효과적인 원자 표현자를 이용한 활성화에너지 예측방법 |
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| 申请号 | KR1020080112389 | 申请日 | 2008-11-12 | 公开(公告)号 | KR1020100053329A | 公开(公告)日 | 2010-05-20 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 申请人 | 사단법인 분자설계연구소; 연세대학교 산학협력단; 숭실대학교산학협력단; | 发明人 | 노경태; 김두남; 오원석; 이성광; 정지훈; 조광휘; 이창준; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 摘要 | PURPOSE: A method for predicting activation energy using atomic descriptor is provided to quickly predict activation energy of step 1 metabolism and to easily apply to the activation energy of various chemical reactions. CONSTITUTION: An activation energy of hydrogen separation reaction can be predictable by cytochrome P450 using atomic discriptors such as δhet, max(δheavy), and μC-H. The cytochrome P450 enzyme is CYP2E1, CYP3A4, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP1A1, CYP1A2, CYP2C19, CYP2D6, CYP1B1, or CYP2A6. A method for predicting activation energy comprises a step of determining metabolic site for hydrogen separation reaction when C is aliphatic carbon in C-H bond; a step of calculating δhet and max(δheavy) when alpha neighbor has a hetero atom; and a step of calculating μC-H when the alpha neighbor does not have a hetero atom. The activation energy is predicted according to the equation, Ea^Habs_(B)= 25.94 + 1.88*[δ_het] + 1.03*[max(δ_heavy)] and Ea^Habs_(A). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 权利要求 | 원자 표현자 [ δ het ], [max( δ heavy )], [ μ CH ], [ ]를 이용하여 사이토크롬 P450 효소에 의한 수소분리반응의 활성화에너지를 예측하는 방법: 상기 화학식에서, Fe-O와 함께 있는 원은 옥시페릴(oxyferryl) 중간체를 나타내고, [ δ het ]는 반응중심(reaction center)의 알파 이웃(alpha neighbor)에 있는 헤테로원자(heteroatom)의 알짜 원자 전하를 나타내고; [max( δ heavy )]는 수소 또는 헬륨이 아닌 X 1 , X 2 , X 3 중 가장 높은 원자전하를 나타내고; [ μ CH ]은 탄소-수소 결합의 결합 쌍극자를 나타내고; [ ]는 원자 H, C, X 1 , X 2 , X 3 의 알짜 원자 편극도(polarizability)들의 합을 나타낸다. 제 1항에 있어서, 사이토크롬 P450 효소는 CYP2E1, CYP3A4, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP1A1, CYP1A2, CYP2C19, CYP2D6, CYP1B1, 및 CYP2A6으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 방법. 제1항에 있어서, 대상분자의 모든 CH 결합 중 C가 지방족 탄소(aliphatic carbon)인 경우 수소분리반응이 일어날 수 있는 대사위치라고 판단함을 특징으로 하는 방법. 제1항에 있어서, 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자가 있는 경우 원자 표현자 [ δ het ] 및 [max( δ heavy )]를 계산함을 특징으로 하는 방법. 제1항에 있어서, 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자가 없는 경우 원자 표현자 [ μ CH ] 및 [ ]를 계산함을 특징으로 하는 방법. 제4항에 있어서, 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측함으로 특징으로 하는 방법: E a Habs _(B) = 25.94 + 1.88*[ δ het ] + 1.03*[max( δ heavy )] 상기 방정식에서, E a Habs _(B) 는 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자를 가지고 있는 탄소에 붙은 수소가 분리되는데 필요한 활성화 에너지를 나타낸다. 제5항에 있어서, 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측함으로 특징으로 하는 방법: E a Habs _(A) = 28.50 - 2.22*[ μ CH ] + 1.12*[ ] 상기 방정식에서, E a Habs _(A) 는 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자를 가지고 있지 않은 탄소에 붙은 수소가 분리되는데 필요한 활성화 에너지를 나타낸다. