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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

研究課題

研究課題/領域番号 10J02555
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 生物物理学
研究機関筑波大学

研究代表者

姜 志[ヨン] (2011)  筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 特別研究員(DC2)

姜 志〓 (2010)  筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2010 – 2011
研究課題ステータス 完了 (2011年度)
配分額 *注記
1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2010年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードハイブリッド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
研究概要

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。

報告書

(2件)
  • 2011 実績報告書
  • 2010 実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2012 2011 2010

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (18件) 図書 (3件)

  • [雑誌論文] Biological applications of hybrid quantum mechanics/molecular mechanics calculation2012

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      J.Biomed.Biotech.

      巻: 2012 ページ: 236157-236157

    • DOI

      10.1155/2012/236157

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unidirectional mechanistic valved mechanisms for ammonia transport in GatCAB2012

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      J.Chem.Theory Comp.

      巻: 8 号: 2 ページ: 649-649

    • DOI

      10.1021/ct200387u

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Instability of the Active Site of T1 Lipase Induced by Replacement of Na^+ with Water Complexed with the Phenylalanine Aromatic Ring2011

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      J.Chem.Theory Comp.

      巻: 7 号: 8 ページ: 2593-2593

    • DOI

      10.1021/ct100752y

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A theoretical investigation of the functional role of the axial methionine ligand of the CU_A site in cytochrome c oxidase2011

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Hiori Kino, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      Biochim.Biophys.Acta Bioenerg.

      巻: 1807 号: 10 ページ: 1314-1314

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2011.06.014

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 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

    • 著者名/発表者名
      姜志〓, 萩原陽介, 舘野賢
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: 80 ページ: 610-610

    • NAID

      10029101681

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書 2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fine-modulation of electronic structure by the axial methionine ligand of Cu_A for optimal triggering of cooperative reactions in cytochrome c oxidase2011

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Akimasa Sato, Hiori Kino, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      Biochem.Biophys.Acta.Bioenergetics

      巻: To be published

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development and application of hybrid quantum mechanics (QM) /molecular mechanics (MM) molecular dynamics calculation system implemented on massively-parallel supercomputers by interfacing QM and MM engine2010

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      The second annual international conference on computational and system biology (ICCSB2010)

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of efficiency of a novel algorithm for accurate estimation of metal-π interaction energy2010

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 雑誌名

      The second annual international conference on computational and system biology (ICCSB2010)

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, 舘野賢
    • 学会等名
      第84回日本生化学会大会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 年月日
      2011-09-24
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      枩岡亨, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • 学会等名
      第84回日本生化学会大会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 年月日
      2011-09-24
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      中村淳志, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • 学会等名
      第84回日本生化学会大会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 年月日
      2011-09-24
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Molecular dynamics simulation of complex of valyl-tRNA synthetase and its cognate tRNA2011

    • 著者名/発表者名
      板垣哲彦, Jiyoung Kang, 舘野賢
    • 学会等名
      第84回日本生化学会大会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 年月日
      2011-09-22
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Analysis of full-hydrated structures of human adult hemoglobin exploiting molecular dynamics simulations2011

    • 著者名/発表者名
      秋定〓宏, Jiyoung Kane, 舘野賢
    • 学会等名
      第84回日本生化学会大会
    • 発表場所
      国立京都国際会館
    • 年月日
      2011-09-22
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] A computational study of the solvated structure of the complex of valyl-tRNA synthetase and the mis-aminoacylated tRNAV^<Val>2011

    • 著者名/発表者名
      Masaru Tateno, Jiyoung Kane, Moonyoung Yang
    • 学会等名
      第49回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • 年月日
      2011-09-18
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] A computational study of functional role of axial methionine ligand of CU_A site in cytochrome c oxidase2011

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 学会等名
      第49回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • 年月日
      2011-09-17
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical and computational quantum structural biobgy for understan ding functional mechanisms of biological macromolecular systems2011

    • 著者名/発表者名
      Masaru Tateno, Jiyoung Kang, Ryo Nakaki
    • 学会等名
      第49回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      兵庫県立大学・姫路書写キャンパス
    • 年月日
      2011-09-17
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Computational investigation of functional role of axial methionine ligand of Cu_A site in cytochrome c oxidases2011

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kane, 舘野賢
    • 学会等名
      第34回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Dynamical rearrangements of electronic structure in editing reaction of LeuRS・valyl-tRNA^<Leu> complex2011

    • 著者名/発表者名
      舘野賢, Jiyoung Kang, 萩原陽介, Martin J.Field
    • 学会等名
      第34回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Structural instability of the active site of T1 lipase where Na_+-π interaction is replaced with water-π complex2011

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 学会等名
      Biophysical Society 55th Annual Meeting
    • 発表場所
      Baltimore, MD, USA
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Computational explorations of electronic and geometrical structures of heme a and heme a3 in the bovine cytochrome c oxidase2010

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Mitsuo Shoji, Mauro Boero, Masaru Tateno
    • 学会等名
      The 2nd Annual International Conference on Computational and Systems Biology
    • 発表場所
      Hangzhou, China
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Evaluation of efficiency of a novel algorithm for accurate estimation of metal-π interaction energy2010

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Hagiwara, Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 学会等名
      The 2nd Annual International Conference on Computational and Systems Biology
    • 発表場所
      Hangzhou, China
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Computational analysis of dynamical structures of Human adult hemoglobin2010

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Hanaoka, Jiyoung Kang, Takashi Yonetani, Masaru Tateno
    • 学会等名
      48th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan
    • 発表場所
      Sendai, Japan東北大学
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Effects of the environmental structures upon the electronic states of heme a of the bovine cytochrome c oxidase2010

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Masaru Tateno
    • 学会等名
      48th Annual Meeting of Biophysical Society of Japan
    • 発表場所
      Sendai, Japan東北大学
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Effects of long-range electrostatic interactions onto electronic structures of metal binding sites2010

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Takehiro Ohta, Yohsuke Hagiwara, Keigo Nishikawa, Tetsunori Yamamoto, Hidemi Nagao, Masaru Tateno
    • 学会等名
      第10回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Molecular dynamics simulation of human adult hemoglobin2010

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Hanaoka, Jiyoung Kang, Takashi Yonetani, Masaru Tateno
    • 学会等名
      第33回日本分子生物学会年会・第83回日本生化学会大会合同大会
    • 発表場所
      神戸ポートアイランド
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Computational analysis of electronic structures of heme a in the bovine cytochrome c oxidase : a possible electron transfer pathway2010

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kang, Daiki Kondo, Mitsuo Shoji, Mauro Boero, Masaru Tateno
    • 学会等名
      第33回日本分子生物学会年会・第83回日本生化学会大会合同大会
    • 発表場所
      神戸ポートアイランド
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [図書] Some Applications of Quantum Mechanics2012

    • 著者名/発表者名
      Jiyoung Kane, Yohsuke Hagiwara, Masaru Tateno
    • 出版者
      INTECH
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [図書] 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

    • 著者名/発表者名
      萩原陽介, 姜志〓, 舘野賢
    • 出版者
      シュプリンガージャパン
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [図書] 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

    • 著者名/発表者名
      萩原陽介, 姜志〓, 舘野賢
    • 出版者
      スプリンガー・ジャパン(In press)
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書

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公開日: 2010-12-03   更新日: 2024-03-26  

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