第一原理的な量子反応速度理論の開発とその酵素触媒反応への応用

第一性原理量子反应速率理论的发展及其在酶催化反应中的应用

基本信息

批准号：
17750013
负责人：
山本武志
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17750013/
关键词：
化学反応反応速度量子効果遷移状態理論経路積分酵素反応

项目摘要

本研究の目的は、(1)量子論に基づいた第一原理的な化学反応速度の計算法を開発すること、(2)それを汎用の分子動力学パッケージ(AMBER)に実装し、一般的な化学反応に適用するための土台を作ること、(3)作成した新しい反応速度モジュールを酵素触媒反応に適用し、その計算コストや信頼性を評価すること、の3点である。目的(1)については、これまで線形応答理論に基づいた量子論的な遷移状態理論を提案し、経路積分法で一般的な系に適用する方法を開発してきた。その方法(量子インスタントン法)を、気相中のベンチマーク反応、溶液中のプロトン移動反応などに適用し、現実的な計算コストで信頼性の高い反応速度を得られることを示した。今年度は、その計算で特に必要となる反応性フラックスの減衰時定数をより効率よく計算するための方法を開発した。この量は、従来は熱力学的評価子と呼ばれるものを用いて求めていたが、これを座標のスケーリングによって書き換えることで、ビリアル型の評価子に変換出来る事、またこれによって、経路積分における統計誤差を大きく減らすことが出来る事を示した。次に、目的(2)については、昨年度までに経路積分分子動力学(PIMD)のモジュールと、経験的原子価結合法(EVB)のモジュールを分子動力学パッケージAMBERに実装した。これはAMBER9として既に公開されている。今年度は、目的(1)で述べた反応速度計算のためのモジュールを新たに実装した。そこでは反応に関与する原子の質量を人工的にスケールすることで、自由エネルギー計算を必要とせずに、速度論的同位体効果を経路積分で求める方法などが含まれている。この方法はポテンシャル関数の調和近似を用いておらず、量子論的な遷移状態理論の枠内で厳密である。目的(3)については、上記で作成したモジュールを用いて、現在いくつかの酵素反応について計算中である。

这项研究的目的是（1）开发一种基于量子理论的化学反应率的第一原理方法，（2）以通用的分子动力学包（Amber）实施它们，并为将它们应用于通用化学反应而建立基础，（3）将新的反应速率应用于酶 - 催化反应的新反应速率，并评估计算性的成本和可靠性。关于目标（1），我们根据线性响应理论提出了基于量子理论的过渡状态理论，并开发了一种使用路径积分方法将其应用于通用系统的方法。该方法（量子插入方法）应用于气相中的基准反应，溶液中的质子转移反应等，并且已经证明可以通过逼真的计算成本获得可靠的反应速率。今年，我们开发了一种方法来更有效地计算反应性通量的衰减时间常数，这对于该计算特别必要。以前使用称为热力学评估元素获得此数量，但是通过缩放坐标来重写它，已经证明它可以转换为病毒型评估元素，并且可以大大减少路径积分中的统计误差。接下来，关于目的（2），截至去年，在分子动力包琥珀色中实现了路径积分分子动力学（PIMD）和经验价键合法（EVB）的模块。这已经出版为Amber9。今年，我们新实施了用于计算目标（1）中提到的反应率的模块。这包括使用路径积分来获取动力学效应的方法，通过人为地缩放反应中涉及的原子的质量而无需进行自由能计算。该方法不使用潜在功能的谐波近似，并且在过渡状态理论量子理论的框架内是严格的。关于目标（3），目前使用上面创建的模块来计算几种酶反应。