Proteins are one of the principal components of living systems. The chemical properties and structures of proteins play a important role in the controlling the biological function of all enzymes, antibodies and hormone receptors. The building blocks for this proteins are α-amino acids. And α-amino acids are linked to one another by peptide bond. Proteins which are sequentially bonded by α-amino acids have regular three dimensional structure. The three dimensional conformation of proteins are deeply related to specify the biological activity. So the knowledge of the shape of proteins and of the physical force driving the unique conformation of proteins is important to understand the biological function of proteins.
The physical driving force to form the three dimensional structure is classified the covalent force between molecules and the noncovalent force induced by environments, generally hydrophobic force. Such noncovalent force to specify the hydration effect of proteins is individually characterized by the preference of the individual component of proteins, amino acids, to water molecules. So, the study about amino acid hydrations give us the informations of the degree and preference of interactions between proteins and water molecules.
Series of canonical ensemble Monte Carlo simulations are carried out at 298K to study the role of water-amino acid interactions in determining solvent water structure. Each simulation box is composed of 222 water molecules and one amino acid zwitterion such as Alanine(Ala), Tyrosine(Tyr), Serine(Ser), Asparagine (Asn) and Aspartate(Asp). Thermodynamic properties and some structural properties are obtained by ensemble averaging during the simulations. Special interests are focused on the analyses of radial distribution functions and four, five, six and seven-membered ring structures connected via hydrogen bonds of solvent water molecules surrounding each amino acids.
The hydrophilicity of an amino acid is found to be closely related to the characteristic of hydrogen bond distributions. Especially, the number of topological 6 and 7-membered ring structures increases as the hydrophilicity of an amino acid increases.
The experiments of renaturations of fully denatured ribonuclese were explained the relationship between amino acid sequence and the biologically active conformation. It seemed the amino acid sequence of protein is sufficient to determine the molecule's three dimensional structures just from a knowledge of their amino acid sequences. High Directional Monte Carlo (HDMC) method, as one of the theoretical approaches to predicted the three dimensional structure of proteins from just only amino acid sequence, was developed and was used to generate the native structure of small proteins.
So, high directional Monte Carlo sampling procedure is used to predict the low energy conformations of melittin, which is a toxic protein from honey bee venom with 26 amino acid residues. In this procedure, the shape of a potential energy hyper surface is estimated by computing covariance matrices periodically and those matrices are used to generate more important trial conformations of the molecule in Monte Carlo simulations. At the same time, we carry out the vibrational thermalization and simulated annealing successively so as to avoid the possible trapping into some local energy minima and make the molecule reach the correct final structure.
Several simulations which differ in the starting conformations of the molecule are performed so that we could verify the correct final results. And almost all of the important features in resultant structures are found to be coincident well with the previous results.
최근 컴퓨터 시뮬레이션은 간단한 입자들에서부터 거대한 생체 분자의 열역학적, 동력학적 성질을 연구하는 중요한 도구로서 이용 되어 왔다. 나아가서는 신물질의 창출과 신약 개발에 선행하는 기본적인 접근 방법으로 인식 하고 있다. 이러한 컴퓨터 모의 실험 방법은 크게 몬테 카를로 방법과 동력학적 접근 방법으로 대별되는데 몬테카를로 시뮬레이션을 두가지 경우에 적용하였다.
단백질은 생체의 기본 분자로서 이의 화학적, 구조적 성질은 효소및 호르몬등의 생물학적 기능을 조절하는데 중요한 역할을 한다. 단백질이 삼차구조를 형성 하는 물리적 힘은 직접적인 상호 작용에 의한 힘과 주변 환경에 의해 발상하는 간접적인 힘이 있다. 단백질과 주변환경과의 상호 작용을 모델링하기 위해 단백질의 구성 성분인 아미노산의 수화 현상을 표준 몬테카를로 모의 실험을 하였다. 그 결과, 아미노산의 열역학적, 구조적 성질은 아미노산의 친수성및 소수성과 밀접한 연관성을 보여 주었으며, 이는 단백질의 삼차구조에서 소수성뭉침 현상이 물의 구조적 성질로부터 어떻게 유도 되는가를 설명하였다.
또한, 단백질의 삼차구조는 아미노산의 배열에 대한 정보로부터 결정된다는 가설이 성립된 후, 단백질의 삼차구조를 예측코자 하는 많은 이론적 시도가 있었다. 그 일환으로 표준 몬테카를로 추출법의 효율성을 증대 시킨 고방향성 몬테카를로 방법이 제안 되어졌고, 이 방법을 멜리틴 단백질의 삼차 구조를 아미노산의 배열로부터 재현하는 연구를 수행하였다. 고방향성 몬테카를로 방법은 포텐셜 에너지 표면의 모양에 대한 정보를 공분산 행렬로 전환시킨 후 이 행렬의 기대치로부터 새로운 시도 구조에 대한 정보를 효율적으로 유추해내는 방법이다. 또한, 비결합 원자간의 충돌에 의해 파생된 에너지 장벽을 감소시키기 위해 결합에 의한 상호 작용을 주기적으로 완화 시켰다. 이러한 일련의 과정을 세가지 시작점에서 시도하였는데, 모든 모의 실험결과가 유용한 컴퓨터 시간내에서 실험적, 이론적 결과와 잘 일치됨을 확인하였다.
