4장. 단백질의 3차원 구조
개요
• 단백질은 DNA 순서의 1차원적인 세계에서 여러 가지 다양한 기능 도 할 수 있는 분자들의 3차원 세계로 변환되어 구체적으로 표현된 모습이다.
• DNA는 단백질을 구성하는 아미노산의 순서를 암호화하고 있다.
• 단백질들은 3차원 분자들로 복잡한 구성 – 그들의 3차원 구조는 단순히 1차 구조에 의존한다.
• 한 아미노산의 α-카르복실기가 또 하나의 아미노산의 α-아미노기에 연결되 어 형성하는 선형 중합체(linear polymer)들이다.
• 아미노산의 연결은 펩티드결합(또는 아미드 결합)
• 두 개의 아미노산으로 디펩티드(dipeptide)가 형성되면서 한 분자의 물분자 를 잃는다.
4.1 1차 구조: 아미노산은 펩티드결합들로 이어져
서 폴리펩티드 사슬을 만든다.
• 단백질들은 유전자들에 의해 지정되는 고유의 아미노산 순서를 가진다.
• 아미노산의 순서를 아는 것의 중요성
1. 아미노산의 순서에 관한 정보는 단백질의 3차원 구조를 결정하여 준다.
2. 단백질의 아미노산 순서에 관한 지식은 보통 단백질의 작용 기전을 설명하는데 필수적이다.
3. 아미노산 순서의 결정은 의학에서 새로이 대두되고 있는 분자병리학의 한 요소이다.
4.1 1차 구조: 아미노산은 펩티드결합들로 이어져
서 폴리펩티드 사슬을 만든다.
• 폴리펩티드 사슬은 유연성을 가지고 있지만 그들의 입체형태는 제한적이다.
• 아미노산의 순서와 단백질의 3차원 구조 사이의 관계를 결정해주는 법칙
1. 펩티드결합은 본질적으로는 평면성을 가진다.
2. 펩티드결합은 공명(resonance) 구조가 가능한 이중결합 성격을 가짐
평면인 펩티드결합에서는 두 가지 배열이 가능하다.
• 트란스(trans) 배열- 두 α-탄소 원자들이 펩티드결합의 반대쪽에 위치
• 시스(cis)배열- 두 α-탄소 원자들이 펩티드결합의 같은 쪽에 위치
4.1 1차 구조: 아미노산은 펩티드결합들로 이어져
서 폴리펩티드 사슬을 만든다.
• 폴리펩티드 사슬은 유연성을 가지고 있지만 그들의 입체형태는 제한적이다.
• 펩티드결합들과는 달리 아미노기와 α-탄소 원자 사이, 그리고 α-탄소 원자와 카르보닐기 사이의 결합들은 회전의 자유도에 의해 단백질들을 여러 가지 방 법으로 접힐 수 있게 한다.
• 파이(Φ) - 질소와 α-탄소 원자들 사이 둘레의 회전각
• 프사이(Ψ) - α-탄소와 카르보닐 탄소 원자들 사이의 결합 둘레의 회전각
• 두 원자들이 같은 시간에 같은 곳에 있을 수 없다는 사실, 즉 입체적 배제(steric exclusion)가 단백질의 강력한 구성원리가 될 수 있다.
4.1 1차 구조: 아미노산은 펩티드결합들로 이어져
서 폴리펩티드 사슬을 만든다.
• 알파 나선(α helix)은 사슬 안의 수소결합들로 안정하게 된 감긴 구조이다.
• α 나선 구조는 빽빽하게 backbone을 감아 올라가는 막대모양이다. 아미노산 의 곁사슬들은 나선형 배열에서 바깥쪽으로 뻗어 있다.
• α 나선 구조는 주사슬의 NH기와 CO기 사이의 수소결합들로 안정화되어 있 다.
• 각 아미노산의 CO기는 아미노산 순서에서 4개의 잔기 앞에 있는 아미노산의 NH기와 수소결합을 형성한다.
4.2 2차 구조: 폴리펩티드 사슬은 규칙적인 구조들
로 접힐 수 있다.
• β판 구조들은 폴리펩티드 가닥들 사이의 수소결합에 의해 안정되어 있다.
• β판 구조는 β-가닥 구조라고 불리는 둘 또는 그 이상의 폴리펩티드 사슬로 구성되 어 있다.
• β 가닥 구조는 거의 완전히 펼쳐져 있는 모습으로 되어 있다. 근접해 있는 아미노 산들의 곁사슬들은 반대방향으로 향해져 있다.
• β판 구조들은 완전히 역평행(antiparallel)하거나 또는 완전히 평행하거나(parallel) 아니면 섞여 있거나(mixed) 할 수 있다.
• 폴리펩티드 사슬은 역회전과 고리를 만들어 방향을 바꿀 수 있다.
4.2 2차 구조: 폴리펩티드 사슬은 규칙적인 구조들
로 접힐 수 있다.
• 미오글로빈은 3차 구조의 원리를 설명한다.
• 근육의 산소 운반체인 미오글로빈은 153개의 아미노산들로 이루어진 단일 폴 리펩티드 사슬이다.
• 미오글로빈의 산소 결합 능력은 철 이온을 가지고 있는 보결 원자단 (prosthetic group)인 헴의 존재에 의존한다.
• 대부분의 다른 단백질처럼 미오글로빈은 주요 사슬들의 복잡한 접힘 때문에 비대칭적이다. 곁사슬들의 분포에서 통일된 원리가 있음을 알 수 있다. 놀라운
4.3 3차 구조: 수용성 단백질은 빽빽한 구조들로 접
힌다.
• 많은 단백질은 기능적인 상태에서 하나 이상의 폴리펩티드 사슬로 구성되어 있다.
• 단백질에서의 각각의 폴리펩티드 사슬은 소단위체(subunit)라고 지칭한다.
• 4차 구조는 소단위체들의 공간 배열과 그들 사이의 상호작용의 본질을 가리 키는 말이다. 4차 구조의 가장 간단한 종류는 두 개의 같은 소단위체들로 구성 된 이량체(dimer)이다.
