책장 사이엔 새벽별을 꽂고...

CH4. 구조에 의존적인 단백질

◆ 개요

지난번에 아미노산이 어떻게 단백질 구조를 이루고 있는가를 다루어 봤다면, 이번 4장 단백질의 구조에서는 1차, 2차, 3차, 4차 구조에 따른 단백질의 입체적인 구조를 다루어 보아야 한다. ‘구조에 의존적인 단백질’이란 제목을 붙인 이유는, 단백질 자체가 단순한 아미노산 서열이나 이차구조를 가지고 기능을 가질 수 없기 때문이다. 단백질의 입체구조는 단백질의 기능과 굉장히 가까운 관계이다. 이번 리포트에는 구조에 의존적일 수밖에 없는 단백질의 구조를 알아보고, 다음 리포트에서는 구조에 따른 단백질의 기능을 알아볼 것이다.

 
◆ 본문

1. 아미노산서열의 입체구조 - 1차 구조

(1) 공간적 배열

· 아미노산의 아미노말단과 카르복실말단이 펩타이드 결합을 하면서 사슬구조를 띄고 있는것을 지난 4주차 예습 리포트에서 다루어 보았다. 아미노산 자체의 chiral center, 즉 키랄성 입체이성질을 가지고 있다는것도 언급했을 것이다. 탄소의 4가지 사슬의 결합각이 각각의 원자단의 반발력 때문에 최대한 벌어지는 구조로서 정사각형을 선택했기 때문에, 사슬구조 또한 입체이다.

  · 그러나 아미노산은 평면기하구조이다.

· 탄소와 질소결합은 보통의 정상적인 공유결합이지만, 카르보닐기의 산소원자와 질소원자의 관계는 입체이성질체(trans)관계와 비슷하다. 이 결합의 회전성은 상당히 제한받게 된다.

  · 질소가 약간의 양전하를 띄고, 산소가 약간의 음전하를 띠고 있기 때문에, 전자의 이동으로 전기 쌍극자를 갖게 된다.
· 전기쌍극자를 가지게 되면 극성이 매우 커져서 쉽게 수소결합을 할 수 있다.

· 탄소-질소결합이 이중결합과 같이 작용하기 때문에, 이 부분의 구조는 평면일 수 밖에 없고 탄소-질소 결합의 회전도 제한되게 된다. (에탄이 평면이기 때문에 원자단의 회전이 제한되는 경우과 같다.)

· 이렇게 평면으로 고정되는 일정한 결합은 폴리펩타이드 사슬이 가진 입체형태를 제한한다. 따라서 폴리펩타이드 사슬은 무한한 종류가 아니라 한정된 개수를 갖는다.

2. 이차구조

· 단백질의 이차구조는 폴리펩타이드 사슬이 일정한 골격구조를 갖는것이다. 사슬자체가 사슬로서는 변함없지만, 모양이 약간 변하고 아미노산의 잔기끼리 결합 된다. 가장 간단한 이차구조로는 대표적으로 2가지가 있다.

(1) α나선 (helix)

· 폴리펩타이드 사슬도 DNA사슬처럼 나선형의 구조를 갖고 있다.

· α나선 구조는 특정 잔기가 0.515~0.52nm 마다 반복되는 오른손 감기형 나선형 구조이다.

· α나선구조는 질소원자에 결합되어있던 수소와, 한 회 전 해서 돌아오는 카르복실기의 산소사이에서 수소결 합이 형성되기 때문에 나선이 풀리지 않는다.

(2) β입체형태 (βsheet)

· β입체형태는 폴리펩타이드 사실이 평면적으로 붙은 모양이다. 서로 나란히 붙었기 때문에 톱니모양의 병풍구조를 가지고 있으며, β판(βsheet)라고도 한다.

· 한쪽사슬의 수소와 다른사슬의 산소가 수소결합을 이루면서 형성된다.

· 역평행구조는 사슬의 방향이 정 반대이고, 평행구조는 사슬의 방향이 같다. 하지만 두 판의 수소결합은 약간 차이가 난다.

· 하지만 이러한 층 구조를 이루기 위해서는 서로 붙어야 하는 아미노산 잔기가 크면 불리하다.

(3) β돌이 (βturn)

· 사실 β돌이의 경우는 β역평행 판에서 볼수 있는데, 사슬의 끝부분 끼리를 잇는 연결요소이다.

