タンパク内で起こる協同的プロトン・電子移動反応の量子論的解析

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 22685003
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 大阪大学 (2011-2013); 兵庫県立大学 (2010)
• 研究代表者: 重田 育照 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (80376483)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 量子動力学 / 電子移動 / 水素移動 / 集団運動 / PCET

研究概要

生体内エネルギー変換を司るタンパク質であるチトクロム酸化酵素に関して量子論に基づく解析を行った。特にD経路とよばれるプロトン輸送経路の入り口付近のエナジェティクスとダイナミクスを解析し、（１）タンパク質環境がプロトン輸送のポテンシャルを平坦化しているため少ないエネルギーで輸送可能なこと、（２）His側鎖の回転によってポテンシャルのバランスがD経路内側に水素を運ぶ方向に傾くことでプロトン輸送を不可逆にすることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] On the induced-fit mechanism of substrate-enzyme binding structures of nylon-oligomer hydrolase (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Baba, R. Harada, M. Nakano, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J. Comp. Chem 巻: 35 ページ: 1240-1247
• [雑誌論文] Fluctuation Flooding Method (FFM) for accelerating conformational transitions of proteins (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Harada, Y. Takano, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 巻: 140 ページ: 125103
• [雑誌論文] A Nylon-oligomer Hydrolase Promoting Cleavage Reactions in Unnatural Amide Compounds (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, T. Baba, M. Boero, T. Matsui, S. Negoro, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 5 ページ: 1210-1216
• [雑誌論文] 第一原理Meta-Dynamics 法, Blue Moon Ensemble法を用いた反応経路解析 (特集 反応経路探索) (2014)
  • 著者名/発表者名: 馬場剛史, 安東寛之, 重田 育照
  • 雑誌名: アンサンブル : 分子シミュレーション研究会会誌 巻: 16, Vol.1 ページ: 36-41
• [雑誌論文] Cumulant mechanics : An explicit treatment for fluctuation on dynamics (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 雑誌名: 分子科学会アーカイブス(Review), Mol. Sci 巻: 7, Vol.1 ページ: A0057
• [雑誌論文] 第一原理計算による生体内酵素反応の理論解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 雑誌名: 豊田研究報告 巻: 66 ページ: 103-104
• [雑誌論文] Theoretical studies of electronic structures, magnetic properties and electron conductivities of one-dimensional Ni_n (n = 3, 5, 7) complexes (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitagawa, T. Matsui, Y. Nakanishi, Y. Shigeta, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Dalton Trans 巻: 42 ページ: 16200-16208
• [雑誌論文] Binding of a positron to nucleic-acid base molecules and their pairs (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Koyanagi, Y. Kita, Y. Shigeta, M. Tachikawa
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 14 ページ: 3458-3462
• [雑誌論文] Finite-Field Method with Unbiased Polarizable Continuum Model for Evaluation of the Second Hyperpolarizability of an Open-Shell Singlet Molecule in Solvents (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Inui, Y. Shigeta, K. Okuno, T. Baba, R. Kishi, M. Nakano
  • 雑誌名: J. Comp. Chem 巻: 34 ページ: 2345-2352
• [雑誌論文] Non-empirical tuning of CAM-B3LYP functional in time-dependent density functional theory for excitation energies of diarylethene derivatives (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Okuno, Y. Shigeta, R. Kishi, M. Nakano
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 585 ページ: 201-206
• [雑誌論文] Photochromic Switching of Diradical Character : Design of Efficient Nonlinear Optical Switches (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Okuno, Y. Shigeta, R. Kishi, M. Nakano
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 4 ページ: 2418-2422
• [雑誌論文] A Density Functional Theory Based Protocol to Compute the Redox Potential of Transition Metal Complex with the Correction of Pseudo-Counterion : General Theory and Applications (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, Y. Kitagawa, Y. Shigeta, M. Okumura
  • 雑誌名: J. Chem. Theor. Comp 巻: 9 ページ: 2974-2980
• [雑誌論文] Qantal Cumulant Mechanics and Dynamics for Multi-Dimensional Quantum Many-Body Clusters (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta, T. Inui, T. Baba, K. Okuno, H. Kuwabara, R. Kishi, M. Nakano
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 113 ページ: 348-355
• [雑誌論文] Consistent Scheme for Computing Standard Hydrogen Electrode and Redox Potentials (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, Y. Kitagawa, M. Okumura, Y. Shigeta, S. Sakaki