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 하기 아레니우스식(Arrhenius equation)을 통하여 대사의 상대적인 속도(k)를 예측하는 방법: 상기 수학식에서, k는 반응속도상수, A는 빈도인자, E a 는 활성화에너지, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 대사의 위치선택성(regioselectivity)을 예측하는 방법. 제9항에 있어서, 예측된 활성화에너지를 아레니우스식(Arrhenius equation)을 통하여 대사의 상대적인 속도를 예측하고, 예측된 대사의 상대적인 속도를 아래 반응식의 수학식을 통하여 대사의 위치선택성(regioselectivity)을 예측하는 방법: 상기 반응식 및 수학식에서, P는 기질의 모든 가능한 대사체 중 임의의 대사체 형성의 상대 확률, E는 효소(enzyme), S는 기질(substrate), ES는 효소와 기질의 복합체(complex), [ES]는 효소와 기질 복합체의 농도, k는 반응속도상수를 나타 낸다. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 대사의 저해를 예측하는 방법. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 약물 간 상호작용(drug-drug interaction)을 예측하는 방법. 원자 표현자 [ δ H ], [평균( α alpha )]를 이용하여 사이토크롬 P450 효소에 의한 방향족 수산화반응의 4면체 중간체 형성의 활성화에너지를 예측하는 방법: 상기 화학식에서, Fe-O와 함께 있는 원은 옥시페릴(oxyferryl) 중간체를 나타내고, [ δ H ]는 반응 수소의 알짜 원자 전하를 나타내고; [평균( α alpha )]는 이웃한 탄소들의 편극도(polarizability)의 평균값을 나타 낸다. 제13항에 있어서, 사이토크롬 P450 효소는 CYP2E1, CYP3A4, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP1A1, CYP1A2, CYP2C19, CYP2D6, CYP1B1, 및 CYP2A6으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 방법. 제13항에 있어서, 대상분자의 모든 CH 결합 중 C가 방향족 탄소(aromatic carbon)인 경우 방향족 수산화반응이 일어날 수 있는 대사위치라고 판단함을 특징으로 하는 방법. 제13항에 있어서, 원자 표현자 [ δ H ], [평균( α alpha )]를 계산함을 특징으로 하는 방법. 제16항에 있어서, 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측함으로 특징으로 하는 방법: E a aro _o,p = 21.34 - 0.75 * [ δ H ] - 1.24 * [평균( α alpha )] 상기 방정식에서, E a aro _o,p 는 오르토(ortho)/파라(para) 위치에 있는 1개의 치환기를 가지고 있 는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타낸다. 제16항에 있어서, 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측함으로 특징으로 하는 방법: E a aro _m = 22.14 - 0.68 * [ δ H ] - 0.83 * [평균( α alpha )] 상기 방정식에서, E a aro _m 는 메타(meta) 위치에 있는 1개의 치환기를 가지고 있는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타낸다. 제16항에 있어서, 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측함으로 특징으로 하는 방법: E a aro _0,2,3 = 21.02 - 1.49 * [ δ H ] - 0.92 * [평균( α alpha )] 상기 방정식에서, E a aro _0,2,3 는 0개, 2개, 3개의 치환기를 가지고 있는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타낸다. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 하기 아레니우스식(Arrhenius equation)을 통하여 대사의 상대적인 속도(k)를 예측하는 방법: 상기 수학식에서, k는 반응속도상수, A는 빈도인자, E a 는 활성화에너지, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 대사의 위치선택성(regioselectivity)을 예측하는 방법. 제21항에 있어서, 예측된 활성화에너지를 아레니우스식(Arrhenius equation)을 통하여 대사의 상대적인 속도를 예측하고, 예측된 대사의 상대적인 속도를 아래 반응식의 수학식을 통하여 대사의 위치선택성(regioselectivity)을 예측하는 방법: 상기 반응식 및 수학식에서, P는 기질의 모든 가능한 대사체 중 임의의 대사체 형성의 상대 확률, E는 효소(enzyme), S는 기질(substrate), ES는 효소와 기질의 복합체(complex), [ES]는 효소와 기질 복합체의 농도, k는 반응속도상수를 나타낸다. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 대사의 저해를 예측하는 방법. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 예측된 활성화에너지를 통하여 약물 간 상호작용(drug-drug interaction)을 예측하는 방법. |
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| 说明书全文 |
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| 원자 표현자 | 훈련 세트 | 방정식 | |
| R a | RMSE b | ||
| μ CH | 0.88 | 0.63 | E a Habs _(A) = 28.50 - 1.19*[ μ CH ] |
| 0.67 | 1.00 | E a Habs _(A) = 28.50 - 0.90*[ ] | |
R a 는 상관계수(correlation coefficient).
