[논문]양자화학적 계산에 의한 올리고펩티드 수화물의 구조분석

심재호

doi:10.5762/kais.2018.19.7.95

양자화학적 계산에 의한 올리고펩티드 수화물의 구조분석
Conformational Analyses for Hydrated Oligopeptides by Quantum Chemical Calculation 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.7, 2018년, pp.95 - 104

초록
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이성질체의 형태는 수용액 상태에서 종종 안정성과 반응성 등의 기본상태 뿐만 아니라 사슬성장 및 접힘 과정으로 인하여 형태형성에 영향을 주기 때문에 올리고펩티드의 형태를 이해하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 L-알라닌(LA), 글리신(G) 5량체 모델의 무수 및 수화물(수화율; h/1) 상태의 구조와 에너지를 4가지 형태이성질체 (베타-확장형;= t-/t+, $PP_{II}$형; g-/t+, $PP_{II}$-유사형; g-/g+ 및 알파-나선형; g-/g-)에 대하여 B3LYP/6-31G(d,p)를 이용하여 양자화학계산(QCC) 방법으로 분석하였다. 구조최적화는 밀도함수 이론(DFT)으로써 B3LYP를 사용하였으며, 기본설정(Basic set)으로는 6-31G(d,p)를 이용하였다. 이미노 양성자(NH)를 갖는 LA와 G에서 베타-확장형, $PP_{II}$-유사형, 알파-나선형의 3가지 형태가 얻어졌으며, 대부분 물 분자가 $PP_{II}$-유사형과 알파-나선형에서는 CO-HN 분자 내 수소결합 사이에 주로 삽입되었고, 베타-확장형은 CO기에 부착되었다. 또한, LA와 G에서 $PP_{II}$-유사형 형태이성질체가 무수 및 수화물 상태에서 가장 안정적이었으며, $PP_{II}$ 형태이성질체는 얻어지지 않았다. LA에 대한 결과는 알라닌 올리고펩티드의 안정적인 형태가 주로 $PP_{II}$라고 보고한 다른 연구의 실험적 및 이론적인 결과와는 상이했다. 올리고펩티드 형태이성질체의 생성패턴과 안정성이 CO-HN의 분자 내 수소결합의 존재 여부 또는 출발 아미노산 내 $NH_2$기의 존재 여부에 강한 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structures and energies of the anhydrate and hydrate (hydrate rate: h of 1) states of L-alanine (LA) and glycine (G) were calculated by quantum chemical calculations (QCCs) using B3LYP/6-31G(d,p) for four types of conformers (${\beta}$-extended: ${\Phi}/{\Psi}=t-/t+$, $PP_{II}$: g-/t+, $PP_{II}$-like: g-/g+, and ${\alpha}$-helix: g-/g-). In LA and G, which have an imino proton (NH), three conformation types of ${\beta}$-extended, $PP_{II}$-like, and ${\alpha}$-helix were obtained, and water molecules were inserted mainly between the intra-molecular hydrogen bond of $CO{\cdots}HN$ in $PP_{II}$-like and ${\alpha}$-helix, and attached to the CO group in ${\beta}$-extended. In LA and G, $PP_{II}$-like conformers were most stable in the anhydrate and hydrate states, and the result for LA was different from some experimental and theoretical results from other studies reporting that the main stable conformation of alanine oligopeptide was $PP_{II}$. The formation pattern and stability of the conformation of the oligopeptide was strongly dominated by the presence/absence of intra-molecular hydrogen bonding of $CO{\cdots}HN$, or the presence/absence of an $NH_2$ group in the starting amino acid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LA의 형태이성질체의 안정성을 비교하기 위해 LA 및 LA와 같은 펩티드기 사이에 분자 내수소결합을 갖는 글리신 5량체(G)의 수화물 및 무수물에 대하여 QCC에 의한 형태분석을 수행하였다.

