液体の統計力学と量子力学に基づくＡＴＰ加水分解の自由エネルギー解析

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 23118719
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Kyushu University (2012); Institute for Molecular Science (2011)
• Principal Investigator: 吉田 紀生 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10390650)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2012: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2011: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: ３D-RISM-SCF / ピロリン酸 / ATP加水分解 / 自由エネルギー / RISM-SCF / QM/MM/RISM

Outline of Annual Research Achievements

われわれの体内では，アデノシン三リン酸(ATP)を媒体とするエネルギー循環が絶え間なく行われている。この一連のエネルギー循環に関してこれまで多くの研究が行われてきた。しかし，このエネルギー論の最も基本的な部分である，ATP加水分解エネルギー(ATPエネルギー)の起源に関してすら，統一的見解が得られていないのが実情である。
本研究では，ATPのモデル分子であるピロリン酸の加水分解反応の自由エネルギー解析を行った。ここでは，3D-RISM-SCFを用いて，反応物，生成物，反応中間体の自由エネルギー解析を行った。ピロリン酸には4つの解離状態が，無機リン酸塩にも3つの解離状態が存在し，反応としての組み合わせは4つ存在する。その全てを解析し，溶媒が反応に与える影響を精査した。
その結果，反応系の解離状態によってそれぞれ溶媒の及ぼす影響が異なることを明らかにし，それらが微視的な反応物／生成物の溶媒和構造の違いに起因することを示した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Elucidating the Molecular Origin of Hydrolysis Energy of Pyrophosphate in Water (2012)
  • Author(s): Hong, Jooyeon; Yoshida, Norio; Chong, Song-Ho; Lee, Chewook; Ham, Sihyun; Hirata, Fumio
  • Journal Title: J. Chem. Theory Comput Volume: 8 Issue: 7 Pages: 2239-2239
  • DOI: 10.1021/ct300099e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solvent Effects on Electronic Structures of Coumarin 153 : Parallel Studies by Means of Spectroscopy and RISM-SCF Calculations (2012)
  • Author(s): Katsura Nishiyama, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: (掲載確定)(未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of efficient algorithm for solving six-dimensional molecular Ornstein-Zernike equation (2012)
  • Author(s): Ryosuke Ishizuka, Norio Yoshida
  • Journal Title: J. Chem. Phys Volume: 136 Issue: 11
  • DOI: 10.1063/1.3693623
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solvent penetration in photoactive yellow protein R52Q mutant : a theoretical study (2011)
  • Author(s): Daniel, J.Sindhikara
  • Journal Title: J.Mol.Liq. Volume: 164 Issue: 1-2 Pages: 120-122
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2011.04.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reply to "Comment on 'Molecular Selectivity in Aquaporin Channels Studied by the 3D-RISM Theory" (2011)
  • Author(s): Saree Phongphanphanee, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 115 Issue: 25 Pages: 8367-8369
  • DOI: 10.1021/jp203661z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new approach for investigating the molecular recognition of protein : Toward structure-based drug-design based on the 3D-RISM theory (2011)
  • Author(s): Yasuomi Kiyota, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 7 Issue: 11 Pages: 3803-3815
  • DOI: 10.1021/ct200358h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Ornstein-Zernike self-consistent-field approach to hydrated electron (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida
  • Journal Title: Procedia Computer Science Volume: 4 Pages: 1214-1221
  • DOI: 10.1016/j.procs.2011.04.130
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical Mechanics Theory of Molecular Recognition and Pharmaceutical Design (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida, Yasuomi Kiyota, Saree Phongphanphanee, Yutaka Maruyama, Takashi Imai, Fumio Hirata
  • Journal Title: International Review in Physical Chemistry Volume: 30 Issue: 4 Pages: 445-478
  • DOI: 10.1007/s12539-011-0104-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 分子認識の統計力学と生体機能 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生、丸山豊、Saree Phongphanphanee、清田泰臣、平田文男
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 51 Pages: 222-225
  • NAID: 10029482473
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Recognition Explored by a Statistical-Mechanics Theory of Liquids (2011)
  • Author(s): Saree Phongphanphanee, Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • Journal Title: Current Pharmaceutical Design Volume: 17 Issue: 17 Pages: 1740-1757
  • DOI: 10.2174/138161211796355100
