단백질 구조

단백질 삼차원 구조의 중요성

 

재조합 DNA 기술의 발달로 단백질들에 대한 아미노산 서열 정보는 거의 기하급수적으로 증가하고 있다. 그렇지만 이들이 제공할 수 있는 생물학적 정보는 현재로서는 이차원적인 수준에 머무르고 있다. 생물학적 활성은 단백질에 의해 수행되고 있으며, 생물체에 존재하는 단백질들은 자연선택적인 압력에 의해 특이적인 기능을 수행하도록 진화되어 왔다. 그리고 단백질의 기능적인 특성은 삼차원적인 구조에 달려있다.  
삼차원 구조는 폴리펩타이드 사슬내의 특정한 아미노산들이 도메인을 형성하면서 생겨난다 (그림 1). 그림에서 일,이차구조에 존재하는 특정 아미노산들이 삼차구조를 형성하면서 공간적으로 서로 만나는 것을 알 수 있다. 이렇게 접혀진 도메인에서는 서열상으로는 멀리 떨어진 아미노산들이 근접하면서 효소나 단백질들에서 발견되는 특이적인 촉매 또는 기질결합 자리들을 제공하기도 하고, 도메인들은 바이러스 입자나 근육섬유와 같은 큰 집합체를 구성하는 단위체로서의 역할을 하기도 한다. 효소에서 단백질 구조물은 활성자리에 작용기들이 적절한 공간적 배열을 가지는데 필요한 것이다. 따라서 단백질의 기능을 이해하기 위해서는 삼차원 구조를 아는 것이 중요하다. 그렇지만 삼차원 구조를 밝히는 일은 현재까지는 실험적으로만 가능하기 때문에 많은 시간이 소요된다. 따라서 아미노산 서열로부터 삼차원 구조를 추론하거나 예견할 수 있었으면 하지만 지난 수십년 간의 노력에도 불구하고 단백질 접힘과 관련된 문제는 아직 풀리지 않고있다.
단백질 대부분의 삼차원 구조가 예측될 수 없기 때문에 이들은 X선 결정학이나 NMR 기술에 의해 실험적으로 결정되어져 왔다. 1958년 myoglobin의 구조가 밝혀진 이래 지난 30년간 500여개 정도의 구조가 X선 방법으로 해결되었다. 그 결과 많은 정보가 얻어졌으며, 단백질 구조에 대한 일련의 기본적인 원리들이 밝혀질 수 있었다. 그 원리들로 인해 단백질 구조가 어떻게 형성되는지 이해하고, 공통적인 구조적 요소들을 규명하고, 구조와 기능 간의 관계를 규명하고, 다른 단백질들 사이의 기본적인 관계를 이해하는 것이 쉬워지게 되었다

 

 

 

앞으로 3주간은 단백질로서 효소들의 입체구조를 이해하는 것이 왜 중요한지 배우게될 것이다. 이를 위해 단백질 구조를 이루는 펩타이드 단위에서부터 모티브, 그리고 도메인의 순으로 구조를 분석하고, 이러한 분석작업을 도와줄 수 있는 컴퓨터 프로그램에 대하여 배우게될 것이다. 마지막으로 단백질들의 구조적 분류와 이들 각각에 해당되는 효소들을 통해 삼차원 구조가 가지는 의미를 찾아보고자 한다.

  

