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제1장 서 론
1.1모델링이란 무엇인가? 1.2양자역학적 모델 1.3분자역학적 모델 1.4모델링으로 무엇을 할 것인가? 제2장 유기분자의 구조 모델링 2.1 원자의 결합가와 근거리구조(valence and local geometry) 2.2 입체이성질체(stereoisomer) 2.2.1 광학이성질체(optical isomer) 2.2.2 형태구조와 원거리 구조(conformation and global structure) 2.3 원자의 부분전하(partial atomic charge) 2.4 분자역학적 에너지(interaction and energy) 2.4.1 결합성 상호작용(bonding interaction) 2.4.2 비결합성 상호작용(non-bonding interaction) 2.5 에너지 최적화(energy minimization) 2.5.1 최속강하법(Steepest Descent method) 2.5.2 결합기울기법(Conjugate Gradient method) 2.6 분자동력학(Molecular Dynamics) 2.6.1 열에너지의 도입과 운동방정식 2.6.2 분자동력학의 실행절차 2.7 몬테카를로 모의실험(Monte Carlo simulation) 2.8 랑제방 역학(Langevin Dynamics) 2.9 용액의 분자역학-주기적 복제방법(Periodic Boundary Condition) 제3장 생체분자의 모델링 3.1 아미노산의 구조와 성질 3.2 폴리펩타이드와 단백질의 정규형태구조 3.2.1 알파나선형(Alpha helix) 3.2.2 베타판(Beta sheet) 3.2.3 기타 정규형태구조 제4장 분자모델링의 실제(Practice in Modeling) 4.1 분자정보의 기록과 저장-ASCII 파일과 파일형식 4.1.1 MDL-molfiles(*.mol) 4.1.2 MOPAC Z Matrix-datafile(*.zmt) 4.1.3 Hyperchem-input file(*.hin) 4.1.4 Protein data bank-pdb file(*.pdb) 4.1.5 파일의 상호변환 4.1.6 연습-molecular file과 molecular viewer 4.2 분자의 편집과 구조 파라미터-평면그림과 입체구조 4.2.1 분자의 생성과 입체구조 4.2.2 입체구조의 정량적 기술방법 4.2.3 연습-Chemdraw와 Chem3D 구조 4.3 분자구조의 생성과 초기 에너지 4.3.1 양자역학적 알고리즘의 선택 4.3.2 분자역학적 힘장의 선택 4.3.3 분자의 편집과 에너지의 계산 4.3.4 연습-유기분자의 편집과 에너지 계산 4.4 기하학적 구조최적화에 의한 에너지 최소화 4.4.1 초기구조와 전하의 도입 4.4.2 기하학적 구조최적화 과정과 에너지 변화 4.4.3 최적화구조의 정량적 측정 4.4.4 연습-입체선택성 구조의 편집 4.5 물질의 구조와 색깔 4.5.1 유기염료의 구조 4.5.2 반경험적 전자준위 계산방법 4.5.3 스펙트럼의 해석방법 4.5.4 연습-유기염료와 새로운 색의 창조 4.6 단백질 2차구조 4.6.1 알파나선형과 베타판의 에너지 4.6.2 정규형태구조의 안정화 4.6.3 알파나선형의 수소결합 4.6.4 연습-알파나선형 Alanine과 Lysine, Arginine의 비교베타판형 Alanine과 Lysine, Arginine의 비교 4.7 단백질 은행(Protein Data Bank) 4.7.1 단백질 은행의 역사 4.7.2 X-선 결정학 4.7.3 NMR 분광학적 구조결정 4.7.4 전자현미경에 의한 구조결정 4.7.5 Ligand Explorer 4.7.6 연습-NMR 구조의 분석 4.8 효소 단백질과 기질분자-enzyme and substrate 4.8.1 포도의 보라색 물질 4.8.2 복합체의 결합상태 4.8.3 연습-효소 단백질과 기질사이의 상호작용 4.9 수용체 단백질과 길항제 분자-receptor and antagonist 4.9.1 수용체의 작용제와 길항제 4.9.2 경쟁하는 분자 4.9.3 연습-수용체와 작용제 및 길항제의 상호작용 4.10 분자동력학 1-기체상태의 아스피린 4.10.1 아스피린의 분자동력학 모의실험 4.10.2 분자동력학 실험결과의 분석 4.10.3 연습-형태구조의 유연성 4.11 분자동력학 2-용액속의 아스피린 4.11.1 용액 내에서의 분자동력학 모의실험 4.11.2 용액 내에서의 분자동력학 실험결과의 해석 4.11.3 연습-용매분자와의 수소결합 4.12 분자동력학 3-아스피린과 인지질 분해효소 복합체 4.12.1 효소단백질 구조 손질-수소원자의 삽입과 원자전하 4.12.2 효소-기질 복합체의 파라미터 설정 4.12.3 분자동력학의 실행 4.12.4 효소-기질 복합체 운동력학적 특성 4.12.5 연습-분자동력학의 응용 4.13 랑제방(Langevin) 동력학-가상 용매효과의 적용 4.13.1 모의실험 결과 분석 4.13.2 연습-랑제방 동력학의 응용 4.14 몬테카를로(Monte Carlo) 모의실험-용액속의 아스피린 4.14.1 모의실험의 결과분석 4.14.2 연습-몬테카를로 동력학의 검증 4.15 모의담금질(Simulated Annealing) 동력학-용액속의 아스피린 4.15.1 모의담금질의 결과분석 4.15.2 연습-모의담금질 동력학의 응용 제5장 새로운 출발 참고문헌 부록:분자동력학 실행 스크립트 파일 색인(국문/영문) |
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오래 전부터 의약품이나 화학제품의 광고를 보면 미래과학을 상상케 하는 분자의 그림이나 화려한 색체의 단백질과 핵산 나선형 그림이 화면을 압도하는 현상을 접하게 된다. 물론 그러한 그림들의 상당부분은 분자구조 그림에 그래픽 전문가의 작업이 들어가 있겠지만 그러한 분자기반 제품에 걸맞은 기초그림을 선정하고 그려주는 작업은 역시 ‘분자모델링’ 전문가의 손에 의하여 작성될 수밖에 없다.그런데 이러한 분자모델그림은 화학, 생물학, 약학 관련 학과의 졸업생이면 누구나 쉽게 그려낼까? 아니면 그 분야의 값나가는 컴퓨터 프로그램 하나만 구입하여 분자이름만 주문해 놓으면 요술상자처럼 “삐리링 !”하고 만들어주는 건가?
