제5장. 단백질의 구조적 분류

가. 알파 도메인 구조들
알파 도메인 구조들은 고리 영역들에 의해 연결되는 알파나선의 다발들로 구성된다. 알파나선들은 서로 쌍으로 포개져 각 알파나선의 한쪽 면은 내부 중심에 소수성 곁사슬들을 제공하고, 다른 쪽 면은 용액을 향한다. 알파나선들은 여러 가지 다른 배열 상태로 서로 잘 포개진다. 현재까지 단백질 구조들에서 가장 자주 관찰되는 두가지는 4-나선 다발과 globin 접힘이다. 이 장에서는 알파나선을 포개는 간단한 규칙들로부터 두 가지 접힘이 어떻게 생길 수 있는 지와 globin 접힘이 그 기능을 잃지 않고도 돌연변이를 수용할 수 있는 방식에 대하여 기술할 것이다.

1. 4-나선 다발
두개의 이웃하는 알파나선들은 보통 역평행이다. 이론적으로 이웃하는 나선쌍을 포개는 가장 간단한 방법은 짧은 연결고리를 가진 역평행 방식으로 배열하는 것이다. 이 간단한 배열은 실제로 자주 발견된다. 특히 간단하면서 본보기가 되는 것은 Rop 단백질이다. 이 단백질은 플라스미드의 복제에 관여하는 작은 RNA 결합 단백질이다. Rop의 단량체는 63개의 아미노산들로 이루어진 폴리펩타이드로서 짧은 고리에 의해 연결된 두개의 역평행 알파나선들이 매우 안정된 구조를 이루고 있다. Rop단백질 분자는 두개의 단위체로 구성된 이합체로서 4개의 알파나선 다발은 긴 축을 따라 배열되면서 소수성 중심을 형성한다 (그림 1). 이러한 배열은 하나의 폴리펩타이드 사슬 내에서도 형성될 수 있다. 그림 2는 이러한 도메인 구조에 대한 개요도이다. 4-나선다발 내의 각 나선들의 곁사슬은 소수성 곁사슬들이 나선들 사이에 파묻히고 친수성 곁사슬들은 다발의 표면에 노출되도록 배열된다. 이러한 배열은 긴 다발을 따라 그 중간에 소수성 중심이 생기고 곁사슬들은 물이 배제될 정도로 치밀하게 채워진다.
4-나선다발 구조는 산소전달 단백질인 시토크롬 b562 (4장의 256b.pdb)와 myohemerythrin 을 비롯하여 다양한 단백질들에서 나타난다. (Q1: rasmol을 이용하여 myohemerythrin에서 val과 asp의 위치를 찾아 (select val or select asp) ball and stick으로 바꾸고 색깔을 구분한 후 프린트하시오, 배경은 흰색으로). Myohemerythrin과 시토크롬들의 활성자리들은 분자 한쪽 끝에서 알파나선들 사이의 공간에 위치한다. 그렇지만 그 위치는 약간 다르다. (Q2: rasmol에서 위치를 확인하여 어떻게 다른지 설명하라)

2. Globin 접힘
가장 중요한 알파구조 중 하나는 globin 접힘이다. 이 접힘은 myoglobin, hemoglobin, phycocyanin 등 많은 단백질들에서 발견되었다. Globin 접힘에서 알파나선들의 배열은 4-나선다발 알파구조들에서 발견된 역평행 구조와는 매우 다르다. globin구조는 8개의 알파나선들의 다발이다. A에서 H까지의 8개 알파나선들은 비교적 짧은 고리영역으로 연결되어 있으며 나선들이 활성자리를 위한 빈 공간을 만들 수 있도록 배열되어 있다. 알파나선들의 길이는 myoglobin에서 짧은 나선인 C의 경우 7개 잔기로부터 H와 같은 긴 나선의 경우 28개로 이루어져 있다. Globin 접힘에서 알파나선들은 중심을 다른 방향으로 둘러싸, 알파나선 G와 H를 제외하고는 연이은 알파나선들은 입체구조에서 서로 이웃하지 않게 된다. 따라서 이러한 접힘은 보다 작은 모티브들이 합쳐져 이루어지는 것이 아니다. 때문에 이 접힘은 비교적 작고 간단하면서도 개념적으로 보여주기가 매우 어렵다. (Q3: rasmol에서 myoglobin 구조를 방향을 달리하여 관찰하라. 알파나선들로 이루어진 두 개의 면이 포개진 형태임을 볼 수 있을 것이다. 이 그림을 배경을 하얀색으로 바꾼 후 프린트하여 제출한다)