제안 방법

무수 및 수화된 올리고펩티드 모델인 L-알라닌(LA) 및 글리신(G) 5량체에 대한 구조 분석을 QCC로 수행하였다.
물 분자 0개(무수물) 및 6개(수화물)를 갖는 상기 2종류의 5량체에 대하여 밀도함수이론을 이용한 구조 최적화를 통해 구조와 에너지를 조사하였고, 펩티드기 사이의 수소결합과 물 분자에 대하여도 논의하였다.
수화물 모델은 기본적으로 펩티드기(CONH) 내 산소원자 주변에 물 분자를 위치시켜 각 무수물 모델에 최적화된 구조를 이용해 만들었다.
이미노 양성자(NH)를 갖는 글리신 5량체(G)에 대해 L-알라닌 5량체(LA)와 같이 동일한 방법을 이용하여 QCC 분석을 수행하였다.

대상 데이터

양자화학적 계산의 무수물 모델로써는 LA 및 G의 5량체 모델의 4종류의 형태 (β-확장형: φn/ψn = t-/t+, PP_II형: g-/t+, PP_II-유사형: g-/g+, α-나선형: g-/g-)를 사용하였다. φn/ψn은 CN-CαC/NCα-CN 결합마다 반복되는 2면각(τn)의 결합을 나타내고, 그 형태는 IUPAC 규칙[8]에 따라 trans(t±)의 τn이 ±120°에서 ± 180°, gauche(g±)의 τn은 ±0°에서 ±120°로 하였다.

이론/모형

QCC를 통해 각 모델에 대한 구조최적화 분석은 “Gaussian 03W”(Gaussian Inc.) 소프트웨어[9]를 이용하였다. 구조최적화는 밀도함수이론(DFT)으로써 B3LYP를 사용하였으며, 기본설정(Basic set)으로는 6-31G(d,p)를 이용하였다.
) 소프트웨어[9]를 이용하였다. 구조최적화는 밀도함수이론(DFT)으로써 B3LYP를 사용하였으며, 기본설정(Basic set)으로는 6-31G(d,p)를 이용하였다. 최적화된 구조에 대한 에너지(E: HF, 1 Hartree = 627.

성능/효과

무수물 및 수화된 G에 대해 얻어진 결과는, 근본적으로 PP_II 형태이성질체가 없는 점, 수소결합 패턴, 가장 안정한 형태이성질체가 PP_II 유사형 형태이성질체라는 점에서 LA와 같았다. 이와 같은 LA와 G의 유사점은 곁사슬 구조 [-CαH(CH₃) 또는 -CH₂]에 상관없이 이미노 양성자(NH)를 갖는 화학 구조의 유사점으로 인한 분자 내수소결합 형성의 결과이다.
올리고펩티드 형태이성질체의 생성 패턴과 안정성이 CO···HN의 분자 내 수소결합의 존재여부 또는 시작 아미노산 내 NH₂기의 존재 여부에 크게 영향을 받는다는 것을 발견하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	올리고펩티드의 형태를 이해하는 것이 중요한 이유는?	이성질체의 형태는 수용액 상태에서 종종 안정성과 반응성 등의 기본상태 뿐만 아니라 사슬성장 및 접힘 과정으로 인하여 형태형성에 영향을 주기 때문에 올리고펩티드의 형태를 이해하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 L-알라닌(LA), 글리신(G) 5량체 모델의 무수 및 수화물(수화율; h/1) 상태의 구조와 에너지를 4가지 형태이성질체 (베타-확장형;= t-/t+, $PP_{II}$형; g-/t+, $PP_{II}$-유사형; g-/g+ 및 알파-나선형; g-/g-)에 대하여 B3LYP/6-31G(d,p)를 이용하여 양자화학계산(QCC) 방법으로 분석하였다.
	이성질체의 형태가 수용액 상태에서 미치는 영향은?	예를 들어, Shi et al.[1]은 이성질체의 형태는 수용액 상태에서 종종 안정성과 반응성 등의 기본상태 뿐만 아니라, 사슬성장 및 접힘 과정으로 인하여 형태형성에 영향을 주며, 1H-NMR 로부터 알라닌 7량체가 지배적으로 폴리프롤린II 나선형 형태를 가진다는 것을 보고하였다. 또한, Eker et al.
	수화물 모델을 이용하여 만든 각 무수물 모델에 최적화된 구조를 이용해 수화율을 어떻게 정의하였는가?	CONH의 O와 H2O의 H간 비 부착 길이인 dO-H를 1.5Å로 설정하였으며, 수화율(h)은 H2O/CONH로 정의하였다.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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