Symposia special lectures : Macromolecular Dynamics for Inhibitor Binding Study

원영도 한국생화학분자생물학회 (구 한국생화학회) 1992 추계학술대회집 Vol.- No.-

Non-unique Lennard-Jones Parameter Problem with a Monatomic Cation

원영도 대한화학회 2012 Bulletin of the Korean Chemical Society Vol.33 No.12

Binding Free Energy Simulations of the HIV-1 Protease and Hydroxyethylene Isostere Inhibitors

원영도,Won, Yeong Do Korean Chemical Society 2000 Bulletin of the Korean Chemical Society Vol.21 No.12

The free energy simulation technique is used to evaluate the relative binding affinity of a set of hydroxyethylene isostere inhibitors of the HIV-1 protease. The binding reactions and an alchemical mutation construct the thermodynamic cycle, which reduces the free energy difference of the binding interactions into that of the alchemical processes. In the alchemical process, a methyl group is mutated into a hydrogen atom. Albeit the change is a small perturbation to the inhibitor-protease complex, it results in 25 fold difference in the binding constants. The simulation reproduces the experimentally measured binding affinities within 2% of the free energy difference. The protonation state of the catalytic aspartic acid residues is also investigated through the free energy simulations.

Absolute Hydration Free Energies of Ions Under Periodic Boundary Conditions

원영도 대한화학회 2012 Bulletin of the Korean Chemical Society Vol.33 No.12

분자운동론에 의한 Met-enkephalin의 모의 가열냉각구조

원영도,주충열,최윤수 漢陽大學校 基礎科學硏究所 1995 基礎科學論文集 Vol.14 No.-

생명현상을 조절하는 신경전달체나 호르몬의 대부분은 수백개 정도의 원자를 포함하는 중간 크기의 분자이다. 생체내에서 이들 분자의 작용구조를 결정하는데 따르는 여러가지 어려움을 극복하기 위하여 이론적 접근방법인 모의 가열냉각실험이 시도되었다. 모의 가열냉각실험에서는 Monte Carlo법 또는 분자운동론법을 채택할수 있다. 본 연구에서 Met - enkephalin을 대상으로 분자운동론 모의 실험을 수행하여 이를 모의 가열냉각에 채택하는 것에 대한 실효성을 조사하였다. 분자운동론 모의실험결과 생성되는 궤적이 방대한 상태공간을 거치게 되므로 분자 형태 분류방법을 향상시킬 필요가 있다. Neurotransmitters and hormones are mid - size molecules of hundreds of atoms and control life phenomena. In order to overcome difficulties in determing the active conformation of these molecules in vivo, we have tried a simulated annealing procedure. One can employ either molecular dynamics or Monte Carlo technique for simulated annealing. We carried out molecular dynamics based annealing simulation with a molecular model of Met - enkephalin and evaluate the feasibility of using molecular dynamics simulation techniques in the simulated annealing procedure. We find that it is necessary to devise a refined classification for molecular conformations to deal with trajectories on the vast phase space.

고분자사슬의 접힘에 관한 분자운동론 모의실험

원영도,김응렬,고성환 漢陽大學校 基礎科學硏究所 1995 基礎科學論文集 Vol.14 No.-

고분자 사슬의 접힘과정을 분자 차원에서 이해하기 위하여 선형고분자 사슬의 분자모형을 구성하고 이에 대한 분자운동론 모의실험을 수행하였다. 사슬 골격의 모형으로 폴리에틸렌을 택하였고 소수성 잔기의 모형으로 벤젠고리를 잔기로 갖는 폴리스티렌을 선정하여 등온조건에서 접힘과정을 관찰하였다. 접힘과정의 진행상황을 이면각의 변화를 추적하여 분석하였고 에너지 분할 분석을 통하여 골격 및 잔기에 있는 원자들의 상호작용이 접힘에 미치는 영향을 조사하였다. 국부적인 접힘이 선행되고 이것이 전체적인 접힘으로 이어짐을 파악하였다. We have constructed molecular model of linear chain polymers and carried out. molecular dynamics simulations with it. Molecular detail of polymer chain folding processes at constant temperature is monitored through out the simulation. We set up a model for the backbone with polyethylene and select polystyrene as a model to study hydrophobic side chain interactions. Backbone dihedral angles are used to monitor the progress of chain folding. Energy component analyses are employed to investigate interactions among molecular moieties driving the folding process. We conclude that local folding dominates first and evolves into final folded structure.

