多中心プロトン移動を含むATP加水分解とその自由エネルギープロファイルの理論研究

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 21118508
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 山本 武志 京都大学, 理学研究科, 助教 (30397583)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2010: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2009: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 溶媒和 / 生物物理 / 加水分解 / 酵素反応 / 分子シミュレーション / 量子化学 / 自由エネルギー / 統計力学 / 化学物理 / 生体分子

Research Abstract

本研究では、細胞内の化学・力学エネルギー変換で重要な役割を担うアデノシン三リン酸(ATP)分子の性質について、量子化学・統計力学に基づく理論的研究を行った。ATP分子は3つのリン酸基にエステルが付加したものであり、加水分解に伴う末端リン酸基の解離によって7--10kcal/mol程度の自由エネルギーを放出する。酵素や膜タンパク質は、放出された自由エネルギーを用いて触媒機能を発揮していると考えられている。本研究では、新学術領域の目的の一部として、特に溶液中での反応に焦点を当て、加水分解で生じる自由エネルギー変化の分子論的なメカニズムについて調べた。方法としては、反応に関与する分子を量子化学の方法で扱い、周りの水分子を経験的分子力場で扱うQM/MM法を用いた。特に、最近提案された平均場近似に基づく方法(溶質の波動関数を溶媒平均場の下で決定し、得られた平均波動関数を溶媒に埋め込む)を用いて、反応に伴う自由エネルギープロファイルを定量的に計算した。その結果、全自由エネルギーの変化は溶質分子内のエネルギー寄与(リン酸基間のクーロン反発)と、溶質--溶媒間の静電相互作用による安定化(溶媒和自由エネルギー)の大きなキャンセレーションによって生じていることが分かった。溶質分子内におけるクーロン反発は末端リン酸基を解離させる力として働くが、まわりの水分子はリン酸基の解離を抑制する方向の力を与えており、両者のつりあいが反応速度を決めていることになる。その結果、誘電率の低い溶媒(有機溶媒)では、溶媒和による反応の抑制効果が十分でなくなり、末端リン酸は非常に解離しやすい状態となることが分かる。これは、酵素中(低誘電率のタンパク環境)におけるATP加水分解を促進する物理的な原因の一つであると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Solution reaction space Hamiltonian based on an electrostatic potential representation of solvent dynamics (2011)
  • Author(s): S.Aono, T.Yamamoto, S.Kato
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A wave-function based approach for polarizable charge model : Systematic comparison of polarization effects on protic, aprotic, and ionic liquids (2010)
  • Author(s): H.Nakano, T.Yamamoto, S.Kato
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preferred dissociative mechanism of phosphate monoester hydrolysis in low dielectric environments (2010)
  • Author(s): T.Yamamoto
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 500 Pages: 263-266
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A wave-function based approach for polarizable charge model : Systematic comparison of polarization effects on protic, aprotic, and ionic liquids (2010)
  • Author(s): H.Nakano, T.Yamamoto, S.Kato
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics 132 Pages: 44106-44106
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 溶液中ATP加水分解の自由エネルギー変化の分子論的解釈 (2010)
  • Author(s): 山本武志
  • Organizer: 第48回(2010年度)日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-21
• [Presentation] Some numerical quests for accurate quantum dynamics in gas and condensed phases (2010)
  • Author(s): 山本武志
  • Organizer: The 69th Okazaki Conference on "New Frontier in Quantum Chemical Dynamics"
  • Place of Presentation: 分子科学研究所(名古屋)
  • Year and Date: 2010-02-21
• [Presentation] QM/MM法に基づく化学反応の自由エネルギー計算と反応経路の探索 (2010)
  • Author(s): 山本武志
  • Organizer: IMSスーパーコンピュータワークショップ
  • Place of Presentation: 分子科学研究所(名古屋)
  • Year and Date: 2010-01-13