이차구조의 형성
1. α-나선(helix)의 구조: 오른쪽으로 도는
1. α-나선구조
1. 오른쪽으로 도는 α-나선 시계반대방향
2. 각 펩타이드결합의 -NH, -CO 사이의 수소결합
안정화(첫 번째 잔기의 아미노프로톤과 네 번째 잔기의 카보닐 산소 사이에서 얻어짐)
3. 한 번 회전에 3.6개 아미노산, 0.54nm 4. 불안정성:
· 비슷한 하전을 띤 R-그룹(Asp. His, Glu, Lys, Arg) 정전기적인 반발
· β-탄소 근처의 잔기들의 큰 치환 때문(Ile, Thr)
· 가지사슬 수소결합이나 이온결합의 형성 때문
그림 2-29. α-나선의 평균크기
2. β-병풍구조
- 잔기 사이의 거리: 0.35nm
- 근처 폴리펩타이드의 사슬의 –NH와 –CO그룹 사이의 수소결합에 의해서 안정화
- 평행과 비평행(실크의 섬유는 비평행의 β-병풍구조)
- 아밀로이도시스(amyloidosis) 주된 구조가 β-병풍구조 - β-파이브릴로시스(β-fibrillosis) 이차구조가 잘못 축적됨 - 아밀로이드(amyloid): 뒤틀린 β-병풍구조의 집합체
- 아밀로이드 퇴적 만성적인 부종, 일종의 암, 뇌의 질병(알츠하이머)
- 실험쥐: 수소결합 붕괴 시약 다이메틸설폭사이드 아밀로이드 감소
그림 2-30.
β-병풍구조의 평행과 비평행한 수소결합의 구조
· 다른 잔기와 펩타이드사슬 간의 상호작용 같은 정리된 계속적인 모양을 갖지 못하는 경우
3. 무질서한 코일
· 폴리펩타이드 사슬이 집약된 분자로 만들어지게 되는 원인(공 또는 타원체 모양의 구형단백질).
· 네 개의 아미노산 잔기 머리핀구조를 형성
4. β-회전
- 이차구조와 삼차구조의 중간구조:
초이차구조 또는 구조의 요소(motif) - 구형단백질:
α-나선과 β-병풍구조의 다양한 비율과 조합 - 초이차구조:
· βαβ요소 두 β-병풍구조 사이에 α-나선이 들어 있음
· β-머리핀구조 β-병풍구조가 역평행으로 진행함으로써 머리핀모양
· αα-요소 두 개의 α-나선이 비스듬히 반대방향으로 진행
· 그리스 열쇠 요소 네 가닥의 β-머리핀이 역평행으로 포개짐
· β-장벽의 요소: 연장된 β-병풍구조가 원통모양 구조 5. 초이차구조의 성분
그림 2-31. 초이차구조의 종류
분자가 스스로 선호하는 낮은 에너지 상태를 탐색한다.
단백질은 일차 아미노산의 순서가 이차 및 삼차구조에 영향을 주게 된다.
1. 폴리펩타이드 사슬간의 견인력과 반발력의 힘의 균형
포개짐(folding)
2. 아미노산 가지사슬들 간의 견인력:
공유결합, 이온결합, 수소결합, Van der Waals 견인력, 소수성기의 상호작용
3. 반발력: 정전기적인 반발력, Van der Waals 반발력
삼차구조 및 관련 결합력
그림 2-32.
단백질의 삼차구조를 안정화시키는 공유결합 및 여러 가지의 상호 작용
- 공유결합: 펩타이드결합, 이황화결합
배위결합: 두 원자에 의해서 동등하지 않은,
전자쌍의 공여로 만들어지는 화학결합
전이금속, 유기리간드들 사이에서의 상호작용이 중요.
- 이온결합: 반대 하전을 갖는 두 그룹 사이의 정전기적인 견인력에 의해 일어남.
1. 견인력
- 수소결합:
· 두 개의 전기음성적인 원자들 사이의 수소원자의 공여로 일어남
· 단백질에서 공유할 수 있는 수소원자를 갖는 그룹:
-N-H(펩타이드 질소, 이미다졸 및 인돌), –SH(시스테인), –OH(세린, 트레오닌, 타이로신, 하이드록시프롤린),
-NH2, NH3+(아르지닌, 라이신, 글루타민), -CONH2(카바미노, 아스파라진, 글루타민)
· 수소원자를 공유할 수 있는 그룹:
-COO-(아스파트산, 글루탐산, α-카복실산), -S-CH3(메싸이오닌), -S-S-(이황화 그룹),
=C=O(펩타이드와 에스터 연결)
- Van der Waals 견인력
· 한 분자에서 고정된 쌍극자가 다른 분자의 쌍극자를 유발
· 고정된 쌍극자의 양하전의 끝은 전자그룹을 끌어들이려 하고, 한편 음하전의 끝은 서로 밀어내려고 한다.