RMSE b 은 자승평방근오차(root mean squared error).
a 의 상관관계(헤테로원자가 알파 이웃에 있는 경우)
| 원자 표현자 | 훈련 세트 | 방정식 | ||
| R a | RMSE b | |||
| δ het | 0.82 | 1.51 | E a Habs _(B) = 25.94 + 2.14*[ δ het ] | |
| max( δ heavy ) | 0.57 | 2.16 | E a Habs _(B) = 25.94 + 1.51*[max( δ heavy )] | |
R a 는 상관계수(correlation coefficient).
RMSE b 은 자승평방근오차(root mean squared error).
본 발명자들은 표 2 및 3의 훈련과정을 거친 결과 각 형태에 맞는 2개의 표준화된 효과적인 원자 표현자를 가지고 선형방정식이 다양한 화학적 환경에서의 활성화 에너지를 예측할 수 있도록 되었다(하기 방정식 1-1 및 1-2).
이들 효과적인 원자 표현자들 중에 [ δ het ], [max( δ heavy )], [ μ CH ]는 탄소-수소결합의 취약 정도를 나타내고, [
]는 전이상태의 안정성을 나타낸다. 본 발명에서 모든 전이상태는 진동수 분석을 통해 검증되었다.본 발명의 모델을 이용한 활성화에너지 예측 흐름도는 도 2에 도시된 바와 같다.
구체적으로, 본 발명에서 개발한 수소분리반응의 활성화 에너지를 예측하기 위한 모델은 다음과 같다:
i) 대상 분자의 대사위치를 확인하는 단계;
ii) 대상 분자의 반응형을 판단하는 단계;
iii) 수소분리 반응중심(reaction center)의 알파 이웃(alpha neighbor) 중 헤테로원자(heteroatom)의 존재 유무에 따라 원자형을 판단하는 단계;
iv) 헤테로원자가 있는 경우 원자 표현자 [ δ het ], [max( δ heavy )], 헤테로원자가 없는 경우 원자 표현자 [ μ CH ], [
]를 계산하는 단계;v) 원자 표현자를 표준화하는 단계; 및
vi) 하기 방정식에 따라 활성화에너지를 예측하는 단계.
상기 화학식에서,
Fe-O와 함께 있는 원은 옥시페릴(oxyferryl) 중간체를 나타내고,
[방정식 1-1]
E a Habs _(B) = 25.94 + 1.88*[ δ het ] + 1.03*[max( δ heavy )]
R = 0.91, RMSE = 1.14, n = 62, P 값 < 0.0001
[방정식 1-2]
E a Habs _(A) = 28.50 - 2.22*[ μ CH ]+ 1.12*[
]R = 0.95, RMSE = 0.43, n = 224, P 값 < 0.0001
상기 방정식에서,
는 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자(탄소가 아닌 원자)를 가지고 있는 탄소에 붙은 수소가 분리되는데 필요한 활성화 에너지를 나타내고; 는 반응중심의 알파 이웃에 헤테로원자(탄소가 아닌 원자)를 가지고 있지 않은 탄소에 붙은 수소가 분리되는데 필요한 활성화 에너지를 나타내고;[ δ het ]는 반응중심의 알파 이웃에 있는 헤테로원자(탄소가 아닌 원자)의 알짜 원자 전하를 나타내고;
[max( δ heavy )]는 수소 또는 헬륨이 아닌 X 1 , X 2 , X 3 중 가장 높은 원자전하를 나타내고;
[ μ CH ]은 탄소-수소 결합의 결합 쌍극자를 나타내고;
[
]는 원자 H, C, X1 , X
2 , X
3 의 알짜 원자 편극도(polarizability) 들의 합을 나타낸다.