제3장. 단백질의 구조물: 펩타이드 단위

가. 폴리펩타이드 사슬의 구성
단백질은 20가지 아미노산이 연결된 폴리펩타이드 사슬이다. 20가지 아미노산 모두는 공통적으로 수소원자, 아미노기 (NH2), 카르복실기 (COOH)가 하나씩 붙은 중심 탄소원자 (Cα)를 가지고 있다 (그림 2a). 아미노산들을 구분하는 것은 4번째 원자단으로서 Cα에 붙은 곁사슬이다. (Q1:왜 Cα라고 할까?) 유전암호로 결정되는 20가지 다른 곁사슬들에서 드문 경우 전사과정 후에 일어나는 효소적 변형에 의해 다른 것들도 생긴다 (생화학 교재 참조). 아미노산들은 단백질 합성과정에서 펩타이드 결합에 의해 연결된다. 첫번째 아미노산의 카르복실기는 뒤이은 아미노산의 아미노기와 합쳐지며 물이 제거되고 펩타이드 결합이 생겨난다 (그림 2b). 이 과정은 사슬이 연장되면서 반복된다. 그 결과 첫번째 아미노산의 아미노기와 마지막 아미노산의 카르복실기는 온전한 상태로 남아, 사슬은 N-말단에서 C-말단으로의 방향성을 가지게 된다.
펩타이드 결합이 연속되면서 주사슬 (또는 뼈대)를 형성하고 그것으로부터 다양한 곁사슬이 튀어나온다. 주사슬 원자들은 곁사슬이 붙은 탄소원자 Cα와 Cα에 붙은 NH기, 탄소원자 C'가 Cα에 붙은 카르보닐기 C'=O 들이다. 잔기들인(Q2: 왜잔기라고 부를까?) 이 단위들은 한 잔기의 C'원자와 다음 잔기의 질소원자 사이의 펩타이드 결합으로 연결된다 (그림 2b). 따라서 주사슬의 기본적인 반복단위들은 NH-CαH-C'O가 되고, 이것은 펩타이드 결합들이 형성된 후 모든 아미노산들에서 공통적인 부분들의 잔기에 해당된다.


나. 아미노산
곁사슬의 화학적 특성에 따라 아미노산들은 3가지 다른 집단으로 나뉘어진다. 첫번째 집단는 완전히 소수성 곁사슬인 Ala(A), Val(V), Leu(L), Ile(I), Phe(F), Pro(P), Met(M)으로 구성된다. 4개의 하전된 잔기들인 Asp(D), Glu(E), Lys(K), Arg(R)는 두번째 집단을 형성한다. 세번째는 극성인 곁사슬을 가진 Ser(S), Thr(T), Cys(C), Asn(N), Gln(Q), His(H), Tyr(Y), Trp(W)이다. 마지막으로 아미노산 Gly(G)는 수소원자를 곁사슬로 가진 가장 단순한 것이기는 하지만 특별한 성질을 가져 4번째 부류로 구분하거나 첫번째 부류에 포함시키기도 한다.
단백질에서 나타나는 20가지 다른 곁사슬들은 표1에서 보여져 있다. 그들의 이름은 세글자와 한글자로 약어화되어 있다. 한 글자 code는 자주 쓰이므로 암기하는 것이 쓸모가 있다. 표2에서의 설명은 이것들을 잘 외우는데 도움이 될 것이다. (산수에서 구구단 처럼 아미노산 구조에 대한 이해는 단백질을 다루는데 필수적이다)
Cα 원자에 붙은 4번째 기는 두개의 수소원자가 붙은 Gly를 제외하고는 모든 아미노산에서 다르다. Glycine을 제외한 모든 아미노산들은 따라서 L- 또는 D- 형의 두가지 다른 형태로 존재할 수 있는 키랄분자들이다. Q3: L- 또는 D- 형은 어떻게 구분되는가? 생물계는 키랄 형태간의 구분을 포함하는 분자들의 특이적인 정교한 인식에 의존한다. 단백질합성의 번역기구는 L-형의 아미노산 만을 이용할 수 있도록 진화되었다. 따라서 단백질내의 모든 아미노산들은 L-형태이다.

