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2012 Fiscal Year Annual Research Report

タンパク内で起こる協同的プロトン・電子移動反応の量子論的解析

Research Project

Project/Area Number 22685003
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

重田 育照  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (80376483)

Project Period (FY) 2010-04-01 – 2014-03-31
Keywords量子動力学 / 電子移動 / 水素移動 / 集団運動 / PCET
Research Abstract

チトクロム酸化酵素(CcO)におけるO2還元反応とプロトン電気化学ポテンシャル差形成のエネルギー変換効率は7 0%に達すると推定され、高効率なエネルギー変換機構の物理化学的解明は長年にわたって生体エネルギー学分野 における中心的な研究課題である。これまでの所、CcOはバクテリアと牛心筋由来の結晶構造が解かれている。 能動的プロトン輸送の経路に関しては、バクテリアにおいて、その一つのネットワーク(D経路)のアミノ酸残 基をプロトン輸送不可能なものに部位特異的変異によって変換することにより、プロトンポンプ活性がO2還元活 性とともに消失するという事実が示され、D経路はプロトンの供給と能動輸送の2つの機能を有する事が示唆さ れた。バクテリアの呼吸鎖はミトコンドリアのそれによく類似している(バクテリアCcOのアミノ酸シーケンス は牛心筋CcOに対し70%程度の非常に高い相同性を示すことが知られている)。ゆえに牛心筋においてもD経路を 介した輸送が定説となっているのが現状である。 局所的なアミノ酸残基配置とプロトンポンプ機能の関係を明らかにする事を目的として、完全酸化 (Oxidized) ・還元 (Reduced) 状態の各々の構造に対し、D経路入り口付近のプロトン移動経路とそのエナジェティクスを解 析し、機能との相関を考察することを目的としている。
本年度は特に、牛心筋CcOの間の構造の僅かな違いが、経路に沿った 反応のエナジェティクスにどの程度影響を及ぼすのかを、密度汎関数理論に基づく分子動力学シミュレーション を用いて調べ、酸化還元にともなう構造変化がプロトンのくみ上げに寄与することをしめした。また、共同研究 により、金属中心であるCuBサイトのCu2S2構造と電子状態の相関を明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究はチトクロムc酸化酵素のプロトン輸送経路の機能を探るため、第一原理に基づく方法を用いて研究する課題である。プロトン輸送経路は非常に大きいため、本研究では入り口付近と内部の構造-機能相関を個別に取り扱っている。この3年間の研究成果により、入り口付近の重要なアミノ酸残基の機能解明、ならびに電子移動に関与する補因子CuBサイトの電子状態と構造の相関に関する研究は達成されており、順調に研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

現在、D経路内部の解析を同様に進めており、今後2年間はD経路内部に存在する個々のアミノ酸の寄与を明らかにして行く方針である。特に、実験で重要性が指摘されているN98やE242などの残基の効果、また、経路内に存在する水クラスターがプロトン移動のエナジェティクスにどの様に影響を与えているかに着目し、それらの問題を明らかにする。また、生物種間の違いでどのような違いが出るのかに関しても、それらの解析を併せて行う事で、プロトン輸送経路の全容と、生物種間で機能が保持されうるのかどうかと言う問題に切り込んで行く方針である。
また、申請者が提案する量子動力学理論を深化させ、統計力学を包含する理論へと発展させていく方針である。

  • Research Products

    (21 results)

All 2013 2012

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (11 results) (of which Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Qantal Cumulant Mechanics and Dynamics for Multi-Dimensional Quantum Many-Body Clusters2013

    • Author(s)
      Y. Shigeta, T. Inui, T. Baba, K. Okuno, H. Kuwabara, R. Kishi, M. Nakano
    • Journal Title

      International Journal of Quantum Chemistry

      Volume: 113 Pages: 348-355

  • [Journal Article] Consistent scheme for computing standard hydrogen electrode and redox potentials2013

    • Author(s)
      T. Matsui, Y. Kitagawa, M. Okumura, Y. Shigeta, S. Sakaki
    • Journal Title

      Journal of Computational Chemistry

      Volume: 34 Pages: 21-26

    • DOI

      10.1002/jcc.23100

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Density functional studies of the structural variety of the Cu2S2 core of the Cu-A site2012

    • Author(s)
      Y. Takano
    • Journal Title

      International Journal of Quantum Chemistry

      Volume: 112 Pages: 3756-3762

    • DOI

      10.1002/qua.24214

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] DFT Analysis of Low-frequency Heme Vibrations in Soluble Guanylate Cyclase: Raman Mode Enhancement by Propionate-Protein Interactions2012

    • Author(s)
      M. Kubo
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 41 Pages: 860-862

    • DOI

      10.1246/cl.2012.860

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tuned CAM-B3LYP Functional in the Time-dependent Density Functional Theory Scheme for Excitation Energies and Properties of Diarylethene Derivatives2012

