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2012 年度 実績報告書

分子動力学計算を用いて解明するF1-ATPase回転のしくみ

研究課題

研究課題/領域番号 12J07915
研究機関横浜市立大学

研究代表者

伊藤 祐子  横浜市立大学, 生命医科学研究科, 特別研究員PD

キーワードF1-ATPase / 分子動力学計算 / シミュレーション / 分子モーター / 自由エネルギー計算
研究概要

特別研究員としての研究課題は、F_1-ATPase分子モーターの回転作用機構を明らかにすることである。採用一年目は、まず、F_1-ATPaseのαβサブユニット2量体のATP加水分解後の構造変化を自由エネルギー計算を用いて明らかにしようと試みた。
ATP加水分解後のβサブユニットはClosed構造から(βDp)Half-Closed構造(βHc)になることが一分子実験により分かっている。また、このATP加水分解後の構造変化の過程では、ヌクレオチドの状態も議論の対象になっている。磁気ピンセットを用いた別の一分子実験からは、ATPが加水分解した後、その生成物であるリン酸は直ちに抜けずにATP反応部位に留まっている可能性が高いことが示されている。しかし、リン酸がATP反応部位に残ることでどれくらい安定なのかという定量性や、なぜ留まる必要があるのかという理由は分かっていない。したがって、このATP加水分解後の構造変化について、リン酸がATP反応部位に残っているパターン(ADP+Pi)とそうでないパターン(ADPだけ)の2つの状態で、アンサンブルサンプリング法を用いたシミュレーションを行い、自由エネルギー地形を得ることにした。
実際に計算を開始してみると、自由エネルギー地形の収束が予想以上に遅く、結果的に膨大な計算量が必要であった(総計算時間5μs)。最終的には、それらの妥当な自由エネルギー地形を得ることができ、リン酸が活性部位に留まる場合、どれくらいClosedからHalf-Closedの構造変化に有利であるかを定量的に示すことができている。今後、原子レベルで解析を行い、この構造変化の詳しいメカニズムや、多くのATPaseが普遍的にもつ2次構造がATP加水分解後の構造変化に果たす役割を明らかにする予定である。またここで得られる2量体構造変化のメカニズムは、現在計算中のF_1-ATPase全体の構造変化にも重要な示唆を与えることができると考えている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度には、αβ複合体の構造変化に関わる自由エネルギー計算を実施した。予想以上に収束に時間がかかってしまったため、計算量は膨大になったが、有意義な結果を得ることができた。

今後の研究の推進方策

1年目に得られたαβサブユニット2量体の計算データを解析し、論文にまとめることと、同時並行してF_1-ATPase全体の計算を遂行する。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (2件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations of Yeast F1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the Gamma Subunit2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 雑誌名

      The journal of Physical Chemistry B

      巻: 117 ページ: 3298-3307

    • DOI

      10.1021/jp312499u

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Role of the DELSEED Loop in Torque Transmission of F_1-ATPase2012

    • 著者名/発表者名
      Mizue Tanigawara, Kazuhiro V. Tabata, Yuko Ito, Jotaro Ito, Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Mitsunori Ikeguchi, Hiroyuki Noji,
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 103 ページ: 970-978

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2012.06.054,

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the γ Subunit : Theoretical Analysis Focused on the Water-Enrtopy Effect2012

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yoshidome, Yuko Ito, Nobuyuki Matubayashi, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics

      巻: 137 ページ: 035102(1-8)

    • DOI

      10.1063/1.4734298

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations2012

    • 著者名/発表者名
      Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
    • 雑誌名

      Journal of American Chemical Society

      巻: 134 ページ: 8447-8454

    • DOI

      10.1021/ja211027m

    • 査読あり
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      Biophysical Society 57^<th> Annual Meeting
    • 発表場所
      Philadelphia
    • 年月日
      20130202-20130206
  • [学会発表] 分子動力学計算を用いて明らかにするγ16°回転前後のYeast F_1-ATPaseの構造的特徴 Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit2012

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [図書] 「化学フロンティア23 1分子ナノバイオ科学の新パラダイム~極限計測と理論, 分子からシステムへ~」第9章 全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構2013

    • 著者名/発表者名
      伊藤祐子, 池口満徳
    • 出版者
      化学同人(In press)

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公開日: 2014-07-16  

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