反応中心自動更新法の開発と酵素反応への応用

自动反应中心更新方法的开发及其在酶促反应中的应用

基本信息

批准号：
21K04974
负责人：
鈴木机倫
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

酵素反応の高い基質特異性の起源を原子・分子レベルで解明するために、今年度は①基質-タンパク質の結合過程解析手法をIr置換P450変異体酵素へ応用、②原子核の量子性を考慮したラジカル反応解析へ応用した。①は、基質がタンパク質内部の反応中心へ至る結合過程経路を網羅探索することが可能となった。基質の配向や初期位置が異なることによって反応中心へ至る経路中のエネルギー障壁に差が生じることがわかった。従来のドッキングシミュレーションでは基質がタンパク質の反応中心に結合した構造のみを与えるが、本研究によって基質が反応中心に至る最適な経路を算出することが可能となった。②は数原子系の反応経路網羅探索を実施した。これまでに分子内反応における水素原子核の量子性の重要性が議論されてきたが、本検討によって分子間反応における原子核の重要性が示唆された。特に、水素原子がローミングする場合には核の量子性は小さく古典的に扱った場合と同様の結果が得られた。一方で、1-2シフトや協奏的に水素原子が結合の組み替えに関わる場合に、原子核の量子性の重要性が見られ、3~5 kcal mol-1程度反応障壁が低くなることがわかった。また、　原子核の量子性を考慮した酵素反応機構解析を行うためにマルチスケールシミュレーション法であるQM/MMプログラムの開発を実施した。QM領域およびMM領域を階層的に並列化(ノード内とノード間並列)させることによって高速に反応経路探索が実行できることを確認できた。

为了在原子和分子水平上阐明酶反应的高底物特异性的起源，今年我们将（1）将底物-蛋白质结合过程分析方法应用于Ir取代的P450突变酶，以及（2）考虑到原子核的量子性质。对于①，可以全面搜索蛋白质内部从底物到反应中心的结合过程路径。研究发现，基板的方向和初始位置的差异会导致沿反应中心路径的能量势垒的差异。传统的对接模拟仅给出底物与蛋白质反应中心结合的结构，但这项研究使得计算底物到达反应中心的最佳路径成为可能。对于②，我们对几个原子系统的反应路径进行了全面的搜索。到目前为止，我们已经讨论了氢原子核的量子性质在分子内反应中的重要性，但这项研究表明了原子核在分子间反应中的重要性。特别是，当氢原子漫游时，原子核的量子性质很小，并且获得与经典处理时获得的结果相似的结果。另一方面，当氢原子以1-2位移或协同方式参与键重排时，原子核的量子性质被认为很重要，并且发现反应势垒降低了约3至 5 kcal mol-1 。此外，我们开发了 QM/MM 程序，这是一种多尺度模拟方法，用于分析考虑原子核量子性质的酶反应机制。我们确认，通过分层并行 QM 区域和 MM 区域（节点内和节点间并行），可以高速执行反应路径搜索。