Theozyme とは?

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コンピューターの大幅な進歩により、以前よりも高い計算レベルで、より大きな分子を計算できるようになってきましたが、酵素反応などの大規模系に量子化学計算を適応することは未だに困難です。今回は、大規模系の計算を楽にする方法を幾つか紹介します。

一般的な手法

酵素反応の計算には QM/MM 法などを用いることが一般的ですが、MM 部分の精度には疑問が残ります。また、どの部分までを QM にするかも悩ましいことところです。
QM/MM よりも自由度の高いものに ONIOM があります。ONIOM 法では分子を 2 つまたは 3 つの層に分割して計算します。その組み合わせは、QM/QM/MM でも良いですし、QM/MM/MM でも良いです。B3LYP/AM1 なんて組み合わせも可能です。ONIOM では、基質は QM、活性部位のアミノ酸残基は 少しレベルの低い QM、酵素の他の部分は MM という形が多い気がします。
しかし、QM 部分を増やすと計算速度が上がってしまいます。

Theozyme

なるべく高い精度で、簡単に酵素反応を計算する方法の一つに Theozyme というものがあります。
Theozyme は Theoretical Enzyme の略称です。compuzyme とも呼ばれます。
酵素活性部位内にて基質と相互作用しているアミノ酸残基のみを取り出し、基質の周りに配置して計算する手法です。この手法では、(i)すべてを QM で計算できる (ii)反応に関与しない酵素の外側部分を計算する必要がない、などのメリットがあります。

具体的な手順としては、酵素を考慮せずに求めた遷移状態構造の周りに酵素の活性アミノ酸残基を配置して再度構造最適化を行います。

下に概念図を示しておきます。

theozyme_fig

しかし、コンピューターがより進歩し、計算速度が大幅に向上すればこのような手法は不必要になると考えています。

参考文献

“Theozymes and compuzymes: theoretical models for biological catalysis”
Dean J Tantillo, Jiangang Chen and Kendall N Houk
Current Opinion in Chemical Biology
Volume 2, Issue 6, 1998, Pages 743-750. DOI:10.1016/S1367-5931(98)80112-9

Theozyme の解説ページ

“Catalysis on the Coastline: Theozyme, Molecular Dynamics, and Free Energy Perturbation Analysis of Antibody 21D8 Catalysis of the Decarboxylation of 5-Nitro-3-Carboxybenzisoxazole,”
J. Comp. Chem. 2002, 24, 98-110. DOI: 10.1002/jcc.10151
Ujaque, G.; Tantillo, D. J.; Hu, Y.; Houk, K. N.; Hotta, K.; Hilvert, D.

“Nonclassical Carbocations as C-H Hydrogen Bond Donors”
J. Phys. Chem. A 2006, 110, 4810-481:
Bojin, M. D.; Tantillo, D. J.

“How an Enzyme Might Accelerate an Intramolecular Diels-Alder Reaction – Theozymes for the Formation of Salvileucalin B”
Org. Lett. 2010, 12, 1164-1167:
Tantillo, D. J.

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