1E07 キラル構造変化と円二色性スペクトル：「キラサク」による研究

1E07
キラル構造変化と円二色性スペクトル：
「キラサク」による研究
（量子化学研究協会研究所）○宮原友夫, 中辻博
Chiral Structure and Circular Dichroism Spectra: ChiraSac Study
（QCRI）○Tomoo Miyahara, Hiroshi Nakatsuji
【序】円二色性(CD)スペクトルは、キラル分子を同定するだけでなく、柔軟なキラル分子の立体
配置を決定することができる。これは、一重結合の回転のような低エネルギー自由度や、水素結
合・スタッキング等の弱い相互作用に鋭敏に反映し、CD スペクトルが変化するためである。こ
の CD スペクトルが変化する理由を明らかにすることができれば、これまで以上に多くの情報を
CD スペクトルから得ることができる。SAC-CI 法[1-3]を用いて、実験 CD スペクトルと比較する
ことにより、分子情報を克明に解析し、予言することもできる[4]。そこで我々は、キラル分子の
CD スペクトルの持つ
分子情報の理論解析・予
測を目的として、
SAC-CI 法と Gaussian
中の有用な方法論を統
左巻き
右巻き
(a) Z-DNA (1DCG)
(b) B-DNA (9BNA)
5’
C
D
N
A
ZD-1
合したキラサクを構築
ZD-2
螺旋の CD スペクトル】
G
G
C
C
G
5’
T
A
T
BD-1
C
G
C
G
C
G
C
5’
C
5’
G BD-2
3’
(d) A-RNA (3JXQ)
3’
G
R
N
A
ZR-1
3’
G
C
G
G
C
C
C
G
G
C
5’
ZR-2
5’
C
5’
C
G
C
CD スペクトルは、溶液
中の生体分子の構造を
C
C
3’
A
(c) Z-RNA (1T4X)
している[5,6]。
【DNA と RNA の二重
G
3’
G
3’
G
G
G
C
C
G
3’
AR-2
C
G
G
3’
C
5’
AR-1
図 1. DNA と RNA の右巻き・左巻き構造と 4 量体モデル
調べるためによく使われている[7]。
DNA と RNA は両方とも右巻きと左巻
左巻き
Z-DNA
きの安定な二重螺旋構造が存在する
右巻き
B-DNA
DNA
(図 1)。DNA の CD スペクトルは、右
巻きと左巻きで正負逆の CD スペクト
ルが観測されるが、DNA と RNA でも
Exptl.
SAC-CI (ZD-1)
正負逆の CD スペクトルが観測される
（図 2,[8,9]）。すなわち DNA の左巻き
220
の CD スペクトルの特徴が、RNA の右
240
260
280
Wavelength (nm)
300
Z-RNA
Exptl.
SAC-CI (BD-1)
320
220
240
300
320
A-RNA
RNA
巻きの CD スペクトルの特徴と同じで
260
280
Wavelength (nm)
ある。DNA・RNA 中で核酸塩基同士
の相互作用は 2 種類存在するので、図
1 の X 線構造から各 2 個ずつ 4 量体モ
デル（4 個の核酸塩基を含む）の CD
スペクトルを、SAC-CI 法で D95(d)レ
Exptl.
SAC-CI (ZR-1)
220
240
260
280
Wavelength (nm)
300
Exptl.