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Free Energy Analysis of ATP hydrolysis based on the statistical mechanics and quantum mechanics theory (2013)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: Symposium on Hydration and ATP Energy
  • Place of Presentation: 秋保温泉，仙台市
  • Year and Date: 2013-03-06
• [Presentation] 生体分子の水和と機能～ＲＩＳＭ理論によるアプローチ～ (2012)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 新化学技術推進協会 先端化学・材料技術部会 コンピュータケミストリ分科会 次世代ＣＣＷＧ 講演会
  • Place of Presentation: 公益社団法人 新化学技術推進協会 会議室，千代田区
  • Year and Date: 2012-11-09
  • Invited
• [Presentation] 酵素反応解析へ向けた、3D-RISM理論による分子認識解析 (2012)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 文部科学省「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発第6回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: ニチイ学館,神戸市(兵庫県)
  • Year and Date: 2012-03-06
• [Presentation] バイオマス利用に向けた酵素反応解析 (2012)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 第2回CMSI研究会
  • Place of Presentation: 東北大学金属材料研究所,仙台市(宮城県)
  • Year and Date: 2012-01-31
• [Presentation] RISM理論による生体分子の分子認識と化学反応へ向けた研究 (2012)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: スーパーコンピュータワークショップ2012
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター,岡崎市(愛知県)
  • Year and Date: 2012-01-25
• [Presentation] 液体の積分方程式理論に基づく溶液内生体分子の電子状態理論 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 液体・溶液の微視的構造からダイナミクスまで～最近の研究結果から見えてくるもの～
  • Place of Presentation: 愛媛大学,松山市(愛媛県)
  • Year and Date: 2011-11-28
• [Presentation] 液体の積分方程式理論を用いた溶液内化学過程に関する研究 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 第34回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学,名古屋市(愛知県)
  • Year and Date: 2011-11-16
• [Presentation] QM/MM/3D-RISM理論の開発とプログラムの高速化 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 第3回HPCI戦略プログラム合同研究交流会
  • Place of Presentation: 計算科学研究機構,神戸市(兵庫県)
  • Year and Date: 2011-10-03
• [Presentation] Solvent Effects on Electronic Structures of Coumarin 153 : RISM-SCF Analysis (2011)
  • Author(s): 吉田紀生, 西山桂, 平田文男
  • Organizer: 分子科学討論会2011
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター、札幌市(北海道)
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] Molecular Ornstein-Zernike self-consistent-field approach to hydrated electron (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida
  • Organizer: 8th Liquid Matter Conference
  • Place of Presentation: University of Vienna, Vienna, Austria
  • Year and Date: 2011-09-06
• [Presentation] 3D-RISMプログラムの開発と応用 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生、清田泰臣、Daniel J.Sindhikara、平田文男
  • Organizer: 計算物質科学イニシアティブ・計算分子科学研究拠点第2回研究会
  • Place of Presentation: 計算科学研究機構,神戸市(兵庫県)
  • Year and Date: 2011-08-11
• [Presentation] 液体の統計力学と量子力学に基づくATP加水分解の自由エネルギー解析 (2011)
  • Author(s): 吉田紀生
  • Organizer: 「水を主役としたATPエネルギー変換」後期第一回研究会議
  • Place of Presentation: 大阪ガーデンパレス,大阪市(大阪府)
  • Year and Date: 2011-08-11
• [Presentation] Development of the QM/MM/RISM theory : Application to the intercalation of proflavine with solvated DNA (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida
  • Organizer: Statistical Mechanics Approaches to Nano/Bio-Sciences
  • Place of Presentation: Sookmyung Women's University, Soeul, Korea
  • Year and Date: 2011-06-13
• [Presentation] Molecular Ornstein-Zernike self-consistent-field approach to hydrated electron (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida
  • Organizer: International Congress on Computational Science 2011
  • Place of Presentation: Nanyang Technological University, Singapore
  • Year and Date: 2011-06-02
• [Presentation] Solvent Effects on Electronic Structures of Coumarin 153.I.RISM-SCF Analysis of the Solvent Distribution and Electronic Properties (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida, Katsura Nishiyama, Fumio Hirata
  • Organizer: EMLG/JMLG Annual Meeting 2011
  • Place of Presentation: University of Warsaw, Warsaw, Poland
• [Presentation] Electronic structure theory of biomolecule in solution (2011)
  • Author(s): Norio Yoshida, Fumio Hirata
  • Organizer: Ninth Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists
  • Place of Presentation: University of Santiago, Santiago de compostela, Spain