酵素反応の動的機構を高速にシミュレーションする手法開発とプロトン転移反応への応用

快速模拟酶反应动力学机制的方法开发及其在质子转移反应中的应用

基本信息

批准号：
20J13772
负责人：
山田真行
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度までに開発したFMO-QM/MM-Flooding MDの酵素反応への適用として、催涙因子合成酵素LFS (Lachrymatory Factor Syntase) によって触媒される PSA→PTSO 反応へ本手法を適用した。この酵素反応はPSAのOH基のH原子が隣接するGLU88のO原子を経由し、PSAのC2原子と結合することでPTSOとなる。この反応のQM領域は60原子以上となるため、本手法がターゲットとする反応の一つである。PSAがポケット内でsyn,antiそれぞれのコンフォメーションを取っている場合について本手法を適用し、floodingポテンシャルをかけたところ、synのみで反応が進む様子が見られた。これは反応の前半部分となるPSAからGLU88へのプロトン移動に対応し、先行研究の結果と一致していた。一方、antiから開始するとsynへと構造変化する様子が見られた。反応開始にはポケット内でanti→synの遷移が必要なため、これは反応の前段階の構造変化に対しても本手法が有効であることを示している。synから開始して得られた構造に対する新たなfloodingポテンシャルを追加したところ、反応後半に対応するGLU88からPTSOへのプロトン移動が見られた。これにより、反応座標の事前知識なしに反応を再現できることを確認できた。また得られた反応経路に沿ったエネルギー解析を行ったところ、先行研究で報告されているエネルギー障壁と近い値が得られた。さらに計算コストを従来のQM法と、HFおよびB3LYPで比較した。レベルの低い基底関数ではオーバーヘッドの関係で従来のQM法の方がコストが低かったが、6-31G(d)以上では本手法がQM法のコストを下回った。そのため本研究で対象としたサイズ以上の計算量を要求する酵素反応においては、本手法が計算コストの面で有用であると言える。

该方法应用于由催泪剂语法酶LFS（Lachrymatory因子语法酶）催化的PSA→PTSO反应，作为FMO-QM/MM-FLOODING MD的酶促反应的应用，直到上一年。当PSA OH组的H原子穿过与之相邻的GLU88的O原子并键与PSA的C2原子键时，这种酶反应会导致PTSO。由于该反应的QM区域为60个原子或更多，因此是该方法靶向的反应之一。该方法应用于PSA在口袋中具有SYN和ANTI构象的情况，并且在应用洪水电位时，可以发现反应仅随Syn进行。这对应于反应的前半部分，即质子从PSA到GLU88的转移，并且与先前的研究结果一致。另一方面，从反抗开始时，可以看到结构变为同步。由于口袋中需要抗Syn转变才能开始反应，因此这表明该技术在反应的前阶段对结构变化有效。当将新的洪水势添加到SYN从SYN获得的结构中添加时，在反应的后半部分观察到了从GLU88到PTSO的质子转移。这证实了反应可以在没有反应坐标的情况下再现。此外，沿获得的反应路径进行了能量分析，并且值与先前研究中报道的值相似。此外，将计算成本与常规QM方法以及HF和B3LYP进行了比较。对于低级基础函数，由于开销，常规QM方法的成本较低，但在6-31g（d）或更高时，此方法低于QM方法的成本。因此，可以说，此方法在酶促反应中需要大小或大于本研究中的靶向大小的酶促反应的计算成本有用。