시스테인 잔기들은 이황화가교들을 형성한다. 폴리펩타이드 사슬의 다른 부위에 있으면서 삼차원 구조의 단백질에서는 이웃하는 두개의 시스테인 잔기들은 산화되면서 이황화가교를 형성한다 (그림 3). 이 반응은 산화적인 환경을 요구하기 때문에 거의 환원적인 환경에서 보내는 세포내 단백질에서는 이황화가교는 보통 발견되지 않는다. 그렇지만 이황화가교는 세포외로 분비되는 단백질에서는 매우 자주 발견된다. 이황화가교는 삼차원구조를 안정화시킨다. 어떤 단백질에서 이들 가교는 다른 폴리펩타이드 사슬을 붙잡아둔다. 예로서 인슐린의 A, B 사슬들은 두개의 가교에 의해 연결되어 있다. 분자내 이황화가교는 단일 폴리펩타이드 사슬의 접힘을 안정화시켜 단백질을 분해에 강하도록 만든다. 이러한 예는 뱀독과 단백질분해효소 저해제를 포함하여 많다. 현재 좀더 내열성을 가져 촉매제로서 산업적 응용에 더욱 적합하도록 자리지정 돌연변이를 통해 효소들에 여분의 이황화가교를 넣어주기 위한 노력이 기울여지고 있다.

다. 펩타이드 단위
펩타이드 단위들은 단백질 구조를 이루는 구조적 단위에 해당된다. 그림 2는 생화학자들이 폴리펩타이드 사슬을 나누는 한가지 방법을 보여준다. 그렇지만 단백질의 구조적 특성를 묘사하고자 할 때 더 좋은 방법은 주사슬을 반복단위로 나누는 것이다. 폴리펩타이드 사슬을 한 Cα 원자로부터 이웃하는 Cα에 이르는 펩타이드 단위들로 나누면 (그림 4) 첫번째와 마지막 것을 제외하고는 각 Cα 원자는 그러한 단위 두개에 해당된다. 이런 방식으로 사슬을 나누는 이유는 그러한 단위 내의 모든 원자들은 결합길이와 각도가 모든 단백질내의 모든 단위들에서 공통적으로 거의 같은 하나의 판에 고정된다는 것이다. Q4: 이유는 무엇인가? 주사슬의 펩타이드 단위들은 다른 곁사슬들을 포함하지 않는다 (그림 4).
펩타이드 단위들은 Cα 원자들에 공유결합으로 연결된 매우 견고한 기들이기 때문에 그들이 가진 유일한 자유도는 그 결합 주위에서의 회전 뿐이다. 각 단위는 Cα-C'와 N-Cα 결합 둘레를 회전할 수 있다 (그림 5). 편의상 N-Cα 결합 둘레의 회전을 phi (φ), Cα-C' 결합주위의 회전은 psi (ψ)로 정하였다. 이런 방식으로 각 아미노산 잔기는 두개의 구조적인 각 φ와 ψ로 연관되어 있다. 이들은 유일한 회전각이기 때문에 폴리펩타이드의 전체 주사슬 구조는 각 아미노산에 대한 φ와 ψ각이 확인될 때 완전히 결정된다.

라. Ramachandran plot
한 아미노산에서 φ와 ψ각들의 자유로운 조합은 불가능하다. 왜냐하면 곁사슬과 주사슬 사이의 공간적인 충돌이 일어나기 때문이다. D-와 L-형태의 아미노산들은 CO기에 대해 곁사슬이 다르게 배향되기 때문에 각기 허용된 각도가 다르다. D-아미노산으로 구성된 단백질이 있다면 L-아미노산으로 구성된 것과는 다른 구조를 가질 것이다.
G. N. Ramachandran은 공간적으로 허용되는 구역에 대한 각도를 처음으로 계산하였다. 따라서 φ와 ψ에 대한 각도로 그려진 그림을 라마찬드란 플롯이라고 부른다. 그림 6은 그 계산 결과를 보여주며 그 구조가 정확히 밝혀진 많은 수의 단백질들로부터 Gly를 제외한 모든 아미노산들에 대한 그림을 보여준다. (좀더 확대된 Ramachandran plot) 관찰된 값들은 공간적으로 허용된 구역에 몰려있음을 분명히 보여주고 있다. Q5: 회전각도 0은 어떻게 정의되는가?. Gly은 그림 6c에서 보여주듯이 훨씬 넓은 범위의 구조를 수용하고 있다. 따라서 Gly은 구조적으로 매우 중요한 역할을 맡고있다; Gly은 단백질들에서 일반적나타나지 않는 구조를 가능하게 한다. 이것이 상동단백질 서열에서 Gly이 잘 보존되어 있는 이유이기도 한다.