단백질의 조성과 구조
Protein composition and structure
Chapter 2
- polypeptides의 배향구조 (conformation)
= a-carbon의 양쪽은 단일결합
회전이 가능함
= 회전각
Φ (phi):
Ψ (psi):
- Ramachandran plot (diagram)
= polypeptide 내부에서 회전각의 가능성에 의해 결정됨
가능한 (Φ, Ψ) 조합들 중에서 ¾은 지엽적 구조충돌에 의해 배제됨
이 원리가 단백질의 구조를 형성하는 데에 중요함
- Protein 구조분석: L. Pauling and R. Corey (1951)
= a-helix: 나선구조
= b-sheet: 평판구조
- 수소결합이 a-helix와 b-sheet 구조를 안정화함
= Peptide 결합의 amine group과 carbonyl group 사이에 형성.
1. a-helix는 나선구조이며 내부 수소결합에 의해 안정화 됨 - First predicted structure by L. Pauling.
= Peptide backbone: inside of a-helix
= Side chains: outsides of a-helix
2.3 단백질의 2차구조
a-helix of polypeptide
Ribbon model Ball-and-stick model
- a-Helix는 펩타이드 사슬 내부의 amine과 carbonly group의 수소결합에 의해 안정화됨
= amine group: hydrogen donor
= carbonyl group: hydrogen acceptor
= carbonyl group은 4개 앞에 있는 amine group과 수소결합함.
= 모든 주사슬 (main-chain)의 C=O and N-H group은 수소결합에 참여함.
1.5 Å/residue and rotation of 100 degree/residue
3.6 AAs/turn of helix and 5.4 Å/turn of helix
= 대부분의 a-helix는 오른손 형 (right-handed)의 나선구조임.
왼손형 나선의 안정성이 낮기 때문
= a-helix의 양: 0 – 100 %
수용성 단백질의 25 %가 a-helix로 구성됨.
막투과 단백질의 막투과 부분은 a-helices 구조임.
Ramachandran diagram
for a-helix Left-handed Right-handed
2. b-sheets는 사슬간 수소결합에 의해 안정화 됨 (inter chain hydrogen bonds).
- Second predicted structure by L. Pauling.
- 두 개 이상의 사슬이 필요함
= b-sheet is fully extended all the time.
= 3.5 Å/residue
= 각각 아미노산의 곁사슬은 반대 방향으로 향함
Ramachandran diagram For b-sheet
Structure of b-sheet
- b-sheet는 interchain 수소결합에 의해 안정화됨
= Antipararell b-sheet
= Pararell b-sheet:
- 단백질 내부에는 b-sheet가 일반적으로 4 - 5 정도가 존재함
Antipararell b-sheet Pararell b-sheet
Mixed b-sheet
- b-sheet structure in protein: Twisted shape
b-sheet structure in protein
Structure of Fatty acid binding protein
3. Polypeptide 사슬은 reverse turns과 loop을 형성하면서 방향을 전환함.
- 구형단백질의 구조 형성에 방향전환이 필요함.
= Reverse turn (b turn, hairpin turn)
= Loop: irregular structure
Typical structure of globular proteins
b turn
Loop
4. 섬유성 단백질은 세포와 조직의 구조적 지지를 제공함.
- 생체에서 발견되는 섬유성 단백질
= a-keratin: wool, hair, horns
= Collagen: skin, bone, tendon, teeth
- a-Keratin은 두 가닥의 right-handed a-helix가 왼손형 초나선구조 (superhelix;
a-coiled coil)를 형성하면서 꼬임.
= 중간섬유, myosin, tropomyosin
= 두가닥의 나선은 약한 상호작용에 의해 결합됨
van der Waals forces, ionic interaction.
Heptad repeat structure (hydrophobic residues/
opposite ions/cysteines).
단백질의 물리적 특성을 결정함 (Wool/horn)
Structure of a-Keratin
Heptad repeats in a coiled- coil protein.
- 콜라젠 (Collagen)은 세가닥의 나선형 단백질로 구성됨 (non-a-Helix)
= 포유류에서 가장 풍부한 단백질: Skin, bone, tendon, cartilage, and teeth.
= 1/3 of amino acids의 1/3이 glycine임
Gly-Proline-hydroxy Pro (Hyp)으로 구성됨
= Collagen은 Pro과 Hyp은 구조적 반발에 의해 안정화됨: a-helix 구조 파괴
3 residues/turn in helical structure
= Form superhelical cable by three strands.
Stabilized by interstrand hydrogen bonds
Amino acids sequence of collagen Conformation of collagen Hyp
Why is glycine most abundant amino acid in collagen ?
Structure of collagen
Only Gly can fit the inside of triple helix of Collagen fiber.
Synthesis of collagen and formation of collagen fiber
- 단백질 구조 분석학: X-ray crystallography or nuclear magnetic resonance.
- Myoglobin:
= 근육세포에서 산소 운반단백질
= 한 개의 polypeptide: 153 AAs
= Heme (prosthetic group)에 산소를 결합함
Protoporphyrin IX과 iron ion
= 8개의 a-helix 과 loops, turns으로 구성
2.4 단백질 3차구조
= myoglobin의 안쪽은 거의 nonpolar AA로 구성됨: Leu, Val, Met, and Phe.
