量子論的第一原理計算に基づくチトクロム酸化酵素の構造変化と酸化・還元機能解明

基于量子第一性原理计算阐明细胞色素氧化酶的结构变化和氧化/还原功能

基本信息

批准号：
03J00316
负责人：
神谷克政
金额：
$ 1.73万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

ポストゲノム時代の課題の一つとして掲げられた立体構造に基づくタンパク質機能発現機構の解明には、実験・理論の相補的なアプローチが必須である。例えば、酵素反応の素過程の一つであるタンパク質内水素イオン移動に対し、これまでX線結晶解析等の実験的手法の結果から、その移動経路は水素結合から構成されると考えられてきた。一方、呼吸という基本的な生命現象の担い手の一つであるチトクロム酸化酵素の水素イオンポンプ機能において、移動経路上に共有結合の一つであるペプチド結合が含まれていることが示唆されている。水素イオン移動反応は時間的にも空間的にも局所的な現象であるため、その詳細な経路同定を実験的手法のみで遂行するのは困難である。そこで本研究では、原子・電子レベルの原子移動経路が同定可能な密度汎関数理論に基づく第一原理電子状態計算の手法を用い、ペプチド結合を介した水素イオン移動可能性を検討した。ケト形ペプチドグループ([-CONH-])の構造異性体であるエノール形ペプチドグループ([-C(OH)N-])を含むポリグリシンに対し、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を行った結果、エノール形はケト形より不安定であり、そのエノール形からケト形への互変異性化にはC-Nペプチド結合のシス-トランス異性化を伴うことが明らかになった。この反応における律速段階はペプチドグループ内のOからNへの水素移動であり、その遷移状態ではシス形ペプチドグループからなる4員環構造が実現することが明らかになった。この経路を解析した結果、シス-トランス異性化の機構はエノール形とケト形で本質的に異なることが明らかになった。

互补的实验和理论方法对于阐明基于三维结构的蛋白质功能表达的机制至关重要，这被提出是后属基因组时代的挑战之一。例如，人们认为，蛋白质中的氢离子的转移是酶反应的基本过程之一，由氢键由氢键组成，基于X射线晶体学等实验方法。另一方面，已经提出，细胞色素氧化酶的氢离子泵功能（基本呼吸的基本生命现象的行为之一）包含肽键，这是迁移路径上的共价键。氢离子转移反应在时间和空间上都是局部现象，因此很难仅使用实验方法进行详细的路径鉴定。因此，在这项研究中，我们使用基于密度功能理论的第一原理电子状态计算方法研究了通过肽键转移的可能性，该方法允许在原子/电子水平上鉴定原子转移路径。对含有烯醇形式肽组的多甘氨酸进行了基于密度功能理论的第一原理计算（[-c（oh）n-]），这是酮肽组的结构异构体（[-conh-]）的结构异构体，结果表明，烯醇形式比烯醇形式比不稳定的keto-form-和keto-form- keto-form- keto-form- keto-form构型，tautom-form form form formization and tautom-form formization and Tautomerformization涉及CI-trans的CI-N肽键异构化。已经揭示了该反应的限速步骤是肽组内从O到N的氢转移，并且在此过渡状态下，实现了由CIS形式形式的4元环结构。对该途径的分析表明，烯醇和酮形式之间顺式传播异构化的机理基本不同。