    • Author(s)
      K. Okuno
    • Journal Title

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      Volume: 235 Pages: 29-34

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2012.03.003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coordination Effects on the Electronic Structure of the CuA Site of Cytochrome c Oxidase2012

    • Author(s)
      K. Koizumi
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 531 Pages: 197-201

    • DOI

      10.1063/1.438863

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Theoretical Insight into Stereoselective Reaction Mechanisms of 2,4-Pentanediol-Tethered Ketene-Olefin [2+2] Cycloaddition2012

    • Author(s)
      K. Kamiya
    • Journal Title

      Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 116 Pages: 1168-1175

    • DOI

      10.1021/jp211542m

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electronic Structures of the Cu2S2 Core of the CuA Site in Cytochrome c Oxidase and Nitronous Oxide Reductase2012

    • Author(s)
      Y. Takano
    • Journal Title

      International Journal of Quantum Chemistry

      Volume: 112 Pages: 208-218

    • DOI

      10.1002/qua.23191

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature-Independent Stereoselectivity in Intramolecular Cycloaddition of Ketene Generated from Diazoester in Solution and in Vapor Phase: How Entropy Term Governs the Selectivity2012

    • Author(s)
      T. Sugimura
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 85 Pages: 504-510

    • DOI

      10.1246/bcsj.20110337

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 第一原理計算による生体内反応解析2012

    • Author(s)
      重田育照
    • Organizer
      神戸大学第4回協定講座シンポジウム 「計算生物学と材料科学の融合」
    • Place of Presentation
      神戸大学統合研究拠点 コンベンションホール
    • Year and Date
      20121219-20121219
    • Invited
  • [Presentation] 生体内化学反応解析の基礎2012

    • Author(s)
      重田育照
    • Organizer
      第2回 量子化学ウィンタースクール
    • Place of Presentation
      分子科学研究所
    • Year and Date
      20121217-20121218
    • Invited
  • [Presentation] Theoretical Studies on Current-voltage (I-V) Characteristics of Metal Containing Artificial DNA and Ni Complex Based Molecular Devices2012

    • Author(s)
      Y. Shigeta
    • Organizer
      2012 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS)
    • Place of Presentation
      Hawaii, USA
    • Year and Date
      20121202-20121207
    • Invited
  • [Presentation] アシル化反応に対するアミノ酸変異の効果2012

    • Author(s)
      馬場剛史
    • Organizer
      第10回京都大学福井謙一記念センターシンポジウム(ポスター)
    • Place of Presentation
      京都大学福井謙一記念センター
    • Year and Date
      20121130-20121130
  • [Presentation] NylBの反応機構に対するアミノ酸変異導入の効果2012

    • Author(s)
      馬場剛史
    • Organizer
      第64回日本生物工学会大会(口頭)
    • Place of Presentation
      神戸国際会議場
    • Year and Date
      20121023-20121026
  • [Presentation] ナイロンオリゴマー分解酵素の反応機構に対するアミノ酸変異の効果2012

    • Author(s)
      馬場剛史
    • Organizer
      分子科学討論会2012(口頭)
    • Place of Presentation
      東京大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] キュミュラント動力学法によるクラスター構造転移の変分的自由エネルギー解析2012

    • Author(s)
      重田育照
    • Organizer
      分子科学討論会2012(口頭)
    • Place of Presentation
      東京大学
    • Year and Date
      20120918-20120921
  • [Presentation] Mutational Effects on the Acylation of Nylon Oligomer Hydrolase2012

    • Author(s)
      T. Baba
    • Organizer
      The XIVth International Congress of Quantum Chemistry (Poster)
    • Place of Presentation
      Boulder, Colorado, USA
    • Year and Date
      20120625-20120630
  • [Presentation] Variational Determination of Free Energy in Terms of Cumulant Mechanics2012

    • Author(s)
      Y. Shigeta
    • Organizer
      The XIVth International Congress of Quantum Chemistry (Poster)
    • Place of Presentation
      Boulder, Colorado, USA
    • Year and Date
      20120625-20120630
  • [Presentation] キュミュラント変数による変分的自由エネルギー解析2012

    • Author(s)
      重田育照
    • Organizer
      第15回理論化学討論会(口頭)
    • Place of Presentation
      仙台市福祉プラザ
    • Year and Date
      20120524-20120526
  • [Presentation] Design of Nylon Oligomer Hydrolase on the Basis of Simulations2012

    • Author(s)
      Y. Shigeta
    • Organizer
      BIT’s 3rd Symposium on Enzymes & Biocatalysis 2012
    • Place of Presentation
      Xian, China
    • Year and Date
      20120425-20120428
    • Invited
  • [Book] Chap. 25 of Advances in the Theory of Atomic and Molecular Systems, Conceptual and Computational Advances in Quantum Chemistry2012

    • Author(s)
      T. Matsui
    • Total Pages
      27 pages of 448
    • Publisher
      Springer

URL: 

Published: 2014-07-24  

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