To investigate the behavior of water molecules in the catalytic sites of human ras p21 proteins, we have performed HDMC simulations on the hydrated ras p21 proteins of various forms; the normal ras complexed with GDP (normal-p21/GDP), the mutant ras complexed with GDP (mutant-p21/GDP), and the normal ras complexed with GTP (normal-p21/GTP). And also we have performed MMC on the normal-p21/GDP system. Comparison between HDMC and MMC shows the improved efficiency of HDMC on this complicated system. Interaction between water molecules is represented by the TIP3P potential function. The solute (protein or GDP/GTP)-water interaction is represented by the Coulomb and van der Waals interactions from CHARMM force field spliced with TIP3P. We have reported the mean square displacement, dipole correlation function, the distribution of small water clusters connected by the hydrogen-bonded circular network, and the average lengths and fluctuations of hydrogen bonds between water molecules and atoms of solute. Water molecules form different local structures in different types of the protein-GDP (GTP) complexes. The distribution of structural water in normal-p21/GDP is localized over narrow range compared with the other two systems. The mutant-p21/GDP system is less stabilized than the normal systems in energy or hydrogen bond. The relaxation of local hydrogen bond network of mutant system is faster than those of other systems. In GTP complex, we detected the water molecule to act as the attacking nucleophile in GTP hydrolysis and calculated the average hydrogen bond length and its fluctuation. This water molecule is stabilized and highly polarized by the hydrogen bond with protein atoms. We have carried out molecular dynamic simulations on water clusters of various sizes and temperatures. For a systematic study, we have constructed the clusters by successive addition of molecular layers around a 5-molecule cluster up to 183 molecules. The simulations have been also performed on the clusters of $D_2O$ in order to assess the effects of isotope substitution. The interactions between molecules have been represented by the ST2 potential function. The density profiles, local energies, self-diffusion coeffecients, internal energies, and surface energies of water clusters have been calculated. Orientational structuring near the cluster surface has been studied by angle distribution fuctions. The internal energies in the core regions of the clusters consisting of more than 100 molecules are nearly constant and roughly equal to that of the bulk phase. As the cluster size increases, the contribution of the surface to the properties of water clusters decreases and some properties approach those of the bulk water.
암과 관련된 것으로 알려진 ras 단백질에서 물분자 분포와 구조를 고찰하기 위하여 여러가지 형태의 ras 단백질을 수화시켜 HDMC 컴퓨터 모의실험을 수행하였다. 연구대상이 된 단백질은 GDP와 결합 된 정상 단백질과 돌연변이에 의해 변형된 단백질 그리고 GTP와 결합된 정상 단백질 등이다. GDP 혹은 GTP가 결합된 부위에 존재하는 단백질-물 간의 수소결합에 대해 평균 수소결합 길이와 편차를 계산하였다. 이로부터 GDP 가수분해 과정에서 중요한 역활을 하는 물분자와 주변 단백질 원자와의 안정한 수소결합이 이 분자를 분극화 시키고 있음을 알 수 있었다. 물-물 간의 수소결합에 의해 이루어진 집합체의 분포를 구하여 각 단백질-물 계에 대해 비교한 결과는 돌연변이에 의해 영향을 받은 물분자들이 많다는 것을 분명하게 보여주고 있다. 물집합체의 열역학적 성질을 분자 동력학 방법을 사용하여 크기에 따라 분석한 연구는 집합체의 크기에 따른 물리적 성질 변화 및 동위원소 효과에 대해 뚜렷한 경향을 보여주고 있다. 체계적인 연구를 위하여 일련의 집합체의 크기는 다섯 개로 이루어진 집합체에 분자한 층 씩 증가시켜 결정하였다. 열역학적 성질로서 밀도 분포와 에너지 분포 곡선, 내부에서의 확산계수, 내부에너지와 표면에너지 등을 계산하였고 표면에서의 물분자의 방향성을 알아보기 위해 각 분포함수를 이용하였다. 백 개 이상으로 이루어진 물집합체의 경우 중심부에 에너지가 일정한 영역이 존재하였다. 크기가 증가함에 따라 전체 집합체의 성질에 대한 표면의 영향력 내지 공헌도는 감소하고 몇 가지 경우에 그 값이 일반적인 물의 값에 접근하였다.
