단백질 구조
2022년 7월 4일 - 2022년 7월 10일까지 ‘왓슨 분자생물학 7판(옮긴이: 양재섭 외 14인, 출판사: (주)바이오사이언스출판), 2014’ 을 기반으로 공부한, 단백질 구조 공부 내용을 내 언어로 바꾸어 2022년 7월 10일 기록한다.
학습 및 기록 목표는 논문 ‘Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold’ 을 더 잘 이해하고, 앞으로 단백질 데이터 분석에 필요한, 단백질 관련 생물학 도메인 기본 지식을 쌓는 것 이다.
아미노산
정의
단백질 구성 기본 단위.
아미노산 분자구조
$\alpha$ 탄소, 작용기(카복실기 아미노기), 곁사슬 로 구성되어 있다.
[ 이미지 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/아미노산#/media/파일:AminoAcidball001.svg ]
맨 중앙 알파탄소 왼쪽 NH2 가 아미노기, 알파탄소 오른쪽 CO2H가 카복실기, R은 곁사슬 이다.
카복실기: CO2H 또는 COOH 로 표기한다. 탄소, 산소, 수소 원자로 구성된다. 중간에 탄소 원자에 산소원자 2개가 붙어있고 1개 수소원자가 산소원자 하나에 붙어있다. 카복실기는 수소이온을 내놓기 때문에 산성이다.
아미노기: NH2로 표기한다. 질소원자 1, 수소원자 2 결합한 형태다. 염기성이다.
R기: 곁사슬. 곁사슬 종류 = 아미노산 종류 다. 곁사슬은 극성 갖는데, 곁사슬 극성이 아미노산의 물에 대한 용해도(친수성 vs 소수성) 결정짓는다.
펩타이드 결합
정의
두 아미노산 사이 아미노기와 카복실기가 서로 반응, 물을 내놓으면서 둘이 서로 결합하는 것.
<이미지 출처: https://onsaem9134.tistory.com/21>
단백질은 이 펩타이드 결합의 연속이다. 따라서 단백질을 ‘펩타이드 중합체’ 라고도 한다.
폴리펩티드
정의
아미노산 여러 개가 펩타이드 결합한 것.
- 폴리(Poly-) 는 ‘중합된’ 이란 뜻 갖고 있다. 즉 폴리펩티드는 ‘펩티드 중합체’ 말한다.
- ‘단백질’ 그 자체를 지칭하기도 한다. 하지만 일반적으로는, 일반적 단백질보다 적은 갯수 아미노산 분자로 엮여진 물질 말한다. 즉 폴리펩티드는 사이즈 좀 작은 펩타이드 중합체다.
잔기(Residue)
정의
아미노산.
$\Rightarrow$ 단백질 아미노산 서열(1차구조) 에 속한 아미노산 하나하나. 즉 단백질 기본 단위.
구조(Conformation)
정의
화학결합된 원자들의 3차원 정렬
- 단백질 접힘 구조(folded structure) = 단백질 구성하는 원자들의 3차원 정렬. 즉, 단백질 구조.
단백질
정의
펩타이드 중합체.
- 아미노산 펩타이드 결합의 연속.
아미노산 분자량이 적으면, 폴리펩티드. 분자량 크면, 단백질 이라고 한다.
단백질 구조 (Protein structure)
단백질 접힘 구조(folded structure) 라고도 한다.
단백질은 3차원 구조를 갖는다. 이 3차원 구조는 3차원 적으로 ‘접힌’ 형태 띄고 있다.
그래서 단백질 구조를 ‘단백질 접힘 구조’ 라고 표현한다.
이 단백질 구조를 ‘표현’ 하는 4가지 단계가 있다.
단백질 구조 표현 4단계
1차구조
정의: 아미노산 시퀀스
- 1차원 선(line) 이다. 예:ABCDEFG…XZ
2차구조
정의: 1차구조에 기반해서 만들어지는, 3차원 폴리펩타이드 사슬 중 규칙적인 형태갖는 일부분.
알파나선(Alpha helix), 베타병풍(Beta sheet 또는 Beta strand) 두 가지 종류 있다.
두 2차구조는 ‘안정적’이다.
알파나선(Alpha helix)
정의: 단백질 2차구조 중 하나로, 폴리펩타이드 사슬이 용수철 모양으로 꼬여있는 것 말한다.
[ 이미지 출처: https://statnmath.tistory.com/7 ]
베타병풍(Beta sheet)
정의: 단백질 2차구조 중 하나로, 폴리펩타이드 사슬이 접혀있는 병풍 형상 띄고 있다.
[ 이미지 출처: https://statnmath.tistory.com/7 ]
3차구조
정의: 2차구조 집합 이자 전체 폴리펩티드 사슬이 3차원 구조로 접혀 있는 것.
- 보통 1개 기능 온전히 수행하는 단백질이 3차구조다.
4차구조
정의: 2개 이상 3차구조 집합. 4차구조 구성하는 각 3차구조를 소단위(subunit) 또는 기본단위(protomer) 라고 한다.
1차구조부터 4차구조 까지 그림으로 정리
[ 이미지 출처 https://pendingissue.tistory.com/103 ]
1차구조는 아미노산들 연속적 나열 이다. 구슬 꿴 목걸이 같이 생긴 것이 1개 단백질이다.
2차구조는 알파나선과 베타병풍 두 가지, 있다. 둘 모두 3차원 형상이다.
3차구조는 2차구조 집합이자 전체 폴리펩티드 사슬이 3차원에서 접힌 것 이다.
4차구조는 2개 이상 3차구조 집합이자 복합체다. 4차구조 이루는 각 3차구조를 ‘소단위(subunit)’ 이라 한다.