· 이러한 β돌이의 구조는 4개의 아미노산이 둥근 모서리를 이루듯이 서로의 사슬들을 연결하고있는데, 펩타이드 결합 뿐만 아니라 4개의 잔기중 맨 끝의 2개가 수소결합을 하면서 약한상호결합으로 보충해준다.

3. 3차구조

· 삼차구조는 서로다른 유형의 이차구조들이 서로 상호작용하면서 단백질의 구조를 이루는 것이다.

· β돌이와 같은 “굽이”를 형성하는 것들이 각 이차구조의 위치와 방향을 조정하여 동일하거나 서로 다른 폴리펩타이드 사슬, 이차구조를 연결한다.

· 3차구조는 긴 가닥모양의 “섬유단백질”, 공모양의 “구단백질” 크게 두가지로 나눌 수 있다.

(1) 섬유단백질(fiborous)

· 섬유단백질은 그 자체가 동물체의 구조적인 기능을 담당하기에 알 맞다. 그래서 강도와 유연성의 특징적인 구조가 보편적이다.

  ② 콜라겐(collagen)
콜라겐은 주로 힘줄, 연골, 눈의 각막같은 조직에 알맞다.
· 콜라겐은 α케라틴과는 달리 3가닥의 초나선 구조를 가지게 된다. 이를 α사슬이라고 구분하여 부른다.
· 빈틈없는 꼬임을 위해서 거의 글라이신(Gly)처럼 작은 아미노잔기가 사용되며 이러한 3중 나선(triple helix)은 단면적인 강도보다 더 큰 인장강도를 갖는다.

(2) 구 단백질(globular protein)

· 구 단백질의 첫 연구는 마이오글로빈을 통해서 이루어졌다. 마이오글로빈은 헤모글로빈 류로서 근육에서 산소를 빠르게 저장하고 사용할 수 있는 단백질이다.

· 마이오 글로빈은 굽이나 β돌이로 연결된 8개의 α나선으로 이루어져 있다. α나선의 아미노산 잔기의 종류에 따라서, 나선끼리 서로 상호결합하는 구조가 되면 단백질 자체는 매우 안정하게 된다.

· α나선이 서로 상호결합하게되면 내부는 매우 조밀하게 결합되기 때문에 전체적으로 단백질은 구형으로 구겨지면서도 서로 안정한 결합을 갖게 된다.

· 전형적인 구단백질의 3차 구조는 α나선과 β판이 분절되고 연결되는 구조이다.

이러한 여러개의 이차구조들이 서로 연결되거나 특별히 안정된 결합이나 독특한 배열을 갖게되면 모티프(morif)나 접힘(fold) 라고 부른다.

위에서부터 
① β-α-β루프, ②α-α모퉁이
③④ 모든 β모티프의 연결,
⑤ β가닥사이의 오른손 감김연결, ⑥ β가닥사이의 왼손감김연결
⑦ β통, ⑧ 뒤틀린 β판

· 수백개 이상의 아미노산 잔기를 가진 사슬들은 종종 안정된 구형 단위체들을 가지게 되는데 이것들이 덩어리체로 존재하고 모여서 단백질을 이루기도 한다. 이를 영역(domain) 이라고 한다.

· 이러한 영역들이 몇가지 유형으로 존재하는 이유는 꼬임과 교차, 연결의 관계속에서 아미노산의 잔기들이 서로 상호결합을 하면서 단단한 구조를 이루는것이 상대적으로 제한되어 있기 때문이다. 바로 아미노산의 서열 때문이다. (아미노산서열의 구조 결정참고)

이러한 모티프는 α나선과 β판의 쓰임이 어떤가의 방법으로 구분을 한다.

모두 α나선

전부 β판

α나선, β판의 교차 및 산재

α나선, β판 둘 다 있지만 구역별로 존재한다.

  · 이러한 접힘이나 모티프는 무한이 많지는 않다. 단백질 자체가 아미노산 서열에 영향을 받기 때문이다. 특정 서열과 특정 결합에 연연하게되면, 모티브의 구조는 제한받게 된다.

  · 이러한 나선과 판의 접힘구조가 반복적으로 등장하는 단백질 끼리는 그 기능면에서도 유사한 경우가 많다. 심지어 아미노산 서열이 비슷한 단백질 족(protein family)보다, 구조가 비슷한 단백질이 유사성을 갖게 되는데 이를 초족(superfamily)이라고 한다. 이 뜻은 일차구조보다는 삼차구조가 기능면에서 더 많은 영향을 미친다는 뜻이고, 단백질의 기능은 삼차구조이상에서 그 영향력을 갖는다는 이야기도 될 것이다.