  • 雑誌名: J. Comp. Chem 巻: 34 ページ: 21-26
• [雑誌論文] Density Functional Studies of the Structural Variety of the Cu2S2 Core of the CuA Site (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Takano, O. Okuyama, Y. Shigeta, H. Nakamura
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 3756-3762
• [雑誌論文] DFT Analysis of Low-Frequency Heme Vibrations in Soluble Guanylate Cyclase : Raman Mode Enhancement by Propionate-Protein Interactions (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Kubo, O. Okuyama, T. Kitagawa, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Lett 巻: 41 ページ: 860-862
• [雑誌論文] Tuned CAM-B3LYP Functional in the Time-Dependent Density Functional Theory Scheme for Excitation Energies and Properties of Diarylethene Derivatives (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Okuno, Y. Shigeta, R. Kishi, H. Miyasaka, M. Nakano
  • 雑誌名: J. Photochem. Photobio. A 巻: 235 ページ: 29-34
• [雑誌論文] Coordination Effects on the Electronic Structure of the CuA Site of Cytochrome c Oxidase (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Koizumi, Y. Shigeta, O. Okuyama, H. Nakamura, Y. Takano
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 531 ページ: 197-201
• [雑誌論文] Theoretical Insight into Stereoselective Reaction Mechanisms of 2, 4-Pentanediol-Tethered Ketene-Olefin [2+2] Cycloaddition (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, T. Matsui, T. Sugimura, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J Phys. Chem. A 巻: 116 ページ: 1168-1175
• [雑誌論文] Electronic Structures of the Cu_2S_2 Core of the CuA Site in Cytochrome c Oxidase and Nitronous Oxide Reductase (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Takano, Y. Shigeta, K. Koizumi, H. Nakamura
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 208-218
• [雑誌論文] Possible Mechanisms of Water Splitting Reaction Based on Proton and Electron Release Pathways Revealed for CaMn_4O_5 Cluster of PSII Refined to 1.9囗 X-Ray Resolution (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Saito, S. Yamanaka, K. Kanda, H. Isobe, Y. Takano, Y. Shigeta, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, M. Shoji, Y. Yoshioka, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 112 ページ: 253-276
• [雑誌論文] An Accurate Density Functional Theory Based Estimation of pKa Values of Polar Residues Combined with Experimental Data : From Amino Acids to Minimal Proteins (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, T. Baba, K. Kamiya, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys 巻: 14 ページ: 4181-4187
• [雑誌論文] First-principles Molecular Dynamics Studies on the Atomistic Behavior of His503 in Bovine Cytochrome c Oxidase (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1807 ページ: 1328-1335
• [雑誌論文] A Theoretical Study on Reaction Scheme of Silver (I) Containing 5-Substituted Uracils Bridge Formation (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, H. Miyachi, T. Baba, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J Phys. Chem. A 巻: 115 ページ: 8504-10
• [雑誌論文] Electron Conductivity in Modified Models of Artificial Meta-DNA Using Green's Function-Based Elastic Scattering Theory (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakanishi, T. Matsui, Y. Kitagawa, Y. Shigeta, T. Saito, Y. Kataoka, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. (Selected Article) 巻: 84 ページ: 366-375
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Studies on the Mutational Structures of a Nylon-6 Byproduct-Degrading Enzyme (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Baba, K. Kamiya, T. Matsui, N. Shibata, Y. Higuchi, T. Kobayashi, S. Negoro, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 507 ページ: 157-161
• [雑誌論文] A Simple Scheme for Estimating the pKa Values of 5-Substituted Uracils (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, A. Oshiyama, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 502 ページ: 4-6, 248-252