Globin 접힘은 진화과정에서 보존되어 왔다.  그 삼차원 구조들이 결정된 많은 다양한 생물체들의 globin 도메인들을 서로 비교하였을 때 99%에서 16%에 이르는 염기서열상의 상동성을 보여주었다. 서열상의 상동성이 매우 낮음에도 불구하고 어떻게 globin 접힘은 잘 보존될 수 있었는가?
소수성 내부는 보존되어 있다.  9개의 알려진 globin 구조들을 자세히 분석한 결과 소수성 중심에서 보존된 서열이나 크기를 보상하는 돌연변이가 진화과정에서 삼차원 구조를 보존하는 중요한 요인이 아니라는 것이 발견되었다. 파묻힌 위치에 있는 아미노산들의 소수성 성질은 매우 놀랄 정도로 잘 보존되었다. 반면 표면에 노출된 위치에서는 그렇지 못하다는 것을 발견하였다. 요약하면, 이들 9개의 globin들은 주로 나선과 나선 그리고 나선과 헴 간의 접촉부위에 묻힌 잔기들의 소수성을 거의 절대적으로 유지하여 왔다.
나선의 움직임은 내부 곁사슬 돌연변이를 수용한다.   파묻힌 잔기들의 크기 변화는 고리 영역들의 구조가 변화하면서 다른 나선에 영향을 미치지 않는다. 큰 구조적 움직임을 야기시키는 돌연변이들도 동일하지는 않지만 유사한 나선과 나선간의 접촉면을 만들어낼 수 있을 때는 허용된다.

 

4-나선다발과 globin접힘에 대한 알파나선들을 비교해보면 기하학이 매우 다르다는 것이 분명해진다. 4-나선다발에서는 알파나선들이 서로간에 거의 역평행으로 포개져 나선축 간에 20도의 각을 이룬다. Globin 접힘에서는 이러한 각도들은 보다 크고 대부분의 경우 50도 주변이다.

