생명과학 강의노트- 단백질, 생명의 연출가
DNA정보에 의해 지정된 아미노산들의 긴 사슬은 순식간에 입체구조의 단백질로 변하고 탄력이 붙어 생명이 원하는 업무를 수행한다.
생명의 주요 업무인 효소반응, 반어, 구조형성, 물질출입, 신호전달 등 거의 모든 것이 단백질에 의해 진행된다.
한 세포 안에서 수천에서 수만 종류의 단백질이 계속 만들어지는 이유이다.
세포에 전해지는 모든 소식에 따라 단백질은 만들어지고 임무가 끝나면 소멸한다.
이 단원에서는 단백질의 입체구조가 만들어지는 과정과 그 역동적인 몸동작에 초점이 맞추어진다.
단백질의 입체구조 형성
첫 단계로, 부분적인 아미노산들의 대화를 통해 골격을 만들기 시작하고(2차 구조), 곧이어 전체 아미노산들이 참여하여 최종구조를 형성한다(3차 구조).
신속한 추진력으로 ‘한 방향one-way'의 미로를 완성하는 것이다.
돌연변이 등의 이유로 아미노산 하나가 교체되면 최종구조가 매우 달라지는 것처럼, 모든 아미노산은 이 입체화 과정에 중요하게 참여한다.
매스게임에서 한 사람의 실수도 용납되지 않는 것처럼 말이다.
단백질의 입체구조 형성 단계_리보솜에 합성될 시점에 보이는 1차 구조의 폴리펩티드 사슬, 입체구조의 프레임에 해당하는 2차 구조, 완성된 최종 입체구조인 3차 구조, 마지막으로 여러 폴리펩티드 입체구조가 모여 이루어진 4차 구조를 거치면서 단백질이 만들어진다(ⓒ Opabinia regalis).
1차 구조
리보솜에서 폴리펩티드가 만들어진 상태는 어떤 구조도 띠지 않고 사슬 모양을 나타낸다.
1차 구조는 공유결합으로만 이루어진, 입체화되기 전의 긴 사슬 구조를 말한다.
2차 구조
이차구조 형성_일차구조(왼쪽)가 이차구조(오른쪽)로 변하면서 삼차구조에 필요한 골격을 형성한다.
코일모습의 α-helix구조와 넓은 화살줄 모습은 β-sheet의 두 이차구조의 모습이 보여진다.
2차 구조는 펩티드 결합 간에 수소 결합을 형성하는 구조이며, 나선구조(α-helix)와 병풍구조(β-sheet)가 있다.
한 폴리펩티드 사슬을 이루는 모든 아미노 잔기들이 2차 구조를 이루는 것은 아니며 1차 구조의 특정 부분에서 R부위의 성격에 따라 이루어진다.
복잡한 입체구조의 형성에서 처음으로 나타나는 구조이다.
나선구조의 구조식과 그 입체 모형들_나선구조(α-helix)는 세 개의 펩티드 결합을 건너뛰고 네 번째 펩티드 결합과의 수소결합으로, 코일 모습이 안정된 구조이다.
병풍구조의 구조식과 그 입체 모형들_병풍구조(β-sheet)는 기다란 사슬의 연속된 펩티드 결합 간의 수소결합으로, 마치 넓은 평면이나 종이 모양의 안정된 구조를 이룬다.
3차구조와 4차구조
2차 구조의 형성과 함께 R부위들 사이에서는 다양한 종류의 상호 전기적인 힘에 의하여 3차 구조가 형성된다.
1차 구조상으로는 매우 멀리 떨어져 있는 R부위들 간에도 3차 구조 형성을 통하여 매우 근접하게 위치할 수 있게 된다.
단백질은 보통 용액에 녹아 있는 형태이므로 소수성 잔기들은 물을 피하여 3차 구조의 내부로 모이게 되고, 친수성의 잔기들(양 또는 음전하를 띠는 잔기들)은 외부에 위치하여 용액과 접하는 경향이 있다.
양전하를 띤 잔기는 음전하 잔기와 가까워지려 하고 같은 전하들은 서로 밀치게 될 것이다.
3차 구조 형성에 참여하는 화학적 결합은 수소결합, 이온결합, 소수성결합, 반데르발스 힘 등 다양하다.
이상의 결합은 1차 구조의 공유결합과는 달리 결합력이 약하여 가변적이다.
많은 단백질은 3차 구조에서 끝나는 것이 아니고, 이런 3차 구조물들이 몇 개 모여 이루어지는 4차 구조를 갖기도 한다.
4차 구조에서는 폴리펩티드 사슬이 둘 이상이다.
단백질은 하나의 폴리펩티드 사슬로(즉 하나의 3차 구조)되어 있기도 하고 여러 개의 폴리펩티드 사슬을 가지고 있어 여러 개의 3차구조가 서로 엮어진 4차 구조를 갖기도 한다.
최종구조
3차이든 4차이든 최종구조가 완성되면 단백질들은 생명을 실행해야 한다.
이를 위해서 단백질들은 여러 물질들과 직접 접촉을 해야 한다.
많은 경우 자기의 몸을 유연하게 움직여 다른 물질과 악수를 하기도 하고 레슬링을 하기도 한다.
단백질은 매우 탄력적으로 움직여 물질들을 변화를 시키기도 하고 제대로 기능하게 만들기도 한다.
신비스러운 미로를 거쳐 1차 구조가 최종구조로 변했지만 이 최종구조는 계속 움직여야 한다.
단백질의 최종구조는 그것의 정교한 건축술을 비웃듯 단 하나의 아미노산 구성원이 교체되면 구조가 돌변하여 제 기능을 수행할 수 없게 되기도 한다.
즉 DNA의 한 염기에 돌연변이가 생기면 결국 그 염기가 지정하는 아미노산이 바뀌어 단백질의 최종구조와 기능이 비정상적으로 변한다.
많은 유전병의 경우에서처럼 DNA의 손상은 결국 단백질의 최종구조를 다치게 한다.
자연과학에 입문하려는 대학생,
생명의 원천적 질서에 관심을 가진 교양인,
생물학 관련 시험을 준비하는 수험생,
일선 중고교 생물 교사,
좀 더 심화된 내용을 학습하려는 고교생들을 위한
단 한 권의 생명과학 교과서
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by minyoung
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