[논문]계산화학적 방법을 통한 β-D-glucopyranose 구조 연구

양지현; 김진아; 이상민; 안익성; 민병진

doi:10.5012/jkcs.2013.57.5.554

초록
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본 연구에서는 ${\beta}$-D-glucopyranose 분자의 hydroxymethyl group의 두 torsion angle의 변화에 따른 포텐셜 에너지의 변화를 진공 상태와 implicit water 상태에서 연구하였으며 이를 통해 Solvation Energy가 구조에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. 계산에 사용한 프로그램은 AMBER package였으며, force field는 GLYCAM_06을 사용하였다. Solvation model은 Hawkins, Cramer, Truhlar 등이 제안한 generalized Born model을 사용하였다. 계산 결과, methyl hydroxyl group 내의 hydroxyl group이 고리구조의 hydroxyl group과 강한 수소결합이 가능한 영역에서 많은 변화가 일어났다. 이를 통해 solvation effect로 인해서 수소 결합의 중요성이 감소했다는 결론을 내렸다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have investigated potential energy of ${\beta}$-D-glucopyranose in vacuum and implicit water condition. By Comparing two conditions we find that how solvation energy influence ${\beta}$-D-glucopyranose structure. We use AMBER package program and GLYCAM_06 forc...

In this study, we have investigated potential energy of ${\beta}$-D-glucopyranose in vacuum and implicit water condition. By Comparing two conditions we find that how solvation energy influence ${\beta}$-D-glucopyranose structure. We use AMBER package program and GLYCAM_06 force field. Solvation model was used for the generalized Born model with Hawkins, Cramer, Truhlar has been proposed. We conclude that difference of contour map of two conditions is caused by solvation effect by reducing hydrogen bonding interaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 본 연구에서는 hydroxymethyl group의 ω, τ6 dihedral angle에 대한 Potential energy contour map을 작성함으로써 단순히 minimum 구조에 대해서 분석하는 것이 아니라 구조 변화과정에서의 solvation effect를 확인하고 β-D-glucopyranose가 진공 상태에서 수용액 상태로 바뀔 때에 potential enegy가 어떻게 변화하는지 살펴보고 그 이유에 대해서 논의하였다.
최근 십수년 동안 셀룰로오스의 비수용성의 원인을 규명하고자 하는 연구들이 진행되어 왔다. 이 연구들은 분자 수준의 수소 결합 네트워크와 소수성 상호작용을 셀룰로오스 비수용성의 원인으로 제시하고 있다.³⁻⁷셀룰로오스의 수소 결합 네트워크는 셀룰로오스 내 β-D-glucopyranose 단량체가 갖고 있는 hydorxymethyl group의 conformation에 의해 변화한다.

제안 방법

AMBER molecular dynamics package를 사용하여 vacuum 안에서와 implicit water 안에서의 ω, τ6 dihedral angle에 따른 Potential energy contour map을 작성하였다.
implicit water 상태에서도 τ1, τ2, τ3, τ4 dihedral angle이 180o 인 초기 구조를 가지고 minimization 하여 potential energy contour map을 작성하였다(Fig. 7 참조).
가장 안정할 것이라고 추측되는 (τ1, τ2, τ3, τ4 dihedral angle이 모두 180o 인 구조)에 대한 minimization을 수행한 결과를 사용하여 Potential Energy contour map을 작성한 것과, 앞선 Potential Energy contour map을 비교하였다.
위에서 언급한 바와 같이, 특정 ω와 τ6 (19×19=361가지 경우)에서 81개의 초기 minimum 구조에 대한 minimization 을 수행한 후 가장 낮은 에너지 값들을 추출하여 Potential Energy contour map을 작성하였다.
추후 연구에서는 potential energy 계산에서 나아가 엔트로피 계산 및 자유 에너지 계산을 수행할 예정이다. 이를 통해서 각 구조들의 population을 구하고 실제 NMR 분석 결과와 비교할 것이다.

이론/모형

)였다.¹⁶ Gridding method로는 minimum curvature method를 사용하였으며, Global minimum energy 값에 대한 potential energy 차이(∆E) (식 1 참조)를 계산하여 Potential Energy contour map을 작성하였다.
Amber molecular dynamics package (version 11) 프로그램을 사용하여 Minimization을 수행하였다.¹¹ Force field로는 GLYCAM_06 force field를 사용하였다.
0으로 두었다. Implicit water 상태의 minimization 에서는 implicit solvation model로서 Hawkins, Cramer, Truhlar 등이 제안한 generalized Born model을 사용하였다.¹³⁻¹⁵
Minimization method로는 Full conjugate gradient minimization method를 사용하였으며, τ6, ω dihedral angle을 고정시키기 위해서 두 dihedral angle에 대해서 1000 kcal/mol의 restraint weight를 주었다.