한 알파나선의 이랑은 이웃하는 나선의 홈에 들어맞는다.  한 알파나선의 곁사슬들은 나선의 표면을 따라 나선상으로 늘어서기 때문에 이들은 표면에 낮은 홈으로 분리된 이랑을 형성한다. 알파나선들은 한 나선의 이랑들이 다른 나선의 홈으로 뒤집혀서 포개진다. 이러한 배열들에 사용되는 이랑과 홈들은 아미노산 서열에서 4개 또는 3개마다 떨어진 잔기들에 의해 형성된다. 이것은 그림 3에 예시되어 있다. 그림에서는 polyalanine 알파나선의 표면에 대한 절편을 보여주며 이랑의 방향은 숫자로 표시되어 있다. DNA 이중나선에서는 이랑과 홈은 당인산 뼈대원자들에 의해 형성되는 것과는 달리 알파나선의 것들은 아미노산 곁사슬에 의해 형성된다.
알파나선을 채우는 가장 공통적인 방식은 한 나선에서 4개마다 떨어진 잔기들의 열로 형성된 이랑들을 다른 나선에 동일한 방식으로 생긴 홈에 맞추는 것이다. 이 경우 이랑과 홈들은 나선 축에 대해 약 25도의 각을 이룬다. 그림 4a (적,청)에 보여진 두개의 나선이 서로 포개지기 위해서는 이들 중 하나 (4a의 청)가 뒤집혀 (종이면을 벗어나 180도 회전하여) 다른 것 (적)의 위에 놓여야만 한다. 두 알파나선들 사이의 접촉면에서는 이랑과 홈들의 방향은 그림 4a에 예시된 것처럼 수직 축의 반대쪽으로 향하게 된다. 따라서 한 나선의 이랑이 다른 것의 홈-또는 그 역-으로 약 50도 (25+25)의 각도로 기울어져야만 한다. 이것이 globin 접힘과 많은 다른 나선 구조들에서 여러 개의 나선과 나선간의 상호작용에 의해 포개지는 형태이다.
두 번째로 자주 나타나는 모델은 3개 떨어진 잔기들에 의해 형성된 이랑들이 4개 떨어진 잔기들의 홈에 들어맞는 것이다. 첫번째 이랑들의 방향은 나선 축에 대해 약 45도의 각을 이루고, 반면 다른 것은 반대 방향으로 약 25도의 각을 이룬다 (그림 4b). 한 나선이 뒤집히면 접촉면에서 이들의 방향은 나선 축의 동일면에 놓이게 된다. 따라서 두 알파나선 사이가 약 20도 (45-25) 기울여지면 이랑과 홈은 서로 들어맞게 된다. 이러한 채움 방식은 4-나선 다발 구조에서 관찰된다 (그림 2).
이랑들을 홈에 채우는 이러한 두 가지 규칙은 매우 보편적으로 알파나선들끼리 포개지는 상호작용들에 거의 대부분 적용된다. 이들은 단백질 구조들에서 관찰되는 이웃하는 알파나선들 간의 기하학적인 배열들을 설명한다.

 

나. α/β 구조들
α/β구조들은 가장 자주 나타나며 가장 규칙적인 도메인 구조들이다. 이것은 알파나선들에 둘러쌓인 평행 또는 혼합된 베타가닥의 중심으로 구성된다. 이 구조는 해당과정의 모든 효소들에서 나타나고 대사물들과 관련된 많은 효소나 단백질들도 이 구조에 해당된다. α/β도메인에서는 결합자리가 고리영역들에 의해 형성된다. 이들은 구조적 안정성에는 기여하지 않으나 결합과 촉매작용에 참여한다.


1. α/β 단백질들의 구조적 특징.  
α/β 단백질들에는 두가지 주요 집단이 있다. 첫 번째에서는 8개의 비틀린 평행 베타가닥들이 단처럼 가깝게 배열되어 원통을 이룬 중심이 있다. 평행 베타가닥들을 연결하는 알파나선은 모두 이 원통의 바깥에 위치한다. 이 도메인 구조는 처음 발견된 효소인 triosephosphate isomerase에서 유래한 TIM원통이라 불린다. 두 번째 집단은 열려지고 비틀린 베타가닥으로 그 양쪽 면을 알파나선들이 둘러싸고 있다. 전형적인 보기로써 TIM의 구조와 탈수소효소와 kinase들에서 발견되는 nucleotide-binding 도메인이 그림 5에 보여져 있다. 하단에 그려진 위상도의 차이를 확인하라.

원통과 열려진 판 둘 다는 β-α-β모티브들로 이루어진다. 그림 6에 보여진 것처럼 두 개의 β-α-β 모티브가 평행인 4 가닥의 베타판으로 연결될 수 있는 두 가지 근본적으로 다른 방법들이 있다. β3가닥은 β2가닥에 이웃하여 배열되면서 1234의 순서로 되거나, β1가닥에 이웃하여 4312의 순서가 될 수 있다. 첫 번째 경우 두 개의 모티브들은 동일한 방향으로 연결된다. 그 결과는 연이은 β-α-β단위체들로서 모두 같은 방향을 가지게 된다. β-α-β단위체는 앞장에서 기술되었듯이 고정된 오른손잡이 구조이므로 3개의 알파나선 (두개의 모티브들과 연결나선으로부터)은 모두 그림 6a의 베타판 위에 보이는 것처럼 동일면에 자리잡는다. 원통구조들에서는 모든 β-α-β모티브들은 동일방식으로 연결되어 있다.

