ATP合成におけるタンパク質触媒機構の理論的研究

ATP合成中蛋白质催化机制的理论研究

基本信息

批准号：
11J05693
负责人：
森義治
金额：
$ 1.02万
依托单位：
Institute for Molecular Science (2012)Nagoya University (2011)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

ATP合成酵素における化学反応を理解することは生物学全体として重要なことである。この反応を理解するためには第一原理分子シミュレーションを実行する必要がある。そのような系に使用することができる拡張アンサンブル法を開発し分子系に適用する研究を行った。はじめに,量子力学的な方法を用いた分子動力学シミュレーションを実行することができるプログラムを採用した。そのプログラムに,新たに開発した拡張アンサンブル法である焼き戻しアンブレラサンプリング法を実装し,効率的なサンプリングを可能とした第一原理分子動力学シミュレーションプログラムを作成した。次に,われわれが作成したプログラムを用いて実際に効率のよいシミュレーションが実現できることを示すため,水中のマロンアルデヒドのプロトン移動反応において計算を試みた。つまり,拡張アンサンブル法を用いた第一原理分子動力学シミュレーションを実行することにより,水中のマロンアルデヒドにおける分子内プロトン移動反応に関する正確な反応自由エネルギー曲面を計算できることを示した。この研究では,特定の反応座標を効率よくサンプルできる拡張アンサンブル法,焼き戻しアンブレラサンプリング法,を使用した。このシミュレーションの結果,エネルギー障壁が高い遷移状態に関しても十分なサンプリングができ,化学反応における自由エネルギー曲面を正確に計算できることが分かった。また,この研究では実際に水分子を含んだシミュレーションを行ったことから,溶媒に関する解析を行うことにも成功した。この研究成果は,学術論文誌「Physical Review E」より出版された。第一原理シミュレーションを使用した生体系の化学反応を理解するための効率的な方法を示すことができた。この方法により,ATP合成酵素内の化学反応を理解することができると期待される。つまりATPと水分子の加水分解反応を分子シミュレーションにより理解することが可能となるだろう。

了解 ATP 合酶中的化学反应对于整个生物学非常重要。为了理解这个反应，有必要进行第一原理分子模拟。我们开发了一种可用于此类系统的扩展系综方法，并进行了研究以将其应用于分子系统。首先，采用了可以使用量子力学方法进行分子动力学模拟的程序。我们在程序中实施了新开发的扩展系综方法，即缓和伞采样方法，以创建能够实现高效采样的从头算分子动力学模拟程序。接下来，为了证明使用我们创建的程序实际上可以实现有效的模拟，我们尝试计算丙二醛在水中的质子转移反应。换句话说，结果表明，通过使用扩展系综方法进行第一原理分子动力学模拟，可以计算出水中丙二醛分子内质子转移反应的准确反应自由能面。在本研究中，我们使用了一种扩展的集成方法，即回火伞采样方法，可以有效地采样特定的反应坐标。该模拟的结果发现，即使是具有高能垒的过渡态也可以充分采样，并且可以准确计算化学反应中的自由能表面。此外，由于本研究实际上进行了包含水分子的模拟，因此我们也能够成功地进行有关溶剂的分析。该研究结果发表在学术期刊《Physical Review E》上。我们能够展示一种使用第一原理模拟来理解生物系统中化学反应的有效方法。预计这种方法将使我们能够了解 ATP 合酶内的化学反应。换句话说，通过分子模拟来了解ATP和水分子之间的水解反应将成为可能。