· 상호작용의 세기 1/r6
· 비극성 가지사슬들 간의 견인력 - 소수성상호작용:
비극성 가지사슬(방향족 고리, 탄화수소그룹)서로 붙게 되는 원인. π전자는 다른 π전자들과 서로 포개지는 능력이 견인력으로 작용.
- 정전기적인 반발력: 이온성 힘의 반발 - Van der Waals 반발력:
서로 매우 짧은 거리의 원자들 사이에서 작동.
전자구름의 상호반발에 의해서 유도된 쌍극자 때문에 나타난다.
2. 반발력
삼차구조의 결정
- 1950년대 X선 결정구조연구:
- 단백질의 α-나선 β-병풍구조, 핵산 DNA 이중나선의 구조
· 마이오글로빈: 죤 켄드류(John Kendrew)
· 헤모글로빈: 막스 페루츠(Max Perutz)
- X-선 조사 굴절의 모양(무거운 원자-더 진한 색) - 납이나 우라늄 사용, X-선 굴절모양의 비교
- 해상도 6Å 400, 1.4Å 25,000
그림 2-33. 단백질 결정에 X-선을 통과시킨 굴절의 모양
그림 2-34. 마이오글로빈의 X-선 회절의 모양
그림 2-35.
콩 단백질인 콘카나발린 A의 삼차구조 전자밀도 지도
- 근육에서 산소보관, 세포를 통하여 산소를 운반:
153개의 아미노산을 갖는 한 개의 폴리펩타이드사슬과 철을 포함하는 분자인 힘(heme)
- 힘분자의 유기화학 성분인 폴피린: 네 개의 피롤고리 - 여덟 개의 구역의 α-나선, 다섯 개의 비나선구조 구역
존재
- 힘: 분자의 바깥쪽, His F7 힘의 평면 - 가역적인 산소부착 Fe2+ 일 때
- 물 분자 여섯 번째 배위:
· Fe2+ Fe3+(산화)
· 페릭마이오글로빈은 산소결합 불능 1. 마이오글로빈
그림 2-36.
프로토폴피린IX와 철을 포함한 힘(heme) 그룹
그림 2-37. 마이오글로빈의 삼차구조
- 124개의 아미노산, 한 개 폴리펩타이드, 네 개의 이황화결합 - β-머캅토에탄올, 요소, 구아니딘염산염:
효소능력의 상실
- 공기의 노출 설퍼하이드릴그룹의 재산화:
여덟 개의 시스테인잔기가 네 개의 이황화그룹을 만들 수 있는 105가지 다른 분자내부의 이황화그룹을의 형성 가능 - 자발적으로 효소가 생물학적인 활성을 갖도록 재건된다.
유전자코드에 의해서 지정된 라이보뉴클리에이스의 아미노산의 순서는열역학적으로 선호되는 효소의 원래
입체구조를 구성하는 데 필요한 정보를 제공하고 있음을 알 수 있음.
2. 라이보뉴클리에이스
그림 2-38. 라이보뉴클리에이스 A의 일차구조
그림 2-39.
라이보뉴클리에이스 A의 변성 및 재현
- 두 개 이상의 동등한 또는 다른 폴리펩타이드 사슬을 포함하는 기능성 단백질이 갖는 입체구조 - 두 개 이상의 단위체 올리고머(oligmer)
- 여러 단위체 : 촉매활성 조절이 효율적 - 단위체는 비공유성 힘에 의해서 서로 결합 3. 사차구조
단백질의 포개짐
타입 I.
1. 아미노산의 순서에 따라 α-나선과 β-병풍구조의 형성 2. 먼 거리의 상호작용으로 α-나선들이 접근하여
초이차구조의 형성
3. 완전한 단위체로 전체적인 포개짐 타입 II.
1. 폴리펩타이드의 자발적인 붕괴
2. 비극성 잔기의 소수성 상호작용의 조정에 의해 집약된 공모양의 구조를 만들게 됨
3. 용융된 공(molten glubule) 1. 포개짐의 원리
분자샤페론(chaperon):
- 부분적으로 포개졌거나 잘못 포개진 폴리펩타이드와 상호 작용
- 정확한 포개짐의 경로를 선택하거나 포개짐이 일어나도록 미세한 환경을 조절하는 기능
- Hsp70, 분자량 70,000 (heat shock protein)
- 소수성 잔기가 많아서 부적절한 응집을 막는 폴리펩타이드 지역에 결합
- 아직 포개지지 않은 폴리펩타이드를 보호하는 기능
- 세포막을 통하여 이동되기 전까지 포개짐을 억제하는 기능.
- 대장균에서 얻은 DnaK(Hsp70) 과 DnaJ(Hsp40) - 샤페로닌(chaperonin):
대장균에서 GroEL/GroES라 부르는 샤페로닌 체계가 필요
2. 포개짐에 관여하는 효소나 단백질
그림 2-40.
그림 2-41.
단백질 포개짐 과정에서 샤페론의 역할