2017 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study of weak interactions in photoreceptor rhodopsin and DNA/RNA helical structures
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15K05408
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| Research Institution | Quantum Chemistry Research Institute |
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Principal Investigator |
宮原 友夫 特定非営利活動法人量子化学研究協会, 研究所, 部門長 (70397595)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 弱い相互作用 / DNA・RNA / 光生命科学 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究目的は、高精度の励起状態理論であるSAC-CI法を用いて、生命科学に重要な弱い相互作用を明らかにすることであり、本年度は光受容イオン輸送ロドプシンに応用した。
細胞膜に存在する光受容イオン輸送ロドプシンは、光を受けたレチナール色素がall-transから13-cisに光異性化することにより、イオンが細胞膜間を移動する。H+を輸送するバクテリオロドプシン、Cl-を輸送するハロロドプシンに加えて、2013年にNa+を輸送するロドプシンが発見された。ロドプシンの吸収スペクトルは光異性化反応に伴い変化することが知られていて、K,L,M,N,Oと呼ばれる中間体が観測されている。これらをSAC-CI法により計算し、3種類のイオン輸送メカニズムの違いを明らかにした。
SAC-CI法はバクテリオロドプシンのプロトン輸送中の吸収スペクトルの変化を再現することに成功し、特にL,N中間体の吸収スペクトルがレチナールの近くに存在するアミノ酸(ARG82)の回転により大きく変化することを明らかにした。ハロロドプシンでは、シッフ塩基の近くにある塩化物イオンが細胞内に移動した後、シッフ塩基の近くの水が水酸化物イオンになり、シッフ塩基周辺の電荷を保っていることが明らかになった。ナトリウムイオン輸送ロドプシンでは、ASP116の回転によるできた空洞をナトリウムイオンが通過できることを明らかにした。また、観測されているO状態のレチナールは13-cisで、ナトリウムイオンがシッフ塩基近くに存在していることを示唆した。
DNAの構成分子であるDeoxyguanosineとUridineのスペクトルを用いてTdDFTの精度について調べたところ、TdDFT法は実験スペクトルの再現ができず、信頼性の高いSAC-CI法が必要であることを明らかにした。
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