杉田理论生物化学研究室.pdf

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1、杉田理論生物化学研究室TheoreticalBiochemistryLaboratory准主任研究員杉田有治SUGITA,Yuji当研究室では，蛋白質、核酸、脂質分子などの生体高分子の構造を通してその機能をより詳しく理解することを目指す。具体的には、熱力学、統計力学、量子化学などを基礎に、計算機を用いた分子動力学計算や第一原理量子化学計算などを用いた生体高分子の機能解析を行う。現在進行中の研究テーマは、タンパク質折れ畳みと安定性、膜タンパク質による物質輸送機構などである。また、理論化学的手法の限界に挑戦し、次世代スーパ

2、ーコンピュータを有効に活用するために、新しい計算手法やモデルの開拓とそれらを含むプログラム開発も積極的に行う。1.計算化学の新しい手法の開発（1）蛋白質の構造サンプリング法の開発（宮下*1、依田*2、佐藤*3、杉田）蛋白質を含む生体高分子の自由エネルギー面には、無数の構造状態が存在する。しかし、従来の計算手法（分子動力学法、あるいは、MonteCarlo法）では、エネルギー極小状態の一つにトラップされてしまい、蛋白質の広い構造空間を十分に探索することができないという問題点があった。拡張アンサンブル法は、この問題を克服す

3、るために近年注目を集めている手法の一つである。この方法では、エネルギー空間を酔歩することにより、エネルギー極小状態に留まることを防ぐ。さらに、再重法と組み合わせることにより、任意の温度の熱力学量を1回の計算のみから求めることができる。我々は、これまで、レプリカ交換分子動力学法(REMD)を始めとする複数の拡張アンサンブル法を開発してきた。今後も、さらに大きな分子の効率的な構造探索を実現するために手法の開発を行う。（2）酵素反応を理解するためのQM/MM計算手法の開発（李*3、天能*2、杉田）生体内でおこる化学反応の多く

4、は、酵素の中で実現しており、その反応機構を知ることは分子生物学・生化学における中心的な課題の一つである。しかし、化学反応を計算するためには、もはや、古典力学に基づくシミュレーション技術では不可能であり、量子論的な効果を含んだ計算が必要である。しかし、第一原理量子化学に基づく計算は系に含まれる原子数の（少なくとも）4乗に比例して演算量が増加するため、蛋白質や溶媒をすべて含んだ系の第一原理計算は大変困難である。そこで、我々は、酵素の活性部位近傍のみを量子化学的に取り扱い、周囲は通常の分子力場を用いて計算するQM/MM計算法

5、を用いることにした。この手法の問題点は、量子力学的に取り扱う部分と分子力場を用いる部分との接続をどのように取り扱うかということであったが、Generalizedhybridorbital法を改善することによりこの問題を克服した。より精度の高い計算を高速に実現するためのアルゴリズムの改良を行うとともに、実際の酵素反応への適用を開始した。2.水溶性蛋白質および膜蛋白質の分子動力学計算（1）膜蛋白質の分子動力学計算（石谷*2、杉田）生体膜によって隔てられた細胞内外のイオンを含む物質の濃度は厳密に制御されており、その輸送はチャ

6、ネルやポンプ、トランスポーターなどの膜輸送蛋白質によって行われている。近年結晶構造解析により、重要な膜蛋白質の立体構造が次々に明らかになっており、脂質二重膜や溶媒も、露わに取り込んだ膜蛋白質の分子動力学計算が可能となった。我々は、筋小胞体膜中に存在し、ATP加水分解のエネルギーを用いて、細胞質中のカルシウムイオンを小胞体内腔へと輸送するカルシウムポンプの結晶構造を用いた分子動力学計算を実行し、イオン結合部位におけるプロトンの役割を解明した。今後も、様々な膜輸送蛋白質の分子動力学計算を実施することにより、実験だけからでは

7、得られない生化学的知見を得ることを目指す。（2）FoF1-ATPase、εサブドメインにおけるATP結合の影響（辻*4、宗行*2、杉田）FoF1-ATPaseは、生体内でエネルギー通貨として用いられるATPを電気化学ポテンシャルの差を利用して、ADPとPiから合成する膜蛋白質である。この膜蛋白質は、3つのαとβ、γ、δ、εサブユニットからなるが、本研究ではεサブユニットのATP結合の有無による構造変化を、分子動力学計算を用いて解析した。実験的には、X線結晶構造解析法とNMR（核磁気共鳴法）により、結晶中および溶液中の立

8、体構造が求まっており、ATP結合の前後で大きな構造変化をすることがすでに知られている。結晶構造解析で得られた立体構造を初期構造として用いた分子動力学計算を実行することにより、溶液中ではεサブユニット内の2つのドメイン間に大きな運動が生じていることが明らかになった。一方、ATPなしの状態で観測されるαドメインが伸びきった構造には、現