단백질의 변성(denaturation)
정의
접힘구조 풀림 (unfolded)
- ‘접힌(folded)’ 단백질이 ‘풀림(unfolded)’
- 단백질이 2차구조, 3차구조, 4차구조 상실하는 과정
- 단백질 변성은 1차구조는 손상시키지 않는다.
[ 이미지 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/파일:Process_of_Denaturation.svg ]
1) 단백질 4차구조가 있었다. 2) 열이 가해져서 단백질 내 분자 결합이 변한다 3) 전체 펩타이드 중합체가 ‘풀렸다’.
만약 온도변화, ph변화, 방사선 등으로 인해 단백질 변성이 일어날 경우:
단백질 접힘구조가 풀리게 되고, 단백질은 원래 제 기능 수행 능력 잃어버린다.
이는 곧, 단백질 3차원 접힘구조가 단백질 기능 결정짓는다는 사실 의미한다.
하지만 변성은 단백질 1차구조에 영향 미치지 않기 때문에, 변성제 제거하면 다시 원래 접힘구조로 접힌다. 가역적이다.
$\Rightarrow$ 아미노산 서열(1차구조)이 단백질 3차원 접힘구조 지정한다.
단백질 도메인
정의
3차구조이면서, 독립적으로 진화하고 기능하는 덩어리
- 안정된 부분이다.
- 일반적으로 단백질은 1개 이상 도메인으로 구성된다.
1개 도메인은 약 50~300개 아미노산으로 구성되어 있다. 약 300개 넘으면 서로 다른 도메인(덩어리)으로 분리된다.
단백질 구조 연구 기본지식
- 단백질 구조는 매듭 형성하지 않는다. 한쪽 끝을 잡고 당기면 전체가 직선으로 열린다. 이 직선이 3차원 구조로 ‘접혀있기’ 때문에 ‘단백질 접힘 구조’ 라고 하는 것이다.
- 접힘구조 밝혀진 단백질은 아직 몇 없다.
- 대부분 소수성 곁사슬은 내부로 묻힌다. 친수성 곁사슬은 외부로 노출된다.
단백질 접힘
단백질 아미노산 서열이 단백질의 고유한 접힘구조 지정한다. 따라서 아미노산 서열 이용해 단백질 3차원 접힘구조 알아낼 수 있다.
$\Rightarrow$ 단백질 아미노산 서열에 어떤 아미노산이 어떻게 배열되었느냐에 따라, 단백질 접힘 구조가 바뀐다.
단백질 접힘 문제
정의
아미노산 서열만 이용해 단백질 3차원 접힘 구조 예측하는 문제.
문제점
이게 매우 어렵다. 온전히 아미노산 서열만 이용해서 단백질 3차원 구조 에측하기란 하늘에 별따기. 아직 크기 크고 구조가 복잡한 단백질에 대해서는 시도할 엄두도 못 내고 있다.
2021년 7월 등장한 구글 알파폴드는 바로 이 부분, ‘아미노산 서열만 가지고 단백질 3차원 접힘 구조 예측하기’를 매우 우수한 성능으로 해내서 주목받은 거다.
DNA 염기서열에서 단백질 3차원 구조까지
DNA 염기서열은 단백질 기능 및 구조를 결정짓는다
[ 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/염기서열 ]
DNA 염기서열에 따라 아미노산 서열 결정(지정) $\Rightarrow$
아미노산 서열에 따라 단백질 3차원 접힘 구조 형성 $\Rightarrow$
단백질 3차원 접힘 구조에 따라 단백질 기능 달라짐.
$\Rightarrow$ 결론: DNA 염기서열은 1. 아미노산 서열 결정, 2. 단백질 3차원 구조 및 단백질 기능 형성
단백질의 구조적 변화
단백질이 처한 환경이 변하면, 가장 안정한 단백질 접힘 구조도 변할 수 있다.
예컨대 변성(접힘구조 풀림)도 단백질 구조적 변화의 한 종류다.
다른 분자(효소기질과 같은 저분자 또는 단백질과 같은 고분자)와 상호작용 발생하는; 변성보다 더 약한 환경변화도 단백질 구조적 변화 가져올 수 있다.
예컨대 리간드 결합을 단백질 구조적 변화 가져오는, 약한 환경변화로 들 수 있다.
리간드
정의
표적단백질의 특정부위에 결합하는 분자.
- 표적단백질에 리간드가 결합하면; 표적단백질 3차원 접힘구조가 변화한다. 즉, 단백질 기능이 바뀐다. 표적단백질은 주로 효소나 수용체다.
*수용체(recepter): 신호전달을 목적으로 하며 세포막. 세포질. 세포핵에 들어가는 단백질이다.
리간드가 표적단백질에 결합하면 단백질 접힘구조를 변화시킨다. 이를 통해
- 단백질 기능 활성화 시킬 수 있다; 리간드가 activator 로서 작용
- 단백질 기능 약화 또는 비활성화 시킬 수 있다; 리간드가 inactivator 로서 작용
*리간드 결합은 단백질 접힘 구조만 변경시킬 뿐, 1차구조 아미노산 서열은 변화시키지 않는다.
효소
정의
생체 촉매
- 자신은 변화하지 않으면서, 화학반응 속도를 더 빠르게 해주는, 생물체 내 촉매를 특별히 ‘효소’ 라고 한다.
생체 촉매 역할을 하는 것들, 즉 효소는 대부분 단백질이다.
RNA 중에서도 생체 촉매 역할 하는 것들(효소)이 있는데, RNA 이면서 효소인 이것들을 ‘리보자임’ 이라고 한다.
PDB
Protein Data Bank
단백질 이루는 원자들 3차원 좌표 데이터
- X 선이나 마이크로웨이브파와 같은 빛, 분광장비 사용해 얻는다.