密度汎関数法のフラビン酵素への適用とその反応メカニズムの体系化

• 研究課題/領域番号: 15607015
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 計算科学
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 玉置 春彦 熊本大学, 大学院・医学薬学研究部, 助手 (80264290)
• 研究分担者: 田中 丈幸 神戸大学, 大学院・自然科学研究科, 助手 (50332763)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 3,000千円 (直接経費: 3,000千円); 2004年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円); 2003年度: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
• キーワード: 計算科学 / 分子軌道計算 / 電荷移動相互作用 / フラビン酵素 / アシルCoA脱水素酵素 / 分子振動スペクトル / 赤外吸収スペクトル / 密度汎関数法 / X線結晶構造解析 / アシルCoA酸化酵素 / D-アミノ酸酸化酵素

研究概要

本研究においては、非経験的分子軌道法の一つである密度汎関数法(DFT)を、フラビン酵素アシルCoA脱水素酵素(ACD)に適用し、基質-フラビン間の分子軌道相互作用の観点から、フラビン酵素の反応機構の解析を行った。計算機実験は、基質(基質アナログ)-フラビンの単純化モデルによる酵素反応および分光学測定データのシミュレーションの有用性を示した。密度汎関数法によるモデル計算は、ACD・3-チアオクタノイルCoA複合体の結晶構造における基質アナログ-フラビンの分子配置を再現し、電荷移動相互作用が主要な構造安定化機構であることを示した。また、酵素基質アナログ複合体に関するNMR化学シフト、可視紫外吸収および赤外吸収スペクトル対しても、理論計算が十分に実験値を再現されることが確認された。また本研究期間に、酵素活性部位における基質および基質アナログの水素結合形成とその結合状態を、振動分光学により観測する方法論の開発を行った。酵素-基質(基質アナログ)複合体の振動スペクトルから特定の振動モードを選択的に観測する赤外差スペクトル測定である。特に、ターゲットとなる原子位置を安定同位体13C、15N、18O等で標識することで、目的の振動モードを選択的に観測する本研究手法は、酵素分野に留まらず、相互作用解析の一般的手法として、応用展開されることが大いに期待される。本課題における上記研究成果は、2005年4月開催のフラビン国際会議にて発表を行い、同分野の研究者に高い評価を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Distributed Computing and NMR Constraint-Based High-Resolution Structure Determination : Applied for Bioactive Peptide Endothelin-1 to Determine C-Terminal Folding (2004)
  • 著者名/発表者名: Takashimaら
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 4504-4505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Distributed Computing and NMR Constraint-Based High-Resolution Structure Determination : Applied for Bioactive Peptide Endothelin-1 to Determine C-Terminal Folding (2004)
  • 著者名/発表者名: Takashima, H., Mimura, N., Ohkubo, T., Yoshida, T., Tamaoki, H., Kobayashi, Y.
  • 雑誌名: Journal of American Chemical Society 126 ページ: 4504-4505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Distributed Computing and NMR Constraint-Based High-Resolution Structure Determination (2004)
  • 著者名/発表者名: Takashimaら
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 126 ページ: 4504-4505
• [雑誌論文] Structure of the Transition State Analog of Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase Crystallographic and Molecular Orbital Studies on Dehydrogenase with 3-Thiaoctanoyl-CoA (2003)
  • 著者名/発表者名: Satohら
  • 雑誌名: J.Biochemistry 134 ページ: 297-304
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Molecular Mechanism of the Drop in the pKa of a Substrate Analog Bound to Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase : Implication for Substrate Activation (2003)
  • 著者名/発表者名: Nishinaら
  • 雑誌名: J.Biochemistry 134 ページ: 835-842
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structure of the Transition State Analog of Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase. Crystallographic and Molecular Orbital Studies on Dehydrogenase with 3-Thiaoctanoyl-CoA (2003)
  • 著者名/発表者名: Satoh, A., Nakajima, Y., Miyahara, I., Hirotsu, K., Tanaka, T., Nishina, Y., Shiga, K., Tamaoki, H., Setoyama, C., Miura, R.
  • 雑誌名: Journal of Biochemistry 134 ページ: 297-304
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Molecular Mechanism of the Drop in the pKa of a Substrate Analog Bound to Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase : Implication for Substrate Activation (2003)
  • 著者名/発表者名: Nishina, Y., Sato, K., Tamaoki, H., Tanaka, T., Setoyama, C., Miura, R., Shiga, K.
  • 雑誌名: Journal of Biochemistry 134 ページ: 835-842
  • NAID: 130003534635
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Satoh, A.et al.: "Structure of the Transition State Analog of Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase. Crystallographic and Molecular Orbital Studies on the Charge-Transfer Complex of Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase with 3-Thiaoctanoyl-CoA"Journal of Biochemistry. 134. 297-304 (2003)
• [文献書誌] Nishina, Y.et al.: "Molecular Mechanism of the Drop in the pKa of a Substrate Analog Bound to Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase : Implications for Substrate Activation"Journal of Biochemistry. 134. 835-842 (2003)