상기 방정식 1-1 및 1-2에서, R은 상관계수(correlation coefficient), RMSE는 자승평방근오차(root mean squared error), n은 훈련(train) 시 사용된 원자의 개수, P 값(P value)은 상관계수의 유의성을 알려주는 값이다.
단계 i)에서, 대상 분자에의 모든 CH 결합(bond)을 대상 분자에서 대사가 일어날 수 있는 위치라고 볼 수 있다.
단계 ii)에서, 대상 분자의 모든 CH 결합 중 C(carbon)이 지방족 탄소(aliphatic carbon) 인 경우 대상 분자의 수소 분리(H abstraction)가 일어날 수 있는 대사위치라고 볼 수 있다.
단계 iii)에서, 반응중심(실제 대사반응이 일어나는 CH)의 알파 이웃(alpha neighbor) 중 헤테로원자(heteroatom)가 있는 경우에는 [방정식 1-1]을 사용하고, 헤테로원자(heteroatom)가 없는 경우에는 [방정식 1-2]를 사용한다.
단계 v)에서, 표준화(normalization)는 통계학적 관점에서 원자 표현자들의 값들의 평균을 0, 표준편차를 1로 만드는 것을 의미한다. 즉, 본원발명의 예측 모델의 훈련(train) 시에 사용되었던 원자 표현자들의 값들의 평균과 표준편차를 가지고 예측하기 전에 표준화를 한다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 모델을 이용해 예측된 활성화 에너지는 양자 역학적으로 계산된 활성화 에너지와 높은 상관관계를 보였다. 430 경우들 중 386 경우들이 화학적 정확도(mol 당 1 kcal) 안에 있다. 일부 안 맞는 것들은 양자계산 중에 반응하는 탄소-수소-산소 간의 상호작용 외의 상호작용에 의한다. 다양한 분자들의 기체상태에서의 활성화에너지는 Gaussian03[개정C.02, MJ Frisch et al., 펜실베니아 피츠버그, 미국, 2003]을 이용하여 계산하였다.
실시예 2: 수소분리반응의 활성화 에너지 예측 모델에 의해 예측된 활성화에너지의 검증
실시예 1의 예측 모델을 이용하여 다음 4개의 분자에 대하여 예측된 수소분리반응의 활성화 에너지를 실험값과 비교하여 검증하였다.
[a] # 는 화학식 2의 각 분자의 원자 번호를 나타냄.
[b] 본 발명의 방법으로 예측된 활성화에너지.
[c] 상기 [b]의 예측된 활성화에너지를 아레니우스방정식에 넣어서 유도된 대사비율.
[d] 시험관내( in vitro ) 실험대사비율.