두번째 경우, 베타가닥 1과3을 배열하기 위해서는 두번째 모티브는 회전되어야만 한다. β-α-β모티브는 고정된 오른손잡이 구조이므로 그 알파나선은 베타가닥의 반대면에 위치한다 (그림 6b). 열려진 판 구조에서는 그러한 배열들이 하나 또는 그 이상 존재하며 따라서 베타가닥의 양면에는 알파나선이 존재한다. 이러한 기하학적 규칙이 적용되는 이유는 거의 모든 β-α-β모티브들은 오른손잡이이기 때문이다. 앞서도 언급하였듯이 이것은 경험적인 규칙으로 적절히 설명되지는 않고 있으나 거의 언제나 적용된다.


2. 닫혀진 α/β 원통
가닥순서가 1234인 α/β구조들에서는 모든 연결들은 베타판의 동일면에 놓여있다. 이들은 대부분 그림 5a에서 보여주는 것처럼 원통의 바깥면에 모든 알파나선들이 연결되어 존재한다. 그렇지만 닫혀진 원통을 형성하기에 충분한 단들을 제공하기 위해서는 4개 이상의 베타가닥들이 필요하다. 지금까지 발견된 거의 대부분의 닫혀진 α/β 원통들은 8개의 평행 베타가닥들을 가지고 있다. 이들은 8번 베타가닥이 1번 베타가닥과 이웃하여 수소결합을 이루도록 배열된다.

이 8개의 가닥을 가진 α/β원통구조는 모든 도메인 구조들에서 가장 크고 규칙적인 것이다. 최소한 200개 정도의 잔기들이 이 구조를 이루는데 필요하다. 지금까지 완전히 다른 아미노산 서열과 다른 기능들을 가진 약 15개의 다른 단백질들에서 발견되었다. 이들 단백질들의 구조들을 겹쳐보면 160개 정도의 잔기들이 구조적으로 동등하다. 이 잔기들은 모두 8개의 베타가닥과 알파나선을 형성한다. 나머지 잔기들은 베타가닥과 알파나선을 연결하는 고리영역을 형성한다. 이 고리들은 단백질마다 매우 다른 길이와 구조들을 가진다. 어떤 경우는 매우 길고 전체 단위체 구조에서 별도의 도메인을 형성하기도 한다.

α/β 원통들의 중심에는 가지친 소수성 곁사슬들이 많다.  알파나선들의 소수성 곁사슬들은 베타판 가닥들의 소수성 곁사슬과 포개진다. 베타가닥에 연이은 있는 아미노산들의 곁사슬은 베타판의 반대면에 놓이므로 베타가닥들의 매 두번째 잔기들은 이 소수성 껍데기에 기여한다. 그리고 베타가닥들의 반대쪽 곁사슬들은 원통내부를 향하면서 소수성 중심을 이룬다. 이 중심은 따라서 전적으로 베타가닥 잔기들의 곁사슬에 의해 이루어진다.

유전자 융합에 의해 두개의 원통구조가 합쳐지기도 한다.  대장균에서 두가지 기능을 가진 효소인 PRA-isomerase:1GP-synthase는 tryptophane의 합성에서 두가지 반응을 촉매하며 두 개의 α/β원통을 형성하는 도메인의 폴리펩티드 사슬로 되어있다 (그림 7). 잔기 48-254는 IGP-synthase 활성의 원통을, 잔기 255-450은 PRA-isomerase 활성을 가진 두번째 원통을 형성한다. B. subtilis에서는 이 두가지 반응들은 각기 원통구조를 가지는 별도의 효소에 의해 촉매된다. 그렇지만 두 원통의 활성자리는 정 반대편에 위치하기 때문에 효소수준에서 기능적인 혜택이 있는 것은 아니다.