4. 4차구조

(1) 단백질의 소단위체

· 여러개의 폴리펩타이드 사슬들이 합쳐져서 소단위를 이루면, 이 소단위가 또다시 여러개 합쳐져셔 4차구조를 이루게된다.

· 4차구조가 3차구조보다 눈부신 특징은 조절의 기능이 있다는 점이다. 여러개의 소단위가 모인 단백질은 소단위 간의 상호작용이 결합되거나 안되거나를 통해 변화를 주게 된다. 이러한 조절분자나 기질농도에 반응하게되면 단백질의 활성에 변화를 주게 된다.

· 소단위가 몇 개일때를 과합체(oligomer), 많은 소단위가 모였을때는 다합체(multimer)라고 한다. 이러한 소단위들의 모임은 동일하거나, 소단위 군 자체가 반복적이여서 비교적 대칭적인 구조를 가지게 된다.

· 이러한 단백질이 소단위 단위인 이유가 있다.

단백질은 비교적 크기가 큰 생체분자이지만, 이 크기를 유지하기위해서 다량의 복잡한 DNA암호를 갖거나, 합성과정 시간이 늘어나서는 곤란하다.

단백질은 아미노산서열에 구조의 영향을 받게되는데, DNA는 이러한 아미노산 서열을 부호화 시켜서 저장하고 있다. 이 부호가 한 개의 단백질을 위해서 특별히 길어지기에는 효율적이지 못하다. 또한 한 개의 특정 단백질을 합성하기 위해서 오랜 시간 아미노산을 결합시키기에는 무리가 있다.

· 생명체는 단백질의 구조를 소단위 구조화 시켜서 반복적인 형태로 만든다. 단백질은 이러한 소단위의 몇 종류를 골라서 반복적으로 사용하면 된다. 합성시에도 큰 단백질을 합성하는게 아니라 소단위만 합성하면 된다. 소단위체의 이점은 바로 여기에 있다.

  (2) 단백질의 구조와 기능

· 여기서는 간략히만 다루기로 한다. 단백질의 구조는 특정한 기질과 반응하도록 구조되어 있기 때문에 기능의 상실이란 말은, 구조의 상실이란 말도 된다.

그래서 단백질은 열에 의해서 접힘이 풀리게 되고, 자연적으로 구조적 상호작용도 느슨해져서 기능부분을 불활성화 시킨다.

· 유기용매, 요소, 계면활성제 등에도 쉽게 구조의 변성이 오게 되는데, 이것들에 주로 녹게되는 소수성 아미노산들의 상호작용을 파괴해서 단백질의 내부적 핵심의 유지축을 파괴하게 된다.

· pH는 단백질의 알짜 전하를 변화시켜서 정전기적 반발을 일으키는데, 이때 수소결합이 파괴된다.

5. 아미노산서열의 구조 결정

(1) 일차구조에서 미치는 영향 - α나선의 제한조건

· L형 아미노산이든 D형 아미노산이든 폴리펩타이드 사슬은 모두 α나선을 만들 수 있다. 하지만 모든 아미노산이 D형이든 L형이든 한 종류로 이루어 져야 한다. 이들은 키랄입체 이성질체이기 때문에 사슬구조에서 한 개라도 이성질체일 경우에 결합에 방해받는 엇갈린 형태가 되기 때문이다.

· 잔기의 성질 또한 α나선의 결합을 방해한다.

글루탐산(Glu)의 잔기가 많은 사슬은 pH7에서 α나선을 만들 수 없다.

글루탐산에는 COO-가 두 개나 있기 때문에, 나선구조에서 음전하끼리 반발하기 때문이다.

같은 이유로 라이신(lys), 아지닌(Arg)이 많은 사슬도 양전하끼리의 반발이 세다.

· 부피가 크거나 모양이 특별한 아미노산은 α의 결합을 방해한다.

아스파라진(Asn), 세린(Ser), 트레오닌(쏙), 시스테인(Cys)이 서로 가까이 있을 경우엔 α나선이 만들어지지 않는다.

· 사슬에서 한 회전 거리의(3~4개 간격) 아미노산 잔기끼리 상호작용이 가능하면 나선에 꼬임이 생긴다.

예를 들어 서로 반대전하를 띤 잔기가 3~4개 간격으로 아미노산 서열이 결정되면, 양 전하는 각각 이온상호작용을 갖게 된다. 그래서 α나선보다는 더 조밀한 코일(coil)구조를 형성한다.