Asp, Glu, Lys, and Arg 등은 안쪽에서 발견되지 않음
단지 두 개의 His만 있음: bind to iron and oxygen
= myoglobin 바깥은 polar와 non-polar AA로 구성됨
Distribution of amino acids in myoglobin
- 구형단백질 (globular proteins)
= 안쪽: non-polar AAs
= 바깥쪽: polar AAs
= 열역학적 안정된 구조임:
= a-Helix와 b-sheet는 양친매성 (amphipathic properties)을 가짐
Non-polar side: point into inside
Polar side: point into solution.
= peptide bond의 amine group과 carbonyl group은 어떻게 안쪽에 있을까?
hydrogen 결합을 형성함.
= 단백질의 구조의 안정성은 van der Waals interactions과 소수성 상호작용에 의해 유지됨
- 이 법칙의 위배 예: 단백질의 기능 때문
= Membrane 투과단백질: Porins
- 초 2차구조 (Supersecondary structure, motif) : 전사조절인자의 DNA binding motif
Structure of porins
Structure of a motif (helix-turn-helix)
Activation Domains
DNA binding Domains
- 소단위체 (Subunit): 복합 단백질의 한 개의 polypeptide.
- 4차 구조: 각 소단위체의 공간배치 및 상호 작용에 의해 특정됨 - 이합체 (Dimerization): 가장 간단한 단백질 4차 구조
= 두 개의 소단위체로 구성
= Homodimer:
= Hetrodimer:
2.5 단백질의 4차구조: Polypeptide는 여러 소단위체 (subunit)로
된 복합구조를 형성할 수 있음
- Hemoglobin: 4 개의 소단위체로 구성 (tetramer)
= a2b2
= 산소 결합력의 조절을 위해
- Protein 변성 (denaturation): 단백질의 3차 구조의 변화로 기능을 못하는 상태 - Protein 회복 (renaturation): 변성된 단백질이 다시 정상적인 3차 구조를 회복하
여 기능을 하는 상태
- Christian Anfinsen (1950): ribonuclease
= 단백질 변성제
Urea/Guanidium chloride
b-merchaptoethanol (b-ME)
2.6 단백질의 amino acid sequence가 단백질의 3차 구조를 결정함
Ribonuclease (RNase)
b-mercaptoethanol reduces the disulfide bonds.
= 변성제를 없애면, 단백질은 정상단백질로 회복됨 (Renaturation).
= 회복된 단백질은 자연상태의 단백질과 물리, 화학적 특성이 동일함
- RNase의 정상적인 3차 구조에 대한 정보는 1차 구조인 amino acid 서열에 있음 - Scrambled protein: 회복할 때 잘못된 이황화 결합에
의해 형성되는 단백질 (denatured form)
= 정상단백질로 회복은 자유에너지 감소에 의해 추진됨 - 샤페론 (Chaperone): folding helper
1. Amino acid은 a-Helix, b-sheet, b-turn을 형성하는 경향성이 있다.
- 단백질의 Amino acid 서열이 2차 구조를 결정함.
- AA 서열로 단백질의 2차 구조를 예측가능함
- 어떤 peptide sequences는 자신의 2차 구조를 변형할 수 있음
Secondary structure of “VDLLKN”
2. 단백질 접힘 (folding)은 협동적 (cooperative) 과정이다.
- 단백질 변성 곡선
= all or none structure: resulted from cooperative transition.
= 변성된 부분이 변성되지 않는 단백질에 영향을 주어 변성을 유도함.
3. 단백질은 점진적 안정화를 통하여 접힌다.
- Levinthal’s paradox:
- 단백질 접힘 (folding)에서 부분적으로 정확한 중간체를 유지하는 경향이 있다.
= 잘못된 접힘과 잘된 접힘 사이의 자유에너지 차이가 이 현상을 유지함.
= Nucleation-condensation model
부분적으로 정확한 접힘이 안정화되고, 이것이 전체 단백질의 안정성을 증가 시킴.
4. 단백질 1 차 구조에서 3차 구조를 예측하는 것은 큰 과제로 남아 있다.
- X-crystallography : actual protein structure determination
- Computer-aid prediction of three-dimensional structure of protein.
= Knowledge-based method
= One part of bioinformatics
- 왜 단백질의 3 차 구조를 밝혀야 하는가?
5. 단백질의 folding이 잘못되면 여러 가지 질병을 유발함 - 감염성 단백질: Prion
= 광우병 (Mad cow disease)
= Creutzfeldt-Jakob disease (CJD)
- Prion은 인간 CJD를 유발함 (Stanley Prusiner)
= PrP; 뇌에서 발견되는 정상단백질
- normal PrP: 대부분 most a-helix 구조로 구성 - infected PrP: b-sheet 구조로 구성
- Amyloid: aggregated prion
6. 단백질의 변형 및 쪼개짐 (cleavage)은 새로운 능력을 제공함.
- 단백질의 변형 (modification)
= Acetylation
= Carboxylation
= Glycosylation/glucosamination
= Fatty acid modification
= Phosphorylation
= Hydroxylation
- 단백질 내부 원자단들의 재배열을 이용한 변형
= Green fluorescent protein (GFP)
= Chemical bond rearrangement of Ser-Tyr-Gly in center of GFP
- Peptide 결합의 쪼개짐
= 전구체의 활성화
