金属酵素における多核遷移金属中心の電子状態についての理論的研究

金属酶多核过渡金属中心电子态的理论研究

基本信息

批准号：
06J08762
负责人：
庄司光男
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

生体内の化学反応は酵素によって非常に高効率に触媒されている。中でも多段階の強い酸化還元反応に関わる多核金属酵素は、有用な触媒として現在非常に注目されている。しかしながら実験的手法では解明しきれていないのが現状である。また量子化学研究としても系が大きく、電子状態が複雑であるため非常に取り扱いにくい。本研究ではまず初めに高精度量子化学計算で多核金属中心の電子状態を解明することから始めた。ニトロゲナーゼは窒素をアンモニアに還元する酵素であり、活性中心や電子伝達部位(P-cluster)は特徴的な多核鉄硫黄クラスターで構成されている。前年度はP-clusterの無機化学的モデルクラスターの電荷状態、スピン構造を解析した。実験結果と直接比較する事が可能となったので、本年度は実際(native)のP-clusterに適用した。その結果、電荷状態がモデル錯体と非常に似ていることが始めて解明された。しかしながらスピン状態、分子構造についての未確定要素が多く、今後慎重に議論していく必要があることも分かった。これらの方法はbroken-symmetry(BS)レベルの計算であり、複雑な電子状態(混合原子価状態)は記述できない。そこで一般化スピン軌道法(GSO)に基づく第一原理計算を実行し、より小さな[3Fe-4S]クラスターでnon-collinear(NC)状態の電子状態を求めた。その結果BS状態よりもNC状態がエネルギー的に安定であることが示せた。活性中心だけでなくタンパク質環境を考察することが重要であるため、米国スクリプス研究所のD.A.Case教授の研究室に留学した。ここで分子動力学法(MD)について研究を行った。3ヶ月の比較的短い期間であったが、Amberの計算方法を1から学び、HiPIP([4Fe-4S」クラスター)におけるMDを実行することで、酸化還元電位やタンパク質の構造ゆらぎについて研究を進めた

体内化学反应通过酶非常有效地催化。其中，参与多阶段的多核金属酶目前吸引了很多关注作为有用的催化剂。但是，目前的情况是它尚未通过实验方法完全理解。此外，量子化学研究也很难处理，因为该系统很大并且电子状态很复杂。这项研究首先使用高精度量子化学计算首先阐明了多核金属中心的电子状态。氮酶是将氮降低至氨的酶，其活性中心和电子传输位点（p-Clusters）由独特的多核铁硫簇组成。在上一年，我们分析了p簇的无机化学模型簇的电荷状态和自旋结构。由于可以将结果与实验直接进行比较，因此今年我们将其应用于本地P群集。结果，首先揭示了电荷态与模型复合物的电荷状态非常相似。但是，还发现，关于旋转状态和分子结构有许多不确定的元素，并且将来需要进行仔细的讨论。这些方法是破碎的对称性（BS）级计算，并且无法描述复杂的电子状态（混合价状态）。因此，基于广义自旋轨道法（GSO）进行第一原理计算，以确定较小[3FE-4S]群集中非共线（NC）状态中的电子状态。结果表明，NC状态比BS状态更稳定。由于不仅要考虑活跃中心，而且考虑蛋白质环境很重要，所以我在D.A.教授的实验室学习了国外。美国斯克里普斯研究所的案例。在这里，我们对分子动力学（MD）进行了研究。尽管这是相对较短的3个月的时间，但我们学习了如何从头开始计算琥珀，并在HIPIP（[4FE-4S]簇）中进行了MD，并研究了蛋白质的氧化还原潜力和结构波动。