Chapter 1.
Computer Simulation is useful tool investigating the physical properties of various molecular systems, including biomolecules, polymers, organic molecules, and materials, which are very difficult to approach by experiment. We will summarize the fundamentals on Molecular Dynamics and Monte Carlo Procedure, main part of the molecular simulation.
Chapter 2.
We have performed NPT molecular dynamics simulations (Langevin Piston Method) on two type of solvated proteins - "denaturation-unfavorable" protein (insulin) and "denaturation-favorable protein" (ribonuclease A) at high pressure (from 1 bar up to 20 kbar). The method is based on the extended system formalism introduced by Andersen, where the deterministic equations of motion for the piston degree of freedom are replaced by Langevin equation. We report the structural changes of proteins (ribonuclease A and insulin) and water molecules through radius of gyration, solvent accessible surface area, hydrogen bond pattern, and the topology of water clusters connected by the hydrogen bonded circular network. The solvent accessibility of ribonuclease A are mainly decreased by hydrophilic residues rather than hydrophobic residues under high pressure. From the results of hydrogen bond analysis, we have found that α-helix is more stable than β-sheet under high pressure. In addition, from the analysis of the water cluster, we have observed that for ribonuclease A, 5-membered ring structure is more favorable than 6-membered ring as higher pressure. However, for insulin, the ratio of 5 to 6-ring is constant over the pressure ranges, for which we have performed MD simulation. This indicates that the water structure around insulin does not change under high pressure
Chapter 3.
A new Monte Carlo sampling scheme, namely the Modified Valley Restrained Monte Carlo procedure, is used to obtain the global energy minimum conformations for polypeptides, such as Met-enkephalin and Melittin. For each peptide, we found close agreement with previous results from both theoretical and experimental studies. The simple idea to control the step size according to Valley Function, gives us good suggestions in searching the global energy minimum structures, and furthermore helps solve the multiple minima problem.
제1장
현재 컴퓨터 모의실험 (Computer Simulation)은 실험적으로 접근하기 어려운 다양한 물리적인 현상들을 탐구하기 위한 매우 유용한 방법론으로 각광을 받고 있다. 특히 거대분자들과 그 주위의 용매환경하에서의 구조적인 특징이나, 고분자 재료나 반도체 물질에 대한 물리적 현상들을 탐구하기 위하여 양자역학적인 방법과 병행하여 활발히 연구되고 있다. 본 장에서는 이러한 분자 모의 실험의 커다란 2가지 줄기라고 할 수 있는 분자동력학적 (Molecular Dynamics) 방법과 몬테 카를로 (Monte Carlo) 방법에 대해서 설명하고, 이들의 사용에 가장 중요한 요소라고 할 수 있는 반실험적인 분자 포텐셜 함수에 대하여 설명한다.
제2장
고압하에서 단백질의 3차원 구조의 변성은 열에 의한 변성과정과 상이한 특성을 가진다고 실험적으로 많이 알려져 왔다. 이러한 압력에 의하여 유도되어진 변성작용을 분자단위에서 이해하기 위하여 1에서 20kbar 까지의 고압하에서 분자동력학적 모의 실험을 진행하였다. 본 실험에서 우리는 분자수, 압력, 온도가 일정한 앙상블 (isothermal-isobaric ensemble)을 사용하였으며, 압력을 조절하는 방법으로 노제-후버 (Nose-Hoover)가 제안한 방법을 변형한 랑게빈 피스톤 방법 (Langevin Piston Method)을 사용하였고, 실험에 사용된 물질은 물환경하에서 변성이 상대적으로 빨리 일어나는 리보뉴클레아제 (Ribonuclease A) 와 고압에서도 안정한 구조를 가지는 인슐린 (Insulin) 단백질에 대하여 구조적인 특성을 조사하였다. 고압하에서의 리보뉴클레아제의 경우, 소수성보다는 친수성잔기들에서 주로 물접근성이 감소하였고, 수소결합은 알파 나선구조가 베타 병풍구조보다 안정하게 존재함을 알 수 있었으며, 주변의 물의 링구조에서는 5각형 구조가 6각형 구조보다 더 안정함을 알 수 있었다. 하지만, 나선구조만을 2차원적인 구조로 가지고 있는 인슐린의 경우에는, 고압하에서 주변 물구조의 변화 및 자체의 2차원적인 구조의 변화를 볼 수 없었다. 따라서 주변의 물환경이 단백질과 같은 고분자들의 압력에 따른 변성과정에서 중요한 변수가 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
제3장
이전에 제안된 통계적인 자료에 근거하여 복잡한 위치 에너지 함수의 공간적인 지형을 예측하고 이를 이용하여 추출 효용성을 증대시키는 몬테카를로 방법인 "골제한 몬테카를로 방법"을 개선한 "변형 골제한 몬테카를로 방법"을 제안한다. 골함수의 정보를 이용하여 "사전 선택 과정"을 거치는 이전 방법과는 달리 메트로폴리스 과정에서 이전에 구한 골함수로부터의 에너지 함수를 이용하여 무작위 움직 크기를 조절하는 방법을 취하였다. 골 함수는 3차원 구조가 알려진 단백질의 잔기들을 추출하여 구조적 자료를 얻은 후, 이 자료에 가장 많이 근사하는 함수로 정의할 수 있다. 추출 결과가 이 함수들과 공간적으로 근접한 상황에서는 에너지함수들의 우물들을 쉽게 넘나들고 결국에는 추출 효율성을 증대시킬 수 있도록 하기 위해 "무작위 움직 크기"를 골함수에 의존하여 조절한다. 본 방법을 이용하여, 다섯개의 아미노산으로 구성된 메트-엔케펠린 단백질과 26개로 이루어진 멜리틴에 적용한 결과, 기존 고전적인 몬테카를로 방법에 비하여 항상 낮은 에너지를 잘 찾아 다니며, 빠른 수렴 속도를 나타냄을 알 수 있었다.