안지오텐신Ⅱ 수용체의 분자 모형

元永道,李章鉉,金斗鎰 漢陽大學校 自然科學硏究所 1997 自然科學論文集 Vol.16 No.-

G-protein coupled receptor(GPCR)는 생체막에서 일어나는 신호 전이 과정에 관여하는 수용체이다. GPCR은 7개의 helix 다발로 구성되어 있는 데, bacteriorhodopsin의 helix 구조가 밝혀져 있다. Bacteriorhodopsin의 구조를 바탕으로 AngiotensinⅡ 수용체의 helix구조를 만들고 컴퓨터 모델링 기법을 적용하여 loop 구조를 구성하였다. 수소 결합 가능성과 수용액에 대한 노출 상태 등을 고려하여 적정 가능 아미노산의 수소화 상태를 결정하였다. HIS24와 HIS256을 제외한 모든 HIS는 Nδ에 수소를 위치시켰고, HIS24와 HIS256은 Nε에 수소를 위치시켰다. GLU91을 제외한 모든 GLU와 ASP는 carboxylate형태를 취하도록 하였고, GLU91의 OE2에 수소를 부가하였다. 이렇게 작성된 위상 구조에 대하여 최적화된 원자 좌표를 입력하여 분자 모형을 완성하였다. G-protein coupled receptors(GPCR) form a large superfamily of proteins that transduce signals across the cell membrane. GPCRs are composed of transmembrane seven helix bundles. Computer-aided model building techniques have been used to construct three-dimensional model structures. Based on the known bacteriorhodopsin template, A model of human angiotensinⅡtypeⅠreceptor has been constructed in this work. Loops are constructed independently and attached to the ends of the appropriate helices. Protonation state has been carefully determined for those titrable residues, histidine, glutamic acid and aspartic acid. Based on hydrogen bonding criteria, all neutral histidines are determined to have a hydrogen attached at the delta nitrogen, except HIS24 and HIS281. They have a hydrogen at the epsilon nitrogen. Solvent exposure criteria are employed to determinie GLU and ASP to be glutamate and aspartate nitrogen except GLU91, which is buried inside of the protein and shows high hydrogen bonding possibility to the ILE103 O atom near by. A hydrogen atom is placed at the OE2 atom of GLU91.

올리고 펩티드 분자의 나노초 분자 동력학 모의 실험

元永道 漢陽大學校 自然科學硏究所 1996 自然科學論文集 Vol.15 No.-

최근 들어 고성능 전산 기기의 처리 능력이 현저하게 향상되고 있으나, 슈퍼 컴퓨터를 이용하더라도 용액상 분자 계를 수 백 피코초 이상 모의 실험 하는 것은 어려운 작업이다. 이제까지 실행된 가장 긴 분자 동력학 궤적은 Brooks등이 한 변이 29Å인 물분자 상자에서 올리고 펩티드 YPGDV의 접힘과 풀림 과정을 2.2 ns 동안 모의 실험한 것이다. 본 연구에서는 용매를 효과적인 유전 매질로 처리하여 풀림 모의 실험을 되풀이하였다. 이 과정에서 물분자를 직접 도입했을 때 얻은 동력학 궤적을 재현할 수 있도록 매질의 유전 상수와 모의 실험 방식을 개발하였다. 무리 분석 방법을 응용하여 모의 실험에서 생성된 나노초 궤적을 분류하였다. 결과로 얻어진 모의 실험 기법은 수백 개의 원자로 구성된 비교적 커다란 분자 계의 밀리초 모의 실험에 적용될 수 있을 것이다. Even though computing power increases rapidly nowadays, the molecular dynamics simulation of an event in solution phase is limited to hundreds of picoseconds. The longest simulation of biomolecular events is the 2.2 ns folding and unfolding dynamics of the pentapeptide YPGDV in a 29 Å cubic water box by Brooks et al. The current research repeats the unfolding dynamics simulation with treating solvent waters by an effective dielectric continuum. The most epresentative dielectric medium(the effective dielectric constant and the simulation protocol) is established by qualitatively reproducing the trajectory obtained with the explicit water solvent. A clustering method is employed to analyze very“long” trajectories. The newly established molecular dynamics protocol with the effective dielectric medium makes it feasible to run millisecond dynamics trajectories of larger systems with hundreds of atoms.