활성자리는 α/β 원통의 한 쪽에 있는 고리들로 형성된다.  이 모든 α/β 원통 도메인들에서 활성자리는 매우 유사한 위치에 존재한다. 이것은 베타가닥의 카르복실기 말단과 알파나선의 아미노 말단을 연결하는 8개의 고리들에 의해 만들어지는 깔때기 모양의 빈자리 바닥에 위치해 있다 (그림 8). 결합과 촉매활성에 참여하는 잔기들은 이 고리영역들에 존재한다. 다른 말로 이들 효소들은 8개의 알파나선으로 둘러싸인 8개의 평행 베타가닥들의 공통적인 안정된 뼈대 상에 설계되어 있다 각각의 경우 특이적인 효소활성은 베타가닥들의 카르복실 말단에 있는 8개의 고리영역들에 의해 결정되며, 뼈대의 구조적 안정성에 기여하지 않는다. 어떤 경우에는 두번째 도메인이나 다른 단위체로부터의 추가적인 고리영역은 이 활성자리에 근접하게 되고 또한 결합에 참여하게 된다

안정성과 기능은 분리되어 있다.  이들 구조는 도메인의 안정성에 기여하는 잔기들이 특이적인 활성에 관여하는 잔기들과 공간적으로 떨어져 있다는 좋은 보기이다. 그러한 배열은 뼈대의 안정성에 영향을 미치지 않고도 기능을 변화시킬 수 있는 진화적인 혜택이 분명하다. 그러한 결과로 이들 효소들은 in vitro에서의 유전공학적 디자인에 좋은 목표이다. 활성자리 고리영역들의 길이와 잔기들을 변화시킴으로써 효소의 안정성에 영향을 미치지 않고도 새로운 효소 활성들을 만들어내는 것이 가능할 지 모른다.

3. α/β 열려진 판구조
α/β 열려진 판구조는 베타판의 양면에 알파나선들이 있다. 그것은 최소한 3개의 중요한 결과를 낳는다. 첫째, 베타판의 한쪽 면에서 베타가닥들이 알파나선들을 완전히 덮지 않는 한 닫혀진 원통은 형성될 수 없다. 두번째, 베타판의 내부에는 언제나 두 개의 이웃하는 베타가닥들(그림 6b에서 1과 3)이 있으며, 거기에서 다음 베타가닥으로의 연결은 베타판의 반대면에서 일어난다. 이들 두개의 베타가닥들 중 하나로부터 나오는 고리는 베타판의 위로 지나고 다른 고리는 밑으로 지난다. 그 결과 이들 고리들 사이의 베타판 끝 바깥에 홈이 생긴다 (그림 9). 이 부류의 α/β단백질에 존재하는 거의 모든 결합자리들은 베타판의 카르복실 말단에 있는 이러한 유형의 홈에 위치하고 있다. 세번째, 열린 판 구조들에서 알파나선들은 베타판의 양면에 쌓인다. 따라서 각 베타가닥은 베타판의 한쪽 면에서 알파나선들과 포개지는 소수성 곁사슬들을 제공한다.

α/β 원통 도메인 구조들에 반하여 열린 α/β 판들 내에서는 많은 구조적인 변이가 허용된다. 이들은 열린 베타판을 형성하므로 베타가닥들의 수에는 기하학적 제한이 없다. 실제로 그 수는 4에서 8까지 변한다.