표 4에서 각 분자의 실험대사비율은 당업계에 이미 공지되어 있으며, 헥산(hexane)은 문헌[Ken-ichirou MOROHASHI, Hiroyuki SADANO, Yoshiie OKADA, Tsuneo OMURA. Position Specificity in n-Hexane Hydroxylation by two forms of Cytochrome P450 in Rat liver Microsomes. J. Biochem . 1983, 93, 413-419]에서; 옥탄(octane)은 문헌[Jeffrey P. Jones, Allan E. Rettie, William F. Trager. Intrinsic Isotope Effects Suggest That the Reaction Coordinate Symmetry for the Cytochrome P-450 Catalyzed Hydroxylation of Octane Is Isozyme Independent. J. Med . Chem . 1990, 33, 1242-1246]에서; 에틸벤젠(ethylbenzene)은 문헌[Ronald E. White, John P. Miller, Leonard V. Favreau, Apares Bhattacharyya. Stereochemical Dynamics of Aliphatic Hydroxylation by Cytochrome P-450. J. AM. Chem . Soc . 1986, 108, 6024-6031]에서; 1-클로로메틸-4-메틸-벤젠(1-chloromethyl-4-methyl-benzene)은 문헌[LeeAnn Higgins, Kenneth R. Korzekwa, Streedhara Rao, Magong Shou, and Jeffrey P. Jones. An Assessment of the Reaction Energetics for Cytochrome P450-Mediated Reactions. Arch. Biochem. Biophys. 2001, 385, 220-230]에서 각 분자의 실험대사비율을 확인할 수 있다.
표 4에 나타난 바와 같이, 헥산(hexane), 옥탄(octane), 에틸벤젠(ethylbenzene), 1-클로로메틸-4-메틸-벤젠(1-chloromethyl-4-methyl-benzene) 등 4개의 분자에 대하여 본 발명의 방법에 따라 예측된 수소분리반응의 활성화 에너지를 아레니우스식에 대입해서 유도된 대사비율 [c] 과 실험대사비율 [d] 을 비교하면, 추세적으로 유사한 경향을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 예측된 활성화에너지를 통하여 실험대사비율을 예측해낼 수 있다.
실시예 3: 방향족 수산화반응의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 예측하기 위한 모델 개발
본 발명자들은 1단계(phase I) 대사의 방향족 수산화반응의 위치선택성의 좋은 척도가 되는 4면체 중간체 형성을 모델링하였다(반응식 2, 화학식 2).
[반응식 2]
사이토크롬 P450 효소에 의한 방향족 수산화반응의 4면체 중간체 형성 반응 (Fe-O와 함께 있는 원은 옥시페릴 중간체를 나타냄).
상기 반응을 모델링(modelling)하기 위해서 AM1(Austin Model 1) 분자전자궤도(orbital) 이론을 이용하여 다양한 화학적 환경의 벤젠탄소들인 31개 분자들의 85 경우들의 활성화 에너지를 계산했다.
여기서, 경우들이란 원자들의 개수를 의미한다. 예를 들어 3, 4, 7개의 원자들을 가지고 있는 분자 3개가 있을 경우는 '3개 분자들의 14개의 경우들'이 될 것이다. AM1은 계산화학에서 분자의 전자적 구조의 양자계산을 위한 반경험적 방법으로서, 이원자 미분겹침 근사의 수정된 무시(the modified neglect of differential diatomic overlap approximation)를 일반화한 것이다(Dewar, MJS et al., Journal of the American Chemical Society , 1985, 107, 3902).
계산된 유기분자들의 목록은 하기 표 5와 같다.
이들 정보들은 실험적 방정식들을 훈련(train)시키고 평가하는데 이용되었다. 이들 경우들은 3가지 형태로 나뉘었다: 각각 i) 오르토(ortho)/파라(para) 위치의 1개의 치환기를 가진 경우, ii) 메타(meta) 위치의 1개의 치환기를 가진 경우, iii) 0개, 2개, 3개의 치환기를 가진 경우.
효과적인 원자 표현자와 방향족 수산화반응의 양자역학적으로 계산된 E a 의 상관관계를 통하여 원자 표현자로 모델링한 방정식은 아래 표 6, 7 및 8과 같다.
a 의 상관관계(오르토 치환기를 가지고 한 경우)
| 원자 표현자 | 훈련 세트 | 방정식 | ||
| R a | RMSE b | |||
| δ H | 0.08 | 1.31 | E a aro _o,p = 14.67 + 63.33*[ δ H ] | |
| 0.57 | 1.07 | E a aro _o,p = 61.60 - 26.53*[ ] | ||
R a 는 상관계수(correlation coefficient).
