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

生物体中的化学反应由酶以极高的效率催化。其中，参与强多步氧化还原反应的多核金属酶作为有用的催化剂目前备受关注。但目前的情况是，还没有用实验方法完全阐明。此外，由于系统庞大且电子态复杂，处理量子化学研究极其困难。在这项研究中，我们首先使用高精度量子化学计算来阐明多核金属中心的电子态。固氮酶是一种将氮还原为氨的酶，其活性中心和电子传递位点（P簇）由特征性的多核铁硫簇组成。去年，我们分析了P团簇无机化学模型团簇的电荷态和自旋结构。今年，我们将其应用于实际的（原生）P 簇，因为可以直接将实验结果与实验结果进行比较。结果，首次揭示了电荷态与模型复合体的电荷态非常相似。但同时也发现关于自旋态和分子结构还有很多未定义的因素，有必要在以后仔细讨论。这些方法是破缺对称（BS）级别的计算，无法描述复杂的电子态（混合价态）。因此，我们基于广义自旋轨道法（GSO）进行第一性原理计算，以寻找较小的[3Fe-4S]团簇中的非共线（NC）电子态。结果表明，NC 态在能量上比 BS 态更稳定。因为不仅要考虑活性中心，蛋白质环境也很重要，所以我在美国斯克里普斯研究所D.A. Case教授的实验室学习。在这里，我们进行了分子动力学方法（MD）的研究。虽然是相对较短的3个月时间，但我从零开始学习了Amber的计算方法，并对HiPIP（[4Fe-4S''团簇）进行MD，以推进氧化还原电位和蛋白质结构波动的研究。