α/β 구조들에서 활성자리들의 위치는 예측될 수 있다.  α/β의 원통구조들은 아미노산 서열 뿐만 아니라 기능이 다름에도 불구하고 공통구조 상의 동일 위치에 활성자리들을 가지고 있다. 유사한 관계가 열려진 α/β 판 구조들에서도 일어날 수 있다. 따라서 활성자리의 위치는 모든 α/β 단백질들에서 예견될 수 있다. 이 부류의 20개의 알려진 α/β 구조들을 분석한 결과 모든 구조들에서 베타가닥의 카르복시 말단에 활성자리가 있다는 것이 발견하였다. 기능에 관련된 잔기들은 베타가닥들의 카르복시 말단이 알파나선의 아미노말단과 연결되는 고리영역들에 의해 제공된다. 활성자리는 베타가닥의 끝에 갈라진 틈을 형성한다. 그러한 틈은 베타가닥의 정반대면에 있는 두개의 이웃하는 연결들이 있을 때 생긴다. 이러한 두개의 연결들에 있는 고리영역 중 하나는 그 베타가닥으로부터 나와 베타가닥의 위로 나가고 다른 것은 밑으로 나가 그들 사이에 갈라진 틈을 형성한다 (그림 9). 20개의 구조들 모두에서 활성자리나 그 부분은 그러한 갈라진 틈에 위치한다. 그러한 갈라진 틈들의 위치는 위상도에서 쉽게 예측될 수 있다. 위상도에서 그러한 위치들은 위상전환점 (topological switch point)들이라고 불린다. Q4: rasmol로 adenylate kinase의 그림을 전개하여 AMP의 위치를 확인하고 그림 10의 위상도에서 예측되는 곳에 AMP가 결합하는지 비교하라. 비교하라.

 

다. 역평행 베타 구조들
역평행 베타 구조들은 단백질 도메인 구조들에서 두번째로 큰 그룹을 이룬다. 기능적으로 이 그룹은 가장 다양하여 효소, 수송단백질, 항체, 그리고 바이러스 외피 단백질들이 속한다.

1. 구조적 특징
이들 도메인의 중심은 4~5개에서 10개가 넘는 베타가닥들로 이루어져있다. 베타가닥들은 주로 역평행 방식으로 두개의 베타판이 결합되어 포개지는 형태로 배열되어 있다. 베타판들은 보통 비틀려 있으며 두개의 비틀린 베타판이 쌓이면서 원통형의 모양을 가진다. 그림 11은 super oxide dismutase의 구조로서 이러한 원통구조를 잘 보여준다. 그러므로 베타 구조들은 일반적으로 원통 내에 베타가닥들의 잔기들에 의해 제공되는 소수성 잔기들의 중심을 가진다. 표면은 베타가닥들과 고리영역들의 잔기들로 제공된다. 어떻게 이런 복잡한 구조가 보다 작은 알기 쉬운 모티브들로 나뉘어있는지 살펴보도록 하겠다.
이 구조에 속하는 3가지의 가장 빈번한 그룹들은 up-and-down 원통, 희랍문자, 그리고 젤리롤 원통으로 이들은 모두 하나의 원통구조로 배열된 역평행 베타가닥들이 연결되는 간단한 방식으로 이루어진다.

2. Up-and-down원통
Up-and-down원통들은 간단한 위상을 가진다.  각각의 베타가닥은 이웃하고 마지막 가닥이 처음 가닥과 수소결합으로 연결되어 닫혀진다면 가장 간단한 위상이 얻어질 수 있다 (그림 12). 이것들은 up-and-down 베타판 또는 원통들로 불린다. 베타가닥들의 배열은 4장에서 논의된 α/β원통구조에서와 유사하다. 다만 모든 가닥들은 역평행이고 모든 연결은 머리핀이라는 것만 다를 뿐이다.

앞장에서 rasmol을 통해 살펴본 Retinol-binding 단백질은 up-and-down 베타원통으로 접힌다.