Thermally Averaged One-Exciton Green's Function of a Generalized Vibronic Manifold

Won, Young Do 漢陽大學校 基礎科學硏究所 1994 基礎科學論文集 Vol.13 No.-

행렬연속분수전개식을 이용하여 다수의 에너지 준위로 구성된 전자계의 열적평균 1-엑시톤 그린함수 및 그에 따른 광학적 성질을 구하는 근사법을 유도하였다. 진동자유도와 전자자유도간의 1차적 선형 커플링을 직접적으로 포함하는 방식을 취하였다. 수렴된 basis set 계산결과와 비교하여, 연구된 모든 매개변수 영역에서 정확한 선모양을 그린함수로부터 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 이 근사법은 매우 복잡한 생체계의 광학적 성질(흡수, circular dichroism, 편광흡수스펙트럼 등)을 계산하는데 효과적으로 사용될 수 있도록 구현되었다. An approximate method for calculating the thermally averaged one-exciton Green's function(and hence the linear response optical lineshapes) of a multilevel excited electronic manifold is derived via a matrix continued fraction expansion. Linear coupling of the electronic levels to vibrational degrees of freedom is explicitly treated. Model calculations, compared with converged basis set results, show that the formalism gives correct spectral envelopes for all parameter regims studied. The resulting algorithm for the continued fraction expansion of the Green's function is straightforward to implement and computationally efficient enough to be applied to realistic simulations of optical properties (including absorption, circular dichroism and polarized light absorption spectra) of complicated biological systems.

All Hydrogen Molecular Model of the Ricin Toxin

Won,Youngdo 漢陽大學校 自然科學硏究所 1996 自然科學論文集 Vol.15 No.-

Ricin은 피마자 식물 Ricinus communis의 씨에서 추출된 독성 단백질이다. RTA는 267개의 아미노산으로 이루어진 N-glycosidase이고 RTB는 262개의 아미노산으로 구성되어 있는데 galactose에 결합하는 성질이 있다. 4개의 탄수화물과 결정수 123개를 포함하는 ricin해상도 2.5Å의 결정 구조가 보고되었다. 이를 이용하여 총 8904개의 원자로 이루어진ricin 복합체의 전 수소 분자 모형을 구성하였다. 이 모형에서 두 개의 pentasacharide를 B95와 B135 ASN에 각각 연결하였고, 두 개의 lactose를 각각 1α와 2γ에 위치시켰다. 수소 결합 가능성과 수용액에 대한 노출 상태 등을 고려하여 적정 가능 아미노산의 수소화 상태를 결정하였다. B251을 제외한 모든 HIS는 Nδ 에 수소를 위치시켰고, HIS251은 Nε 에 수소를 위치시켰다. A208을 제외한 모든 GLU와 ASP는 carboxylate형태를 취하도록 하였고, GLU208의 OE2에 수소를 부가하였다. 이렇게 작성된 위상 구조에 대하여 PDB2AAI의 중원자 좌표를 입력시키고, 수소의 위치를 CHARMM의 HBUILD기능을 사용하여 결정하였다. The cytotoxin ricin is a heterodimeric protein isolated from the seeds of the castor plant, Ricinus communis. The ricin toxin A-chain (RTA) is a N-glycosidase of 267 amino acid residues linked by a disulfide bond to the B chain (RTB). RTB is a lectin of 262 residues with binding affinity for galactosides. The three-dimensional structure of the protein including four carbohydrates and 123 crystal water molecules was refined to 2.5Å (PDB2AAI). We employed the structure to build the molecular model of 8904 atoms with treating all hydrogens explicitly. Two pentasaccharides are N-linked to the sidechains of ASN 95 and ASN 135 of RTB, respectively. Two lactose molecules are also placed at the subdomain 1α and 2γ, respectively. The CHARMM H-build facility was used to position hydrogen atoms in the PDB2AAI structure. Care must be taken in placing hydrogens on titratable residues (histidine, glutamic acid and aspartic acid). Based on hydrogen bonding criteria, all neutral histidines are determined to have a hydrogen attached at the delta nitrogen, except B251. B251 is assigned to be the epsilon hydrogen histidine. By examining the structure, we employ glutamate and aspartate residues except A208 GLU, which is buried inside of the protein and shows high hydrogen bonding possibility to GLN OE1 atom near by. A hydrogen atom is placed at the OE2 atom of A208 GLU.