Lesson 15 of 20

구조 다듬기 — 수소를 붙이고 충돌을 푼다

Schrodinger Protein Preparation Wizard · 「steric clash between OD2 (ASP 66) and OH (TYR 96)」

구조가 나왔다고 바로 약을 끼울 수는 없습니다. 논문은 Schrodinger 의 Protein Preparation Wizard 로 다듬었습니다. 이 단계에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 봅시다.

단계	무엇을 하나	왜 필요한가
수소 붙이기	없던 H 원자를 다 붙인다	PDB·예측 구조에는 대개 수소가 없다
결합차수 지정	단일·이중결합을 정한다	좌표만으로는 알 수 없다
이온화 상태	pH 7 에서 Asp·Glu·His·Lys 의 전하	수소결합·정전기 계산의 바탕
His·Asn·Gln 뒤집기	180° 회전 여부를 정한다	전자밀도로는 O 와 N 을 구별 못 한다
제한 최소화	충돌을 살짝 푼다	겹친 원자를 그대로 두면 계산이 폭발한다

High school설계도에 없는 것들

가구 설계도에는 나무 부분만 그려져 있습니다. 나사, 접착제, 어느 면이 앞인지는 안 그려져 있어요.

구조 파일도 그렇습니다 —

파일에 있는 것	없는 것
무거운 원자의 좌표	수소 원자
원자 종류	전하 상태
위치	단일결합인지 이중결합인지

없는 것들을 채우는 단계가 Protein Preparation 입니다. 그리고 채우는 방식이 결과를 바꿉니다.

논문이 남긴 충돌 하나

논문은 이렇게 적습니다 — "불안정하거나 입체적으로 금지된 영역은 없었다. 다만 OD2 (ASP 66) 과 OH (TYR 96) 사이의 입체 충돌은 예외였는데, 이는 교차하는 영역에 위치해 허용 거리보다 가깝기 때문이다."

Asp66 의 곁사슬 산소 하나와 Tyr96 의 페놀 −OH 가 너무 가깝다는 뜻입니다.

그런데 잠깐 — Asp 의 카복시기 산소와 Tyr 의 −OH 가 가까운 것은 전형적인 수소결합입니다. 2.6 Å 쯤이면 아주 좋은 수소결합이에요.

프로그램이 "충돌" 이라 부른 이유는 수소 위치나 이온화 상태를 잘못 잡았기 때문일 가능성이 큽니다. 곧 이건 구조의 결함이 아니라 준비 단계에서 풀렸어야 할 문제 였을 수 있어요.

충돌 검사기가 수소결합을 충돌로 잘못 부르는 전형적인 경우입니다.

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# Asp 산소와 Tyr 수산기 사이 거리를 놓고 무엇이 수소결합이고 무엇이 충돌인지.
pairs = [
    (2.5, "이상적인 수소결합"),
    (2.8, "좋은 수소결합"),
    (3.2, "약한 수소결합"),
    (3.5, "거의 접촉 없음"),
    (2.2, "매우 짧다 — 저에너지 장벽 수소결합 아니면 오류"),
    (1.8, "충돌 — 물리적으로 불가능에 가깝다"),
]
vdw_O = 1.52     # 산소의 반데르발스 반지름 (A)
print(f"{'거리(A)':>8s}  {'vdW 합 대비':>12s}   판정")
print("-" * 58)
for d, verdict in pairs:
    ratio = d / (2*vdw_O)
    print(f"{d:>8.1f}  {ratio:>12.2f}   {verdict}")
print()
print("산소 두 개의 vdW 반지름 합:", 2*vdw_O, "A")
print("수소결합은 이 값보다 '가까워야' 성립합니다 — 그래서")
print("단순한 거리 규칙만 쓰는 검사기는 수소결합을 충돌로 신고합니다.")

거리가 1 Å 줄면 에너지가 수십 배 뜁니다. r⁻¹² 항 때문이에요. 그래서 충돌 하나가 계산 전체를 망칩니다.

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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 레너드-존스 12-6 퍼텐셜로 '충돌' 이 왜 폭발적인지 봅니다.
r = np.linspace(2.2, 8.0, 400)
sigma, eps = 3.4, 0.24
E = 4*eps*((sigma/r)**12 - (sigma/r)**6)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6.6, 3.2))
ax.plot(r, E, lw=2, color="#3d5a80")
ax.axhline(0, lw=0.6, color="#bbb")
ax.axvline(3.0, ls="--", lw=1.2, color="#e07a5f")
ax.text(3.05, E.max()*0.55, "3.0 A", fontsize=9, color="#e07a5f")
ax.set_ylim(-0.5, 6)
ax.set_xlabel("distance (A)"); ax.set_ylabel("energy (kcal/mol)")
ax.set_title("why one clash ruins a calculation")
plt.tight_layout()
plt.show()

for d in (3.4, 3.0, 2.6, 2.4):
    e = 4*eps*((sigma/d)**12 - (sigma/d)**6)
    print(f"거리 {d:.1f} A  ->  에너지 {e:>10.2f} kcal/mol")

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Protein Preparation 단계에서 하는 일이 아닌 것은?

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논문이 보고한 Asp66–Tyr96 "충돌" 이 사실은 무엇일 가능성이 큰가?