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2011 Fiscal Year Annual Research Report

電子移動を担う遷移金属結合タンパク質の計算科学的研究

Research Project

Project/Area Number 10J02555
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

姜 志[ヨン]  筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 特別研究員(DC2)

KeywordsハイブリッドQM/MM計算 / 電子状態 / 電子伝達系 / シトクロム酸化酵素 / 分子動力学 / Generalized Hybrid Orbital / Wannier Function Center / プロトン輸送
Research Abstract

本研究の目的は,計算科学的手法により遷移金属結合タンパク質等における生物機能のメカニズムを理論的に解明する点にある。本年度は、複雑な生体内遷移金属イオン結合サイトの電子構造をより単純化して解析するために、昨年度開発したWannier Function Center(WFC)計算プログラムを、シトクロム酸化酵素(CcO)のCu_Aサイトなどに適応した。その結果、Cu_Aサイトの電子構造が機能的二重構造を有することを示した。すなわち、プラットフォームとしてCu_Aサイトの骨格を担う原子と、微妙な機能的制御をもたらす原子群とのふたつの部分から成り立っていることが分かった。また、T1リパーゼの活性部位に存在するNa^+イオンと芳香環のつくる結合(Na^+-π相互作用)に着目し、高度な電子構造計算法を用いてそのポテンシャル場を解析した。これをさらに分子動力学計算と組み合わせて解析した結果、Na^+イオンを水分子に置換した場合には、T1リパーゼの活性部位の立体構造が不安定になることが分かった。X線結晶構造解析による電子密度図のみでは、Na^+イオンの存在を断言することが困難であったが(水分子の可能性が否定できない)、こうした力学的構造安定性の解析によって、Na^+-π相互作用の機能的な役割を含め、その存在が明らかになった。これにより、「Na^+-π相互作用が親水性および疎水性アミノ酸残基を架橋してタンパク質の機能構造単位を形成している」ことを明らかにした。さらには、昨年度に引き続きハイブリッドQM/MM領域の境界をより高精度に取り扱うための理論であるGeneralized Hybrid Orbital(GHO)法の導入を、この計算技術の専門家であるM.Field博士ら(フランス)と推進した。また,電子構造自体の時間発展を追跡する「時間発展電子密度汎関数法(TDDFT)」をタンパク質構造のダイナミクスの解析に応用した。また、GatCABにおけるダイナミクスを解析し、酵素分子内部をアンモニア分子が通過する経路を見出した。またその入り口には、世界最小の逆止弁が存在することを合わせて見出した。

  • Research Products

    (17 results)

All 2012 2011

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (10 results) Book (2 results)

  • [Journal Article] Biological applications of hybrid quantum mechanics/molecular mechanics calculation2012

    • Author(s)
      Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • Journal Title

      J.Biomed.Biotech.

      Volume: 2012 Pages: 236157

    • DOI

      10.1155/2012/236157

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unidirectional mechanistic valved mechanisms for ammonia transport in GatCAB2012

    • Author(s)
      Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • Journal Title

      J.Chem.Theory Comp.

      Volume: 8 Pages: 649

    • DOI

      10.1021/ct200387u

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structural Instability of the Active Site of T1 Lipase Induced by Replacement of Na^+ with Water Complexed with the Phenylalanine Aromatic Ring2011

    • Author(s)
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • Journal Title

      J.Chem.Theory Comp.

      Volume: 7 Pages: 2593

    • DOI

      10.1021/ct100752y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A theoretical investigation of the functional role of the axial methionine ligand of the CU_A site in cytochrome c oxidase2011

    • Author(s)
      Jiyoung Kang, Hiori Kino, Masaru Tateno
    • Journal Title

      Biochim.Biophys.Acta Bioenerg.

      Volume: 1807 Pages: 1314

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2011.06.014

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] コンピュータ・シミュレーションによる生体触媒反応機構の研究2011

    • Author(s)
      姜志〓, 萩原陽介, 舘野賢
    • Journal Title

      応用物理

      Volume: 80 Pages: 610

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Computational investigation of functional role of axial methionine ligand of Cu_A site in cytochrome c oxidases2011

    • Author(s)
      Jiyoung Kane, 舘野賢
    • Organizer
      第34回日本分子生物学会年会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      20111214-20111215
  • [Presentation] Dynamical rearrangements of electronic structure in editing reaction of LeuRS・valyl-tRNA^<Leu> complex2011

    • Author(s)
      舘野賢, Jiyoung Kang, 萩原陽介, Martin J.Field
    • Organizer
      第34回日本分子生物学会年会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      20111214-20111215
  • [Presentation] シトクロム酸化酵素のCu_AサイトにおけるCu配位Met残基の機能的役割2011

    • Author(s)
      Jiyoung Kang, 舘野賢
    • Organizer
      第84回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2011-09-24
  • [Presentation] シトクロム酸化酵素のHeme a_3及びCu_Bサイトにおける電子構造の解析2011

    • Author(s)
      枩岡亨, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • Organizer
      第84回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2011-09-24
  • [Presentation] P450camにおける閉じた気質結合部位からの水の排出メカニズム2011

    • Author(s)
      中村淳志, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • Organizer
      第84回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2011-09-24
  • [Presentation] Molecular dynamics simulation of complex of valyl-tRNA synthetase and its cognate tRNA2011

    • Author(s)
      板垣哲彦, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • Organizer
      第84回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2011-09-22
  • [Presentation] Analysis of full-hydrated structures of human adult hemoglobin exploiting molecular dynamics simulations2011

    • Author(s)
      秋定〓宏, Jiyoung Kane, 舘野賢
    • Organizer
      第84回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館
    • Year and Date
      2011-09-22
  • [Presentation] A computational study of the solvated structure of the complex of valyl-tRNA synthetase and the mis-aminoacylated tRNAV^<Val>2011

    • Author(s)
      Masaru Tateno, Jiyoung Kane, Moonyoung Yang
    • Organizer
      第49回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • Year and Date
      2011-09-18
  • [Presentation] A computational study of functional role of axial methionine ligand of CU_A site in cytochrome c oxidase2011

    • Author(s)
      Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • Organizer
      第49回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • Year and Date
      2011-09-17
  • [Presentation] Theoretical and computational quantum structural biobgy for understan ding functional mechanisms of biological macromolecular systems2011

    • Author(s)
      Masaru Tateno, Jiyoung Kang, Ryo Nakaki
    • Organizer
      第49回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • Year and Date
      2011-09-17
  • [Book] Some Applications of Quantum Mechanics2012

    • Author(s)
      Jiyoung Kane, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • Total Pages
      359-384
    • Publisher
      INTECH
  • [Book] 密度汎関数理論の発展とマテリアルデザインへの応用2011

    • Author(s)
      萩原陽介, 姜志〓, 舘野賢
    • Total Pages
      327-344
    • Publisher
      シュプリンガージャパン

URL: 

Published: 2013-06-26  

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