SAC-CI (AR-1)
320
220
240
260
280
Wavelength (nm)
300
320
図 2. 4 量体モデルの SAC-CI CD スペクトル(赤)と実験 CD ス
ペクトル(黒[8,9])の比較（SAC-CI の結果を 0.5 eV シフトした）
ベルの基底関数を用いて計算した。
図 2 に示した 4 量体モデルの SAC-CI CD スペクトルは、DNA と RNA の螺旋構造を同定して
いる低エネルギー領域(295 nm)で、実験 CD スペクトルの特徴をよく再現している。
（求めた励起
状態の数が少ないため、高エネルギー(低波長)領域では、実験と一致していない。）RNA の CD ス
ペクトルの特徴が DNA と正反対である理由は、DNA では左巻きが強くスタックしているのに対
して、RNA では右巻きの A-RNA が強くスタックしているためである。すなわち DNA と RNA
の二重螺旋構造は、両方とも強いスタッキング相互作用により、295nm に強い負のピークが現れ
ることが明らかになった。
【ロドプシンの構造変化と CD スペクトル】QM/MM 法により構造最適化したロドプシンによる
CD スペクトルの計算は、実験スペクトルと必ずしも良く一致しなかった。これはレチナールが
ロドプシン中で構造変
化が起こりやすいため
φ0
(a)
+20
(b)
+20
φ1
で、実際にロドプシン中
+10
+10
Δε 0
Δε 0
のレチナールは光異性
化反応により φ0,φ1(図
3)が大きく変化している。
そこで、ロドプシンから
レチナールのみを取り
出して、φ0,φ1 のみを変
化させたときの CD スペ
クトルの変化を計算し
た。図 3 から φ0,φ1 の回
転により CD スペクトル
Exptl.
φ0 = −14.9
φ0 = −30.0
φ0 = −150.0
φ0 = −180.0
-10
-20
200
300
400
500
Wavelength (nm)
Exptl.
φ1 = −45.2
φ1 = −15.0
φ1 = +15.0
φ1 = +45.0
-10
-20
600
700
200
300
400
500
Wavelength (nm)
600
700
図 3. (a)シス―トランス異性化(φ0)、(b)6 員環の回転(φ1)による CD スペクトル
の変化（φ0=-14.9 と φ1=-45.2 は共にロドプシン中のレチナールの構造。レチ
ナールはオプシンにより約 1eV ほどシフトするので、SAC-CI の結果を 1eV シ
フトして実験と比較している。）
が大きく変化することが分かる。ロドプシンの最適化構造から取り出したレチナール(φ0=−14.9
または φ1=−45.2)の CD スペクトルはロドプシンの実験 CD スペクトルの特徴と一致した。
ロドプシンは活性中心である 11 シス-レチナールが、光異性化反応によってオールトランスー
レチナールへと構造変化（ロドプシン→バソロドプシン→メタロドプシン II）し、その CD スペ
クトルも観測されている[10,11]。φ0=−150.0 の CD スペクトルは、強い負のピークを持つバソロ
ドプシンの特徴と一致し、φ0=−180.0 の CD スペクトルは、正のピークを持つメタロドプシン II
の特徴と一致している。発表当日は、シス―トランス異性化や、オプシンが CD スペクトルに及
ぼす効果について考察する予定である。
【謝辞】本研究成果は、自然科学研究機構計算科学研究センターの利用により得られたものであ
り、深く感謝いたします。
【参考文献】[1] Nakatsuji, H.; Hirao, K.; J. Chem. Phys. 1978, 68, 2053, Nakatsuji, H.; Chem. Phys. Lett.1978, 59, 362.;
1979, 67, 329, 334; Bull. Chem. Soc. Jpn. 2005, 78, 1705. [2]. Ehara, M.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H.; Theory and
applications of Computational Chemistry, The First 40 Years, Elsevier Oxford, 2005; p1099. [3] SAC-CI homepage.
http://www.qcri.or.jp/sacci/ (16/12/2012). [4] Miyahara, T.;. Nakatsuji, H.; Sugiyama, H.; J. Phys. Chem. A 2013, 117, 42. [5]
Miyahara, T.;. Nakatsuji, H.; J. Phys. Chem. A 2013,117, 14065. [6] Miyahara, T.;. Nakatsuji, H.; Wada, T.; J. Phys. Chem. A
2014,118, (in press). [7] Beroya, N.; Nakanishi, K.; Woody, R. W. Circular Dichroism: Principles and Applications, 2nd ed,;
Wiley-VCH, New York, (2000). [8] Xu, Y.; Ikeda, R.; Sugiyama, H; J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13519. [9] Tashiro, R.;
Sugiyama, H.; J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2094. [10] Thomas, Y. G.; Szundi, I.; Lewis, J. W.; Kliger, D. S.; Biochemistry,
2009, 48, 12283. [11] Horiuchi, S.; Tokunaga, F.; Yoshizawa, T.; Biochimica et Biophysica Acta, 1980, 591, 445.

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