실제로 그러한 분자그림을 어느 정도 이해하는 전공자라 하더라도 그림을 생산하는 과정은 만만치 않음을 그 분야 졸업자라면 모두 고백하는 일이다. 또한 그런 모델을 만들어내는 프로그램조차도 워드프로세서처럼 ‘아무나 이것저것 누르다 보면 알아지는’ 그런 간단한 도구가 아님을 바로 알아차리게 된다. 설혹 한두 번의 시행착오를 거쳐 무언가 멋져 보이는 그림을 얻었다 하여도 그것의 옳고 그름은 종종 현란한 색깔 뒤에 가려지고 우리의 자신만만한 프로그램 사용자는 정작 그 프로그램이 어떤 기상천외한 기능을 다 가지고 있는지 그 영역의 넓음을 가늠하지 못하는 경우가 허다한 것이다. 분자모델링이 그저 광고 그림만을 제공하는 도구가 아님을 우리 모두는 알고 있다. 그것은 계산화학적 이론을 바탕으로 분자계의 여러 분야에서 실제 연구와 생산에 직접 간접적으로 이용되고 있는 도구이며 현대과학에서 진화를 거듭한 분자모델링은 ‘과학자체’이기도 한 분야인 것이다. 그러나 이 분야를 하나의 단순한 도구로 사용하거나 아니면 본격적으로 이 학문분야에 발을 들여놓을 생각을 가진 사람도 정작 적절한 입문서를 찾기가 수월치 않음을 경험하였을 것이다. 유사한 제목을 가진 한국어 교재는 드물고 외국서적은 종류별로 다양하긴 하지만 초심자가 접하기에는 내용의 심도가 깊고 분량 또한 만만치 않아서 접근하기가 어려운 것이 사실이다. 혹자는 ‘모델링을 제대로 이해하고 사용하려면 뉴톤역학, 양자역학 및 그 바탕인 수학을 철저히 배워야 한다’라고 주장한다. 당연하고 옳은 말이다. 그러나 자신의 흥미 있는 연구내용을 전달하기 위한 도구로서 사용하고자 하는 분자과학자에게 모델링에 숨어 있는 복잡한 미분방정식과 애매모호한 양자개념의 완전한 이해가 도대체 가능하기나 한 것이며 또한 굳이 많은 시간을 들여야 할 일일까? 본 입문서에서는 어떤 주제는 지나치게 단순화하고 현상학적인 결론이 곧바로 현실에 어떻게 적용하는가에 촛점을 두었기 때문에 깊이 있는 토론이 되지 못한 면이 있을 수 있다. 즉, 분자모델링 분야의 표준교과서라고 볼지 논란의 여지는 있을 수 있으며 보다 심도 있는 계산화학적 이론이나 프로그래밍 알고리즘의 이해를 위해서는 본문에 인용된 원 문헌을 참조하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 그러나 이 단점이 바로 장점이 될 수도 있는 것은 물리화학적 이론에 익숙하지 않은 실험 화학자들에게도 접근을 쉽게 허용하고 있다는 것이다. 즉, 한 학기 정도의 교육으로 분자모델링의 기초지식과 프로그램의 운영을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.마지막으로 저자는 독자로부터 많은 지적을 기대한다. 즉, 초심자가 알기 힘든 문제에 대한 간단한 해석에서부터 현실에 적용하기 위한 실질적인 문제에까지 종류와 질문의 수준을 불문하고 모든 질문을 환영하는 바이며 또한 어떤 특별한 교육적 목적을 위한 제안도 수용할 준비가 되어 있음을 부언하는 바이다. 2013년 8월 15일 충남대학교 약학대학 박경래교수 ---「머리말」중에서 |