14강 / 20강

상자 짓기 — 물·이온·힘장

「SPC/E water model and AMBER99SB-ILDN protein force-field … 3 Cl atoms were added」

MD 를 시작하려면 계(system)를 만들어야 합니다. 논문이 만든 계는 이렇습니다 —

정육면체 물 상자 가운데에 단백질
물 모델: SPC/E (Extended Simple Point Charge)
힘장: AMBER99SB-ILDN
전하 중성을 맞추려 Cl⁻ 3개 추가

마지막 줄에서 단백질에 대한 정보가 하나 나옵니다. 무엇일까요?

논문에 직접 적히지 않은 사실을 이온 개수에서 읽어 냈습니다. 이런 식으로 읽는 겁니다.

Python 브라우저에서 실행

# Cl- 를 3개 넣었다는 것은 단백질이 +3 이었다는 뜻입니다.
print("계를 중성으로 만들려고 Cl- 3개를 넣었다")
print("→ 단백질의 알짜 전하 = +3")
print()
print("t-Ror1 (388 잔기) 에서 이것이 뜻하는 것")
print()
# 대략적인 아미노산 조성으로 역산해 봅니다.
print("  양전하 잔기 (Arg + Lys) 수 - 음전하 잔기 (Asp + Glu) 수 = 3")
print()
print("인산화효소 도메인은 대개 알짜 전하가 음수이거나 0 근처입니다.")
print("ATP(-4)를 붙잡아야 하니 양전하 자리가 있긴 하지만,")
print("전체가 +3 이라는 것은 조금 특이합니다.")
print()
print("(주의: His 를 어떻게 양성자화했느냐에 따라 이 값이 달라집니다 —")
print(" /fold 15강의 준비 단계 선택이 여기까지 따라옵니다)")

없는 정보를 세는 습관. 리간드 힘장은 이 계산의 핵심 입력인데 논문에 없습니다.

Python 브라우저에서 실행

# 리간드 힘장이 없으면 무엇이 문제인가.
print("MD 계에 들어가는 것들과 각각에 필요한 매개변수")
print()
items = [
    ("단백질",   "AMBER99SB-ILDN", "논문에 적힘"),
    ("물",       "SPC/E",          "논문에 적힘"),
    ("Na+ / Cl-","이온 매개변수",   "힘장에 딸려 옴"),
    ("리간드 PGG","???",            "논문에 없음  <-- 문제"),
]
for a, b, c in items:
    print(f"  {a:12s} {b:18s} {c}")
print()
print("리간드 매개변수를 어떻게 만들었는지가 결합에너지를 정합니다.")
print("전하 할당 방법(AM1-BCC / RESP / Gasteiger)만 바꿔도")
print("MM-PBSA 결과가 수 kcal/mol 씩 달라집니다.")

여유 2 Å 차이가 계산량을 크게 바꿉니다. 논문은 여유값도 적지 않았어요.

Python 브라우저에서 실행

# 상자 크기가 계산량을 정합니다.
import math

prot_r = 22.0        # A — 388잔기 단백질의 대략적 반지름
pad    = 10.0        # A — 단백질과 상자 벽 사이 여유

L = 2*(prot_r + pad)
V = L**3
water_density = 0.0334      # 물 분자/A^3

n_water = int(V * water_density)
n_atoms = 388*8 + n_water*3
print(f"상자 한 변      : {L:.1f} A")
print(f"부피            : {V:,.0f} A^3")
print(f"물 분자 수      : {n_water:,d}")
print(f"전체 원자 수    : 약 {n_atoms:,d}")
print()
print("이 중 단백질 원자는", f"{100*388*8/n_atoms:.1f}%", "뿐입니다.")
print("나머지는 다 물이에요. 계산의 90% 이상이 물에 쓰입니다.")
print()
print("여유를 12 A 로 늘리면 원자 수가",
      f"{((2*(prot_r+12))**3 * water_density*3)/(V*water_density*3):.2f}", "배가 됩니다.")

고등학생여기까지 한 줄로 — 그리고 퀴즈의 함정

힘장은 단백질용이다. 리간드에는 따로 필요하다.

퀴즈 두 번째가 논문에서 빠진 가장 중요한 정보를 묻습니다.

단백질 힘장(AMBER99SB-ILDN)과 물 모델(SPC/E)은 적혀 있어요. 그런데 리간드(PGG)의 힘장이 없습니다.

왜 리간드는 따로 필요한가요?

단백질은 아미노산 20가지로만 만들어집니다 — 미리 다 계산해 둘 수 있어요. 하지만 리간드는 세상에 무한히 많습니다. 미리 준비할 수가 없죠.

그래서 리간드마다 매개변수를 새로 만들어야 하고, 만드는 방법에 따라 결과가 수 kcal/mol 씩 달라집니다. MM-PBSA 의 핵심 입력인데 논문에 없어요.

🤔 확인 문제

논문이 Cl⁻ 3개를 넣었다는 사실에서 알 수 있는 것은?

🤔 확인 문제

논문의 MD 설정에서 빠진 핵심 정보는?

AMBER	힘장 가족 이름
99	1999년 판
SB	2006년 뼈대 수정
ILDN	2010년 곁사슬 수정 (Ile·Leu·Asp·Asn)