성능/효과

7 참조). In vacuum이나 in implicit water 모두에서, 81개의 초기 구조 대신 1개의 초기 구조에서 시작한 minimization으로 거의 같은 potential energy contour map을 얻을 수 있었다. 이는 OH group의 orientation이 구조 에너지에 미치는 영향이 크지 않다는 점을 보여준다.
진공 안에서는 tg conformation이 가장 안정한 구조였으나, solvation 상태에서는 gt conformation이 가장 안정한 구조로 나타났다. 둘째로 안정한 구조들 사이의 path가 달라졌다. 진공 상태에서는 tg form에서 gg form으로 직접 이동 하는 경로가 존재했지만 solvation 상태에서는 이 path가 사라져서 5 kcal/mol 이내에서는 tg form에서 gg form으로 이동하는 경로가 존재하지 않았다.
¹⁰ 그들은 연구를 통해서 glucopyranose가 진공상태에서는 tg 형태가 우세하지만 implicit water 상태에서는 solvation effect에 의해서 gg와 gt 형태가 우세하게 된다는 것을 밝혔다. 이러한 연구들의 결론은 solvation effect에 의해서 solvation 상태에서는 tg 형태가 상대적으로 불안정해진다는 것이다. 그 이유는 용매가 tg 형태의 안정성에 기여하는 수소 결합을 약화시키기 때문이다.
τ1, τ2, τ3, τ4 dihedral angle을 180^o로 설정한 초기 구조)만을 가지고 작성한 contour map을 비교했을 때 주목할만한 변화는 일어나지 않았다. 이를 통해서 ω, τ6 dihedral angle을 제외한 나머지 torsion angle은 minimum energy에 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다. 추후 연구에서는 potential energy 계산에서 나아가 엔트로피 계산 및 자유 에너지 계산을 수행할 예정이다.
첫째로, global minimum의 위치가 변화하였다. 진공 안에서는 tg conformation이 가장 안정한 구조였으나, solvation 상태에서는 gt conformation이 가장 안정한 구조로 나타났다. 둘째로 안정한 구조들 사이의 path가 달라졌다.
6를 비교했을 때 주목한 말한 차이점이 존재한다. 첫째로, global minimum의 위치가 변화하였다. 진공 안에서는 tg conformation이 가장 안정한 구조였으나, solvation 상태에서는 gt conformation이 가장 안정한 구조로 나타났다.

후속연구

이를 통해서 ω, τ6 dihedral angle을 제외한 나머지 torsion angle은 minimum energy에 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있었다. 추후 연구에서는 potential energy 계산에서 나아가 엔트로피 계산 및 자유 에너지 계산을 수행할 예정이다. 이를 통해서 각 구조들의 population을 구하고 실제 NMR 분석 결과와 비교할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셀룰로오스는 무엇인가?	이를 해결하기 위해 바이오매스 등의 대체에너지원에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 셀룰로오스는 자연에 존재하는 바이오매스 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는, β-D-glucopyranose를 단량체로 하는 선형고분자이다. 셀룰로오스를 대체 에너지원 및 석유 화학산업의 원료를 대체하는 물질로 전환시키기 위해 셀룰로오스의 당화 연구가 진행되어 왔다.
	셀룰로오스의 비수용성의 원인은 무엇인가?	최근 십수년 동안 셀룰로오스의 비수용성의 원인을 규명하고자 하는 연구들이 진행되어 왔다. 이 연구들은 분자 수준의 수소 결합 네트워크와 소수성 상호작용을 셀룰로오스 비수용성의 원인으로 제시하고 있다.3−7 셀룰로오스의 수소 결합 네트워크는 셀룰로오스 내 β-D-glucopyranose 단량체가 갖고 있는 hydorxymethyl group의 conformation에 의해 변화한다.
	화석연료 사용에 따른 이산화탄소 발생이 초래한 변화는 무엇인가?	지구온난화의 주범으로 화석연료 사용에 따른 이산화탄소 발생을 꼽고 있다. 이를 해결하기 위해 바이오매스 등의 대체에너지원에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 셀룰로오스는 자연에 존재하는 바이오매스 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는, β-D-glucopyranose를 단량체로 하는 선형고분자이다.

참고문헌 (16)

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Golden Software. Golden, Colorado. http://www.goldensoftware.com/.

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