인플루엔자 바이러스의 neuraminidase도 up-and-down 베타판들로 접힌다. Neuraminidase 분자는 4개의 동일한 폴리펩타이드 사슬로 이루어진 사합체이다 (그림 14). 사합체의 각 단위체는 6개의 유사한 접힘을 가진 모티브들로 구성되는 단일 도메인으로 접힌다 (그림 13). 이 모티브는 4개의 가닥들이 이루는 간단한 up-and-down의 역평행 베타판이다 (그림 13b). 가닥들은 비교적 큰 비틀림을 가져 첫번째와 마지막 가닥들은 거의 90도의 각을 가진다. 6개의 모티브들은 각 단위체내에 단위체의 중심을 지나는 축에 대해 약 6회전 대칭으로 배열되는 것이다 (그림 13a).  이들 4개가 모여 그림 14에서 보여주는 초원통을 이룬다.

활성자리는 초원통의 한쪽 끝에 있다.  각 단위체내 여섯개의 베타판들의 위상은 동일할 뿐만이 아니라 마지막 베타판을 제외하고는 서로간의 연결도 그렇다 (그림 13b). 각 베타판의 네번째 가닥은 단위체의 상부를 가로질러 (그림 13a에 보여져있는 것처럼) 다음 판의 첫번째 가닥으로 연결된다.  이 고리는 베타판 내의 가닥2와3을 연결하는 고리처럼 판의 동일 말단에서 베타판으로 들어간다. 더군다나 베타판 모티브는 대략 6회전 대칭이므로 6개의 베타판으로 부터 유래한 12개의 고리영역들은 분자의 동일 말단에 위치한다. rasmol로 전개하면 초원통의 측면을 관찰할 수 있다. 베타판들은 분자의 중심을 지나는 축 주위에 원주모양으로 배열하는 것을 볼 수 있다. 이 원통의 상부에 있는 고리영역들은 넓게 깔대기 모양의 활성자리를 형성한다. 이것은 α/β원통 구조들의 상부에서 고리영역들에 의해 형성되는 활성자리와 유사하다.

인플루엔자 바이러스는 외부에 지질외피를 가지는 RNA 바이러스이다. 이 막에는 두개의 바이러스 단백질들인 neuraminidase와 hemagglutinin이 박혀있다. 이들은 막관통단백질들로서 막내부에 막관통 영역인 몇 개의 잔기들이 있고, 막 외부로 줄기와 머리부분이 돌출되어 있다. 머리들은 바이러스의 표면에 노출되어 이 전염성 바이러스의 항원결정소가 된다. 당이 결합된 hemagglutinin의 기능은 세포막 당단백질의 표면에 있는 sialic acid 잔기들에 결합하여 인식함으로써 숙주세포에 바이러스 입자들이 결합하는 것을 중재한다. 역으로 바이러스 neuraminidase의 역할은 바이러스의 hemagglutinin과 당이 결합된 세포막 단백질들의 탄수화물 곁사슬로 부터 sialic acid 잔기들을 절단함으로써 감염된 세포들로부터 바이러스 자손들이 방출되는 것을 촉진시키는 것으로 보인다. 이것은 바이러스 자손들이 그들이 방출된 세포에 결합하여 재감염하는 것을 방지한다. 바이러스의 관점에서는 이미 감염된 세포들을 재감염하는 것은 물론 시간을 낭비하는 것이다.