• [雑誌論文] Sequence-Dependent Proton-Transfer Reaction in Stacked GC Pair III : The Influence of Proton Transfer to Conductivity (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakanishi, T. Matsui, Y. Shigeta, Y. Kitagawa, T. Saito, Y. Kataoka, T. Kawakami, M. Okumura, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem 巻: 110 ページ: 2221-2230
• [雑誌論文] Energy Compensation Mechanism for Charge- Separated Protonation States in Aspartate- Histidine Amino Acid Residue Pairs (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, M. Boero, K. Shiraishi, A. Oshiyama, Y. Shigeta
  • 雑誌名: J Phys. Chem. B 巻: 114 ページ: 6567-6578
• [雑誌論文] Effects of Mercury (II) on Structural Properties, Electronic Structure and UV Absorption Spectra of Thymine-Mercury(II)-Thymine Nucleobase Pair Containing Duplex (2010)
  • 著者名/発表者名: H. Miyachi, T. Matsui, Y. Shigeta, K. Hirao
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys 巻: 12 ページ: 909-917
• [学会発表] 構造ゆらぎと化学反応に関する理論的研究 (2013)
  • 学会等名: 分子科学会奨励賞受賞講演
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130924-27
• [学会発表] Free Energy Analyses on Cluster Deformations by Cumulant Mechanics (2013)
  • 学会等名: 8th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics
  • 発表場所: Budapest, Hungary
  • 年月日: 20130825-31
• [学会発表] 第一原理計算に基づく反応解析 (2013)
  • 学会等名: 「宇宙生命計算科学連携拠点」ワークショップ
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 20130628-29
• [学会発表] 量子化学計算によるタンパク質の物性および機能評価 (2013)
  • 学会等名: 第13回蛋白質科学会, ワークショップ "蛋白質機能を化学的に理解するために"
  • 発表場所: とりぎん文化会館(鳥取)
  • 年月日: 20130612-14
• [学会発表] Theoretical Studies on Current-Voltage (I-V) Characteristics of Metal Containing Artificial DNA and Ni Complex Based Molecular Devices (2012)
  • 学会等名: 2012 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS)
  • 発表場所: Hapuna Beach Hotel, Hawaii, USA
  • 年月日: 20121202-07
• [学会発表] Design of Nylon Oligomer Hydrolase on the Basis of Simulations (2012)
  • 学会等名: BIT's 3rd Symposium on Enzymes & Biocatalysis 2012
  • 発表場所: Xian, China
  • 年月日: 20120425-28
• [学会発表] 第一原理計算に基づく反応解析 (2012)
  • 学会等名: 第4回神戸大学協定講座シンポジウム「計算生物学と材料科学の融合」
  • 発表場所: 神戸大学
  • 年月日: 2012-12-19
• [学会発表] First-principles Analysis on Proton Transport Pathways of Cytochrome c Oxidase (2012)
  • 学会等名: Asian International Symposium on Theoretical Chemistry 2012
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] First-principle Analyses on Reaction Mechanisms of Enzymes and Related Topics (2011)
  • 学会等名: International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering 2011
  • 発表場所: Halkidiki, Greece
  • 年月日: 20111002-07
• [学会発表] Classical and Quantal Cumulant Dynamics (2011)
  • 学会等名: 16th International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics
  • 発表場所: Ishikawa, Japan
  • 年月日: 20110911-17
• [学会発表] Classical Cumulant Dynamics (2011)
  • 学会等名: 7th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20110902-07
• [学会発表] Theoretical Study on Artificial and Mismatch DNA Bases (2010)
  • 学会等名: Symposium #5 Pacifichem 2010
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20101214-20
• [学会発表] Analyses of Bio-Molecular Reactions Based on First-Principles Calculations (2010)
  • 学会等名: Frontier in reaction path theory
  • 発表場所: 福井謙一記念研究センター・京都大学
  • 年月日: 2010-09-12
• [学会発表] 生体内化学反応解析の基礎 : 化学反応理解の為の古典・統計・量子力学
  • 学会等名: 分子研量子化学冬の学校
  • 発表場所: 分子科学研究所
  • 年月日: 00001216-17
• [学会発表] Quantum chemical studies for estimation of pKa and redox potential
  • 学会等名: World Congress on Petrochemistry and Chemical Engineering
  • 発表場所: San Antonio USA
  • 年月日: 00001117-19
• [学会発表] Theoretical Studies on Reaction Mechanism of An Enzyme Cleaving Unnatural Amide Compound
  • 学会等名: Symposium on Molecular Science and Synthesis of Functional Molecules for Next Generation
  • 発表場所: Hiroshima, Japan
  • 年月日: 00000310-11
• [図書] "Quantal Cumulant Mechanics as Extended Ehrenfest Theorem", Quantum Mechanics, Chap. 17 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 出版者: InTech open
• [図書] "Theoretical Studies on Metal-Containing Artificial DNA Bases", Advances in the Theory of Atomic and Molecular Systems, Conceptual and Computational Advances in Quantum Chemistry (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Matsui, H. Miyachi, Y. Shigeta
  • 総ページ数: 433-460
  • 出版者: InTech open