水素・プロトンまでを含む蛋白質原子モデルの量子化学計算による構築法の開発

使用量子化学计算开发包括氢和质子在内的蛋白质原子模型的构建方法

基本信息

批准号：
20K06503
负责人：
恒川直樹
金额：
$ 2.75万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の解析手法では可能性ある構造すべてに対して量子化学計算を実行することが必須である。量子化学計算は律速となる部分であるが、これまでB3LYP/6-31G(d)レベルの密度汎関数法(DFT)での水素・プロトン位置の最適化をまず最初に実行していた。この基底関数系の選択理由は6-31G(d)はDFTにおいて一般的であることと、よりプアーなSTO-3Gなどでは電子状態計算の収束がより困難であるという研究者個人の経験則である。本年度はこの経験則を確認して、より計算リソースが少なく迅速にかつ堅牢に計算が進められるよう、領域分割を行い異なる基底関数系を設定したDFT計算の有効性を確認した。具体的には、カルシウムポンプE2状態の膜領域イオン結合サイト近傍での２２の可能性ある水素・プロトンの位置のモデル（水素結合ネットワークモデル）について、STO-3Gと6-31G(d)の両者での最適化計算を実行した。その結果、6-31G(d)では全て収束したが、STO-3Gでは６個のモデルで電子状態計算が収束に至らなかった。別に２個のモデルでは構造最適化は収束の気配が無く断念した。勿論、パラメータなどの変更で収束の可能性は残るが、網羅的計算において致命的である。また、6-31G(d)では全て成功したことから、次のような推測した。STO-3Gでは水素結合ネットワークの違いに対して計算の堅牢性は揺らぎ、様々な水素結合の電子状態の再現に不十分であるが、6-31G(d)ならば十分である。そこで、水素結合に関わる領域は6-31G(d)で、その他はSTO-3GでDFT計算を実行してみた。その結果、全て電子状態計算は収束し、水素・プロトンの位置の最適化を実行することができた。かつ、計算時間はほぼ半分となった。基底関数の数も６割ほどに抑えられた。以上のことから、開発しているツールの有効性の改善が出来た。

这项研究中的分析技术要求对所有可能的结构进行量子化学计算。量子化学计算是限制速率的部分，但是到目前为止，首先使用B3LYP/6-31G（D）水平的密度功能方法（DFT）优化氢和质子位置。选择此基础功能系统的原因是DFT中有6-31g（d）很常见，研究人员更难将电子状态计算与较差的STO-3G收敛。今年，我们检查了这一经验法则，并确认了DFT计算的有效性，该计算涉及区域划分并设定不同的基础功能系统，因此计算可以通过更少的计算资源来更快，更稳定地进行。具体而言，对钙泵E2状态（氢键网络模型）中膜区域结合位点附近22个可能的氢/质子位置的模型进行了对Sto-3G和6-31G（D）的优化计算。结果，所有收敛性发生在6-31g（d），但在Sto-3G中，电子状态计算并未与六个模型收敛。此外，由于没有收敛迹象，因此放弃了两个模型的结构优化。当然，参数之类的变化仍然会留下融合的可能性，但这在综合计算中是致命的。此外，由于所有6-31G（D）都是成功的，因此我们推测如下：在STO-3G中，计算的鲁棒性对氢键网络的差异的差异是摇摇欲坠的，并且不足以复制各种氢键的电子状态，但是6-31G（D）足以。因此，我们使用6-31G（d）和其他区域进行了DFT计算，并进行了STO-3G。结果，所有电子状态计算均收敛，并且可以进行氢和质子的位置优化。此外，计算时间几乎是一半。基本函数的数量也减少到约60％。从上面，我们能够提高正在开发的工具的有效性。