RMSE b 은 자승평방근오차(root mean squared error).
a 의 상관관계(메타 치환기를 가지고 한 경우)
| 원자 표현자 | 후련 세트 | 방정식 | ||
| R a | RMSE b | |||
| δ H | 0.03 | 0.56 | E a aro _m = -12.61 + 333.87*[ δ H ] | |
| 0.50 | 0.49 | E a aro _m = 132.75 - 72.54*[ ] | ||
R a 는 상관계수(correlation coefficient).
RMSE b 은 자승평방근오차(root mean squared error).
a 의 상관관계(0, 2, 3 치환기를 가지고 한 경우)
| 원자 표현자 | 훈련 세트 | 방정식 | ||
| R a | RMSE b | |||
| δ H | 0.69 | 0.95 | E a aro _0,2,3 = 70.00 - 465.88*[ δ H ] | |
| 0.05 | 1.31 | E a aro _0,2,3 = 17.65 + 2.21*[ ] | ||
R a 는 상관계수(correlation coefficient).
RMSE b 은 자승평방근오차(root mean squared error).
본 발명자들은 표 6 내지 8의 훈련과정을 거친 결과 각 형태에 맞는 2개의 표준화된 효과적인 원자 표현자를 가지고 선형방정식이 다양한 화학적 환경에서의 활성화 에너지를 예측할 수 있도록 되었다 (하기 방정식 2-1, 2-2 및 2-3).
4면체 중간체 형성 반응의 활성화 에너지를 예측하기 위한 방정식에 쓰이는 효과적인 원자 표현자 중에서 [ δ H ]는 옥시게네이트 종(oxygenating species)과 기질간의 근접도를 결정하고, [평균( α alpha )]는 전이상태의 안정도와 관련이 있다. 본 발명에서 옥시게네이트 종(oxygenating species)으로서 파라-니트로소페녹시 라디칼(PNR; para-nitrosophenoxy radical)이 이용되었고, 모든 전이상태는 진동수 분석을 통해 검증이 되었다.
본 발명에서 개발한 모델을 이용하여 활성화 에너지를 예측하는 흐름도는 도 2에 도시된 바와 같다.
구체적으로, 본 발명에서 개발한 CYP450 효소에 의한 방향족 수산화반응의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 예측하기 위한 모델은 다음과 같다:
i) 대상 분자의 대사위치를 확인하는 단계;
ii) 대상 분자의 반응형을 판단하는 단계;
iii) 상기 단계 ii)에서 방향족 수산화반응으로 판단되는 경우, 원자 표현자 [ δ H ], [평균( α alpha )]를 계산하는 단계;
iv) 원자 표현자를 표준화하는 단계; 및
v) 하기 방정식에 따라 활성화 에너지를 예측하는 단계.
상기 화학식에서,
Fe-O와 함께 있는 원은 옥시페릴(oxyferryl) 중간체를 나타낸다.
[방정식 2-1]
E a aro _o,p = 21.34 -0.75 * [ δ H ] - 1.24 * [평균( α alpha )]
R = 0.71, RMSE = 0.95, n = 16, P 값 = 0.009
[방정식 2-2]
E a aro _m = 22.14 -0.68 * [ δ H ] -0.83 * [평균( α alpha )]
R = 0.88, RMSE = 0.30, n = 8, P 값 = 0.026
[방정식 2-3]
E a aro _0,2,3 = 21.02 -1.49 * [ δ H ] - 0.92 * [평균( α alpha )]
R = 0.87, RMSE = 0.65, n = 33, P 값 < 0.0001
상기 방정식에서,
E a aro _o,p 는 오르토(ortho)/파라(para) 위치에 있는 1개의 치환기를 가지고 있는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타내고;
E a aro _m 는 메타(meta) 위치에 있는 1개의 치환기를 가지고 있는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타내고;
E a aro _0,2, 3 는 0개, 2개, 3개의 치환기를 가지고 있는 벤젠의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지를 나타내고;
[ δ H ]는 반응 수소의 알짜 원자 전하를 나타내고;
[평균( α alpha )]는 이웃한 탄소들의 편극도(polarizability)의 평균값을 나타낸다.
