2013 Fiscal Year Research-status Report
ヘム蛋白質における多体効果の理論研究-放射光分光の視点から-
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25400335
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
田口 宗孝 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 研究員 (10415218)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 金属蛋白質 / クラスター計算 / 共鳴X線発光分光 |
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| Research Abstract |
本研究は、鉄の多体効果に注目し、物性物理の土俵でヘム蛋白質を電子論的に議論することを主な目的としている。具体的には、放射光分光の物性研究で成功を収めた数値シミュレーション法をヘム蛋白質に適用し実験スペクトルと比較することで、その様々な機能に関連するヘム鉄の電子状態を理論的に解明する事である。
本研究で掲げた具体的な計画項目は、①鉄の多体効果とポルフィリン環の強い混成効果と同等に扱うことができるクラスター模型の構築、②基質分子の可逆的な吸脱着による鉄の電子状態変化の機構解明、③ヘム鉄の局所的な構造変化が鉄の３ｄ電子状態に与える影響、の三つであった。
本年度は、上記計画項目のうち鉄ポルフィリン金属錯体に対するクラスター模型に対する電子状態計算法を確立する事に集中し、理論模型の解析的標識の定式化及び計算機コードの開発を行った。当初の予定通り、鉄およびポルフィリン環を考慮した鉄・ポルフィリンクラスター模型として、鉄の５個の３ｄ軌道と、ポルフィリン環、第５配位子にイミダゾール環、第６配位子に基質（H2O, CO, CN-, O2）分子のすべての分子軌道を考慮したクラスター模型の定式化に成功した。これにより共鳴X線発光スペクトルの計算はもちろんのこと、基質の違いによるFeイオン原子のスピン状態、価数状態の変化に与える影響やFeイオン原子がポルフィリン面外にずれる効果などが議論できるようになる。現在、過去に得られた実験結果の再検討とパラメーターの評価を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
鉄・ポルフィリンクラスター模型による金属タンパク質の電子状態研究に関して、理論模型の解析的標識の定式化及び、計算機コードの開発を行っている。鉄およびポルフィリン環を考慮した鉄・ポルフィリンクラスター模型として、鉄の５個の３ｄ軌道と、ポルフィリン環、第５配位子にイミダゾール環、第６配位子に基質（H2O, CO, CN-, O2）分子のすべての分子軌道を考慮したクラスター模型を構築した。しかしながら、予想していなかったバグが計算機コードに存在することが最近判明し、現在その修正に全力を上げている。そのため、当初の予定より若干の遅れが生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、現在発生している計算コードのバクを至急解決する。その上で金属タンパク質の中で最も調べられているミオグロビンをとりあげ、鉄の３ｄ電子相関効果と、鉄‐ポリフィリン分子の共有結合性を取り込んだクラスター模型計算、拡張されたHaldane-Anderson模型に対する第一原理的電子状態計、及び精密スペクトロスコピー実験結果を比較・検討することにより、局所構造・スピン状態・電子状態を包括的に理解できる理論的シミュレーション法を確立する。次に、確立されたシミュレーション法を用いて、ヘモグロビンやシトクロムなどのその他のヘムタンパク質に適用する。得られた結果は、スペクトロスコピー実験結果と比較される。理論計算と放射光分光実験観測・検証を繰り返し行うことにより、最終的には、これまでほとんど明らかにされていない鉄‐硫黄タンパク質、銅タンパク質、マンガンタンパク質の電子状態と局所構造の関係を明らかにする。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
前述したように、開発中の計算機コードに予想していなかったバグが存在することが判明したため、実際の大型数値計算を解しできない状況にある。そのため、まだクラスター計算機自体の購入を遅らせている。
次年度は、計算コードの場バグが取り除け次第大型計算機を購入する予定である。
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