• Proceeding of EDISON Challenge
• /
• 2015.03a
• /
• pp.91-98
• /
• 2015

Formamide의 중성가수분해 mechanism은 QM/MM (quantum mecahnics/molecular mechanics) molecular dynamics simulations 및 CPMD과 같은 방법으로 연구되어왔다. 본 연구에서는. Umbrella sampling을 이용한 QM/MM-MD simulation을 사용하여 4가지 반응의 free energy surface를 도출해냈다. 전체적으로, 가장 선호되는 메커니즘은 two step으로 구성된 water assisted stepwise mechanism이었으며 모든 mechanism은 ab-initio calculation과 QM/MM-MD simulation이 수행되었다. water assisted stepwise mechanism을 살펴보면, 첫 번째 step에서 formamide의 carbonyl group이 hydrate되면서 gem-diol intermediate를 형성한다. 다음 step에서, intermediate의 hydroxyl group으로부터 amino group으로 water-assisted proton transfer이 일어난다. 두 반응 모두에서 물이 proton transfer를 직접적으로 도와주는 것을 관찰할 수 있었다. 특히, ab-initio calculation과는 다르게 QM/MM-MD에서는 gem-diol intermediate가 안정화되는 것으로 solvent effect를 잘 보여준다.

• Proceeding of EDISON Challenge
• /
• 2014.03a
• /
• pp.347-358
• /
• 2014

본 논문에서는 양자 역학적 분자 동역학(Quantum Mechanical/Molecular Mechanical-Molecular Dynamics, QM/MM-MD)을 통해 수용액에 녹아 있는 Potassium Thiocyanate의 dynamics를 연구했다. Umbrella sampling technique을 활용하여 association/dissociation에 해당하는 Free energy surface를 구했다. 두 개의 Free energy minimum이 녹아 있는 두 이온의 center of mass 사이의 거리가 $4{\AA}$일 때와 $5{\sim}6{\AA}$ 부근일 때 나타났으며 $4{\AA}$일 때 더 안정 했다. 본 논문에서는 $4{\AA}$일 때를 Contact Ion Pair(CIP) $6{\AA}$일 때를 Dissociation Ion Pair(DlP)라고 칭했다. 이 minimum들이 무엇인 지를 밝혀 내기 위해 추가 연구를 수행하였다. Free energy 상에서 가장 안정 할 때(CIP) solute인 Potassium thiocyanate의 구조를 살펴 봤더니 Potassium ion은 Thiocyanate ion의 Sulfur보다 Nitrogen side를 선호하였다. 그 원인을 알아보기 위해 salvation shell의 구조를 Radial distribution function을 통해 살펴 봤더니 물 분자가 Nitrogen보다 Sulfur와 더 강한 상호작용을 하고 있었다. 그로 인해 Potassium ion이 Nitrogen을 선호한단 결과가 나온 것이다. 한편, 두 번째 minimum은 물 분자가 Potassium 이온과 Thiocyanate 이온 사이에 flexible하게 bridging을 하는 구조였다. 또한 단순 양자 계산을 통해서도 비슷한 구조를 얻을 수 있었다. 그러나 QM 계산은 0K에서 수행하는 것이기 때문에 엔트로피 효과가 없는 계산이지만 본 연구는 온도 300K로 실제 용매와 가깝게 수행함으로써 고정되어 있는 구조가 아니라 엔트로피와 엔탈피가 균형적으로 존재하는 실제 용액 속에서의 구조를 처음으로 보여주는 것이다.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
• /
• v.31 no.9
• /
• pp.2581-2587
• /
• 2010

Nitration of tyrosine and tryptophan residues is common in cells under nitrative stress. However, physiological consequences of protein nitration are not well characterized on a molecular level due to limited availability of the 3D structures of nitrated proteins. Molecular dynamics (MD) simulation can be an alternative tool to probe the structural perturbations induced by nitration. In this study we developed molecular mechanics parameters for 3-nitrotyrosine (NIY) and 6-nitrotryptophan (NIW) that are compatible with the AMBER-99 force field. Partial atomic charges were derived by using a multi-conformational restrained electrostatic potential (RESP) methodology that included the geometry optimized structures of both $\alpha$- and $\beta$-conformers of a capped tripeptide ACE-NIY-NME or ACE-NIW-NME. Force constants for bonds and angles were adopted from the generalized AMBER force field. Torsional force constants for the proper dihedral C-C-N-O and improper dihedral C-O-N-O of the nitro group in NIY were determined by fitting the torsional energy profiles obtained from quantum mechanical (QM) geometry optimization with those from molecular mechanical (MM) energy minimization. Force field parameters obtained for NIY were transferable to NIW so that they reproduced the QM torsional energy profiles of ACE-NIW-NME accurately. Moreover, the QM optimized structures of the tripeptides containing NIY and NIW were almost identical to the corresponding structures obtained from MM energy minimization, attesting the validity of the current parameter set. Molecular dynamics simulations of thioredoxin nitrated at the single tyrosine and tryptophan yielded well-behaved trajectories suggesting that the parameters are suitable for molecular dynamics simulations of a nitrated protein.

• Proceeding of EDISON Challenge
• /
• 2014.03a
• /
• pp.141-155
• /
• 2014

Peptide bond hydrolysis는 세포 내외의 생화학반응에 있어서 핵심이다. 하지만 amide Hydrolysis Mechanism은 아직 명확하게 규명되지 않았다. pH가 중성인 물에서의 비 촉매 가수분해가 발생하는 몇몇 실험적 증거가 있지만, 해당 반응 매커니즘은 4 가지(non-assisted concerted, non-assisted step-wise, assisted concerted, assisted step-wise)로 여전히 논란이 있다. 이번 연구에서는, Formamide의 가능한 Hydrolysis Mechanism을 자세히 연구해보고자 한다. 먼저, Ab-initio 계산을 통해 4가지 반응 메커니즘의 다시 한번 확인하고, quantum chemical calculations과 quantum mechanical molecular dynamic이 결합된 (QMMD) simulation을 통하여 water solvent에서의 반응 메커니즘의 에너지관계를 규명하였다. 결론적으로 아직 계산이 끝나지 않은 supported concerted mechanism을 제외한 모든 계산에서 non-supported, supported 두 system 모두에서 step-wise가 일어나기 쉬웠고, non-supported 보다 supported mechanism이 선호됨을 보였다. Intermediate인 amino-gem-diol의 수용액 상에서 안정화 또한 나타났다. 이는 Ab-initio 계산만 통해서는 정확하게 산출할 수 없는 엔트로피의 영향을 잘 보여준다.