상기 방정식 2-1, 2-2 및 2-3에서, R은 상관계수(correlation coefficient), RMSE는 자승평방근오차(root mean squared error), n은 훈련(train) 시 사용된 원자의 개수, P 값(P value)은 상관계수의 유의성을 알려주는 값이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용한 활성화 에너지 예측 결과는 양자역학적으로 계산한 활성화 에너지와 높은 상관관계를 보였다. 85 경우들 중 70 경우들이 화학적 정확도(mol 당 1kcal) 안에 있다. 일부 안 맞는 것들은 0개, 2개, 3개 치환기를 가진 벤젠을 모델링할 때 모델이 오르토(ortho), 메타(meta), 파라(para) 효과를 고려치 않아서 생겼다. 다양한 분자들의 기체상태에서의 활성화에너지는 Gaussian03[개정C.02, MJ Frisch et al., 펜실베니아 피츠버그, 미국, 2003]을 이용하여 계산하였다.
실시예 4: 방향족 수산화반응의 4면체 중간체 형성의 활성화 에너지 예측 모델에 의해 예측된 활성화 에너지의 검증
실시예 3의 예측 모델을 이용하여 다음 2개의 분자에 대하여 예측된 4면체 중간체 형성반응의 활성화 에너지를 실험값과 비교하여 검증하였다.
[a] #는 화학식 4의 각 분자의 원자 번호를 나타냄.
[b] 본 발명의 방법으로 예측된 활성화 에너지.
[c] 상기 [b]의 예측된 활성화 에너지를 아레니우스 방정식에 넣어서 유도된 대사비율.
[d] 시험관내( in vitro ) 실험대사비율.
표 9에서 각 분자의 실험대사비율은 당업계에 이미 공지되어 있으며, 메톡시벤젠(Methoxybenzene)은 문헌[Robert P. Hanzlik, Kerstin Hogberg, Charles M. Judson. Microsomal hydroxylation of specifically deuterated monosubstituted benzenes. Evidence for direct aromatic hydroxylation. Biochemstry . 1984, 23, 3048-3055]에서; 클로로벤젠(ChloroBenzene)은 문헌[HG Selander, DM Jerina, JW Daly. Metabolism of Chlorobenzene with Hepatic Microsomes and Solubilized Cytochrome P-450 Systems. Arch. Biochem . Biophys . 1975, 168, 309-321]에서 각 분자의 실험대사비율을 확인할 수 있다.
상기 표 9에 나타난 바와 같이, 메톡시벤젠(Methoxybenzene), 클로로벤젠(ChloroBenzene) 등 2개의 분자에 대하여 본 발명의 방법에 따라 예측된 수소분리반응의 활성화 에너지를 아레니우스식에 대입해서 유도된 대사비율 [c] 과 실험대사비율 [d] 을 비교하면, 추세적으로 유사한 경향을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 예측된 활성화 에너지를 통하여 실험대사비율을 예측해낼 수 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위 의해 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 효과적인 원자 표현자를 이용하여 CYP 450 효소에 의한 1 단계(phase I) 대사의 활성화 에너지를 예측하기 위한 경험적 방법을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 모델을 이용한 활성화에너지 예측 흐름도이다.
도 3은 CYP450 효소에 의한 수소분리반응에 관하여 양자역학적으로 계산한 활성화 에너지(QM E a )와 본 발명에 의해 예측한 활성화에너지(Predicted E a )의 상관관계를 도시한 것이다.
도 4는 CYP450 효소에 의한 방향족 수산화반응에 관하여 양자역학적으로 계산한 활성화 에너지(QM E a )와 본 발명에 의해 예측한 활성화에너지(Predicted E a )의 상관관계를 도시한 것이다.
