MolForma

題材7 ペプチド（ACE–Ala–His–Glu–NME）

アミノ酸の1文字配列から三残基のペプチドを作り、N末端をアセチル基（ACE）、C末端をN-メチルアミド（NME）でふさぎます。Hisのプロトン化状態（HIE・HID・HIP）とGluの荷電・中性を選び分けて全電荷の変化を確かめ、主鎖の二面角を変え、最後にCOSMO（水）の中でB3LYP/6-31G*の一点計算をします。

作るもの 内容
分子 ACE–Ala–His–Glu–NME C₁₇H₂₅N₆O₆（54原子・電荷 −1・一重項）。HisはHIE、Gluは荷電型
使う機能 「残基」ページの配列から構築・末端・側鎖状態、3D画面の配列、選択単位「残基」、選択残基を置換、主鎖・側鎖の二面角、周囲の環境（COSMO）
計算 B3LYP/6-31G*、一点エネルギー、COSMO（水）
計算時間の目安 約14分（MPI 8プロセス、「DFT積分を毎回再計算」オン）
計算環境 AMD Ryzen 7 2700X（8コア・16スレッド）、メモリ 32 GB、NWChem 7.3.1（Linux）
練習データ ace_ahe_nme.molforma.json

配列から作ったACE–Ala–His–Glu–NMEと3D画面の配列

1. 配列から作る

  1. 「ファイル → 新規」で空の分子にし、右側の「残基」ページを開きます。
  2. 「配列から構築」で「N → C 配列」に AHE（ALA-HIS-GLU でも可）を入れます。

  3. 「立体」を L、「側鎖状態」を「既定（中性pH）」、「N末端」を「ACE」、「C末端」を「NME」にします。既定の側鎖状態は、Asp・Gluが−1、Lys・Argが+1、HisがHIE（Nεにプロトン）です（欄にポインターを重ねると説明が出ます）。

    「残基」ページの「配列から構築」。N → C 配列に AHE、立体 L、側鎖状態「既定（中性pH）」、N末端 ACE、C末端 NME が入っている

    図1 「残基」ページの「配列から構築」に、配列と末端のキャップを入れたところ。

  4. 「配列から構築」を押します。候補が C17H25N6O6 · 54原子 · 電荷 −1 であることを確かめて「変更を確定」します。全電荷は、構築前の値（0）が形式電荷の合計（0）と一致していたので、Gluの−1に追従します。

    「配列から構築」の候補。琥珀色の帯に「変更候補: 配列から構築」と追加54原子、3D画面の上に配列 ACE 0 · ALA 1 · HIS 2 · GLU 3 · NME 4 が出ている

    図2 構築したペプチドは候補として表示されます。3D画面の上に配列が並びます。

    確定したACE–Ala–His–Glu–NME。C17H25N6O6 · 54原子 · 電荷 −1

    図3 確定したペプチド（C17H25N6O6 · 54原子 · 電荷 −1）。

3D画面の左上に「配列 N → C　ACE 0 · ALA 1 · HIS 2 · GLU 3 · NME 4」と出ます。残基名をクリックすると、その残基の原子を選びます。不斉炭素のラベルにはL-アミノ酸のCα の立体「(S)」が表示されます。

2. 側鎖の状態を変えて全電荷を見る

  1. 3D画面の配列の「HIS 2」をクリックするか、3D画面の上の「選択単位」を「残基」にしてHisの原子をクリックします。

    選択単位「残基」でHisを選んだところ。HIS 2の原子が橙の輪で強調されている

    図4 選択単位「残基」でHisの原子をクリックすると、残基全体が選ばれます。

  2. 部品パレットの分類「アミノ酸」で「ヒスチジン（HIP, +1）」をクリックし、「残基」ページの「選択残基を置換」を押します。主鎖（N・Cα・C・O）はそのままで、側鎖がHIPに置き換わった候補になります。

