化酵素の酸化還元と結合したプロトン輸送」を取り扱い、化学エネルギーを膜間電位差へ変換する過程における金属動体(CuBとHemeA3)の詳細を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
呼吸鎖終端酵素であるシトクロムc酸化酵素は（CcO）、酸素を還元すると同時にプロトンを輸送することが知られている。CcO内には電子伝達経路に金属サイトが存在し、それらがCcOの酵素活性を担っている。近年、CcOを阻害する化合物がいくつか見つかり、結晶構造解析によりHemeaとHemea3近傍のヘリックスに結合していることが判明した。我々は分子動力学（MD）計算を用いて、阻害剤の有無によりどのような構造変化が阻害過程に効いているのかを検証した。阻害剤は膜貫通ヘリックスTM2とTM3の間に結合し、TM2の角度を変化させることが明らかとなった。この変化は近接するO2チャネルに伝播し、TM2とTM6間のGlu242-Ile66距離を狭めることで、O2チャネルを塞ぐことで反応を阻害している可能性を示唆した。
シトクロムc（Cyt c）は球状のヘムタンパク質で、電子輸送系（ET）に関連するいくつかのエネルギー変換過程に関与している。Cyt cの中央のヘムは、電子輸送の過程でFe3+とFe2+の酸化状態に変換することができ、このタンパク質の重要な機能を担っている。特に、Cyt cはチトクロムc酸化酵素（CcO）に電子を供給することができる。本研究では、HDOCKを用いて距離拘束型のタンパク質-タンパク質ドッキングを行った。得られた複合体の安定性に関しては、MD計算による複合体安定性解析を行った。その後、VMD の Pathways プラグインを使用してET 経路を予測した。本研究で明らかにした新しい結合ポーズは、Cyt cのヘムFeとCcO のCuAの距離が最も短く、CcOとの結合も非常に安定していることが確認された。このように本研究では、電子移動活性型複合体（ET活性型）の新しい結合様式を提案し、MDによる安定性解析でそれを確認した。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(31 results)
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[Journal Article] Weak O2 binding and strong H2O2 binding at the non-heme diiron center of Trypanosome Alternative Oxidase2021
Author(s)
S.Yamasaki, M.Shoji, M.Kayanuma, V.Sladek, D.K.Inaoka, Y.Matsuo, T.Shiba, L.Young, A.L.Moore, K.Kita, Y.Shigeta
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Journal Title
Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics
Volume: 1862
Issue: 4
Pages: 148356-9
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Split conformation of Chaetomium thermophilum Hsp104 disaggregase2021
Author(s)
Inoue Yosuke、Hanazono Yuya、Noi Kentaro、Kawamoto Akihiro、Kimatsuka Masato、Harada Ryuhei、Takeda Kazuki、Kita Ryoichi、Iwamasa Natsuki、Shibata Kyoka、Noguchi Keiichi、Shigeta Yasuteru、Namba Keiichi、Ogura Teru、Miki Kunio、Shinohara Kyosuke、Yohda Masafumi
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Journal Title
Structure
Volume: －
Issue: 7
Pages: 1-10
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing2020
Author(s)
Takeshi Murakawa, Kazuo Kurihara, Mitsuo Shoji, Chie Shibazaki, Tomoko Sunami, Taro Tamada, Naomine Yano, Taro Yamada, Katsuhiro Kusaka, Mamoru Suzuki, Yasuteru Shigeta, Ryota Kuroki, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, Motoyasu Adachi, Toshihide Okajima
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Journal Title
Proceedings of the National Academy of Sciences
Volume: 印刷中
Issue: 20
Pages: 10818-10824
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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