마찬가지로 다른 전하끼리 만나게 되면 이온상호작용으로 α나선이 안정하게 된다.

· 마이오글로빈에서 중요한점은 철(Fe)이 들어가있는 헴기가 단백질 구조 안쪽 깊숙이 있다는 사실이다. 따라서 물과 접촉이 거의 이루어지지 않고 있는데, 이는 산소가 많은 용액에서 산소를 가진 철 이온이 재빨리 산화될 수 있기 때문이다.

(2) 이차구조에서 미치는 영향

· 그러나 구 단백질이 전부 마이오글로빈같은 구조는 아니다. 단백질들은 서로 다른 아미노산서열을 가지고 있고, 서로 다른 삼차구조를 가지고 있어서 서로다른 기능을 가질 수 있다.  

· 모든 섬유단백질은 녹지 않는다. 동식물의 구조적인 지지대 역할을 하려면 물에 녹으면 안될 뿐만아니라, 이런 성질을 위해서 소수성 아미노산들이 주를 이루고 있기 때문이다.

  · 구 단백질같이 조밀한 환경에서 약한 상호작용은 서로 근접거리에서 더욱 강한 결합을 하게 된다. 따라서 소수성 상호작용에 상당한 안정성을 가져오게 된다.

게다가 소수성 잔기들이 내부에 응집되게 되면 자신을 안정화 시키는 더 약한 상호작용과 더 강한 공유결합을 많이 하게 된다? (이건 보류)

(3) 삼차구조에서 미치는 영향

· 몇 가지 단백질의 변성은 다시 회복될 수 있다. 재생(renaturation) 과정이다.

· 라이보뉴클레에이스는 변성원인이였던 요소와 환원제를 제거하면 스스로 4차구조 결합으로 재생하게된다.

이때 정확한 자리에 정확한 분자끼리의 이황결합을 하게 된다. 수 백 여개의 이황결합의 결합가능성을 제외하고 어째서, 단 한 개의 구조형성의 조합을 반복하게 되는것인가?

· 이황결합이 무작위적인 결합을 하기위해서는 어느정도의 아미노산 잔기들 끼리의 약한 상호결합의 영향을 받는다는 이야기 이다. 아미노산 서열 자체의 잔기들의 결합 유형이 존재하고, 이 유형에 의해서 3차구조까지도 가능하다는 것이다.

· 아미노산 사슬의 서열이 3차구조의 접힘구조에 필요한 잔기나 상호결합을 어느 정도 유형화 하기 때문일 것이다.

  
6. 단밸질의 안정성

(1) 소수성 잔기들의 결합

· 아미노산의 소수성 분자들은 소수성끼리의 결합을 이루어서 단단한 내부 결합력을 가진다. 이러한 소수성 작용기들의 뭉침현상은 단백질 구조를 안정화 시킨다.

  (2) 극성 잔기들의 결합

· 소수성 잔기들이 내부로 응집되어 각자의 결합을 이루어 안정화 시켰다면, 극성잔기들은 자체적으로 입체형태의 유지를 위해 서로 결합한다. 결합하지 않은 친수성기나 전하입자들이 다른 결합을 어긋나게하여 정전기적 반발을 일으킬 것이다.

  (3) 약한 상호작용

· 단백질의 안정성을 이루는 가장중요한 것은 약한 상호작용이다. 2차구조의 α나선과 β판을 연결하는데에는 수소결합이 필요하다. 3차구조를 이루는 구의 구조에서 내부의 결합들도 약한 상호결합이다. 이러한 상호작용에는 앞에서 말한 구조적 결합에도 포함되고 있어서, 수소결합, 이황결합, 소수성 결합, 이온결합등과 같은 여러 다양한 결합구조를 가지게 된다.

  (4) 강한 공유결합

· 이 경우는 잦은 편은 아니지만, 초나선(super helix)사슬을 이루는 3차구조에서 강한 밀집력을 통해 공유결합까지도 이루어 지게 된다. 밀도가 높은 곳에서는 약한 상호결합도 더 조밀해지고 강해지거나, 새로운 공유결합이 등장하게 된다. 이들은 모두 단백질 구조를 단단하게 연결시켜주고 입체형태의 안정성을 가지게 해준다.

 ◆ 참고문헌

유기화학 (광림사) 유기화학교재편찬회
생화학 (청문각) 가레트, 레지날드 에이치
기본 생화학 (학문사) 스키브, 래리지

Biochemistry : molecules, cells and the body (Addison-wesley) Dow, Jocelyn

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