    「ヒスチジン（HIP, +1）」で「選択残基を置換」した候補。琥珀色の帯に「変更候補: 残基を置換」が出て、ステータスバーの電荷は0

    図5 「選択残基を置換」の候補。主鎖はそのままで、側鎖がHIPに置き換わります。

  3. 確定すると C17H26N6O6、全電荷は −1 から 0 に変わります（置換前の全電荷が形式電荷の合計と一致していたので追従します）。

    HIPへの置換を確定したところ。C17H26N6O6 · 55原子 · 電荷 0

    図6 確定すると、全電荷は −1 から 0 に変わります。

  4. 「ヒスチジン（HID）」で置換すると、分子式はHIEと同じで、プロトンの位置がNδに移ります。「グルタミン酸（中性）」でGluを置換すると、全電荷はさらに+1されます。

置換する状態はパレットで選んだアミノ酸（「ヒスチジン（HIP, +1）」など）で決まります。「残基」ページの「側鎖状態」は「配列から構築」で全残基に使う状態です。

3. 主鎖の二面角を変える

  1. 残基（例: ALA 1）を選び、「残基」ページの「主鎖・側鎖の二面角」で「二面角」を phi、「角度 / °」を −57 にして「二面角を適用」を押します。

    ALA 1を選び、「主鎖・側鎖の二面角」で二面角 phi、角度 −57 にして「二面角を適用」したところ

    図7 「残基」ページの「主鎖・側鎖の二面角」。二面角の種類と角度を選んで適用します。

  2. 同じ残基で psi を −47 にします。αヘリックスのφ・ψの値です。omega（ペプチド結合、通常180°）や側鎖のchi1〜chi5も同じ操作で変えられます。

N末端・C末端への残基の追加は、「残基」ページの「選択C末端へ残基を追加」「選択N末端へ残基を追加」、または分類「アミノ酸」の部品を選んだときに3D画面に出る緑の「＋ C」「＋ N」をクリックして行います。「アミノ酸の連続追加」をオンにすると、パレットでアミノ酸を選ぶたびに同じ端に伸ばします。

4. 計算条件を決める

  1. 「2 計算条件」の「基本設定」で、計算目的を「一点エネルギー」、手法を「DFT」（B3LYP）、基底関数を「6-31G*」にします。
  2. 「電荷・スピン」で全電荷 −1・多重度 1を確かめます。

  3. 左の一覧の「周囲の環境」で、溶媒モデルを「COSMO」、溶媒を「水」にします。電荷を持つペプチドは、気相より溶媒中のほうが現実に近い電子状態になります。

    「2 計算条件」の「周囲の環境」。溶媒モデル COSMO、溶媒 水が選ばれ、右に一点エネルギー・COSMO（水）の要約が出ている

    図8 「周囲の環境」で溶媒モデルをCOSMO、溶媒を水にしたところ。

  4. 左の一覧の「SCF・電子相関」の「詳細設定」で、「DFT積分を毎回再計算」をオンにします。50原子を超える分子では、NWChemが積分を作業ディレクトリに保存すると数GB〜十数GBになることがあります。オンにすると積分をディスクに保存せず、作業ディスクの容量不足で止まるのを防げます（練習データはオンで保存しています）。

5. 計算して結果を見る

「計算を実行」（F5）で計算します。「結果ビューア」の「概要」に計算のエネルギーと、ほかの結果としてCOSMOの溶媒和エネルギーが出ます。

結果ビューアの「概要」。計算のエネルギー −1442.96215935 Eh、HOMO–LUMOギャップ、ほかの結果にCOSMO溶媒和エネルギー（静電項）−96.48 kcal/mol

図9 「結果ビューア」の「概要」。「ほかの結果」にCOSMOの溶媒和エネルギーが出ます。

実行した結果

ACE–Ala–His(HIE)–Glu(−)–NME（54原子・全電荷 −1）の一点計算です。

項目 値
計算のエネルギー（COSMO・水） −1442.962159354 Eh
同じ構造の気相のエネルギー −1442.808414957 Eh
COSMO溶媒和エネルギー（静電項、溶液 − 気相） −96.48 kcal/mol

COSMOでは、NWChemは気相と溶媒中の2回のSCFを行います。溶媒和エネルギーの大部分は、Gluの側鎖のカルボキシラート（−1）が溶媒の誘電体に安定化される分です。電荷を持つ分子の双極子モーメントは原点の取り方で変わるので、比べる量には使いません。

うまくいかないとき

関連: 「1 分子」の右側のページ（残基）、題材8 残基の置換と鎖の編集。