3. 그리스 문양
그리스 문양 모티브는 역평행 베타구조들에서 자주 나타난다.  앞장에서 희랍문양모티브가 간단한 방법으로 원통구조의 반대편에 위치하는 역평행 베타구조들을 연결하는 것을 보았다. 이 모티브가 어떻게 간단한 역평행 베타 원통구조들에 삽입되는지 살펴보자. 원통구조로 배열된 8개의 역평행 베타가닥들이 있다고 가정하자 (그림 15). 가닥 n을 다른 역평행 가닥으로 연결하고자 할 때 방법을 생각해보자. 이것을 n+1의 가닥 또는 n-1 가닥으로 연결하면 단순히 up-and-down원통이나 up-and-down원통을 뒤집어 놓은 것과 같은 연결이 된다. 그렇다면 남은 것은 무엇인가 ? 그림 15에서 보면 단지 두가지의 차선택이 있다는 것을 쉽게 알 수 있다. n가닥은 가닥 n+3이나 n-3으로 연결될 수 있다 (왜 n+2, n-2는 곤란한가?). 두가지 경우 모두 원통의 끝을 지나는 짧은 고리영역만이 요구된다. 그러면 어떻게 연결을 계속할 수 있는가 ? 빠진 가닥들을 연결하는 가장 간단한 방법은 그림 15에 예시된 것처럼 up-and-down의 방식으로 연결하는 것이다. 이제 원통내 4개의 이웃하는 가닥들을 단지 짧은 고리영역들을 요구하는 간단한 방법으로 연결하였다. 그 결과는 앞장에서 기술된 역평행 베타구조들에서 가장 많이 관찰되는 희랍문양 모티브이다. 그런데 두가지 경우 중 모든 알려진 구조들에서 관찰되는 것은 그림 15a에서 처럼 베타가닥이 n+3의 가닥으로 연결되는 방식이다. 원통내 나머지 4개의 가닥들은 모티브의 전이나 후에 up-and-down연결이나 또다른 희랍문양 모티브로 결합된다. 그림 16은 g-crystallin의 구조로서 두 개의 그리스 문양 모티브가 연결된 구조를 위상도와 함께 보여주고 있다. Q5: rasmol을 이용하여 그림 16과 동일한 모양으로 전개시킨 후 프린트하고 베타가닥들의 방향을 화살표로 표기하여 제출한다.

4. 젤리롤 모티브
희랍문양 모티브는 젤리롤 원통들을 형성할 수 있다.  희랍문양 모티브를 가진 역평행 원통구조들에서 모티브에서의 연결들은 원통의 한쪽 끝을 가로질러 만들어진다. 그러한 연결들은 희랍문양 모티브에 다른 변화와 조합을 만들면서 하나의 베타원통내에 여러 번 만들어질 수 있다. Crystallin의 구조에는 그러한 연결 두개로 하나의 원통을 형성하는 두개의 연이은 희랍문양 모티브들이 있다. 이것과는 달리 자주 나타나는 또다른 모티브인 젤리롤 모티브는 이러한 형태의 연결이 4개가 있다. 이것은 폴리펩타이드 사슬이 젤리롤 처럼 원통중심을 감아돌기 때문에 젤리롤이라 불린다. 이 모티브는 지금가지 X선 결정으로 분석된 대부분의 구형 바이러스의 외피 단백질을 포함하여 식물 렉틴 concanavalin A와 인플루엔자 바이러스의 hemagglutinin과 같은 여러가지 다른 구조들에서 발견되었다.

젤리롤 모티브는 원통을 휘어감는다.  원통 주위를 줄로 감싸면 줄은 원통을 4번 아래 위로 오가면서 밑부분을 한번, 위는 두번 지나간다.  이 배열은 젤리롤 모티브의 기본적 유형이다. 동일한 작업을 두께가 대략 원통 상부 원주의 1/8인 긴 종이를 이용하여 반복해보자. 추측컨데 폴리펩타이드 사슬은 이 종이를 따라 오른쪽 아래에서 시작하여 왼쪽 아래에서 끝날 것이다 (그림 17). 이 폴리펩타이드 사슬은 고리영역들에 의해 중단되는 8개의 곧은 베타가닥들로 이루어진다. 베타가닥들은 하나의 긴 역평행 머리핀으로 가닥 1은 가닥 8과, 2는 7과, 이런 식으로 수소결합을 이루고 있다. 길다란 종이를 줄을 따라 원통을 감싸면 베타가닥들은 원통의 측면들을 따라가고 고리영역들은 원통의 위와 아래에서 연결을 이룬다 (그림 17).

 

수소결합된 역평행 베타가닥 쌍인 1:8, 2:7, 3:6, 4:5들은 이제 베타가닥 1이 가닥 2와 이웃하고, 7은 4와, 5는 6과, 3은 8과 이웃하는 방식으로 배열된다. 이들은 또한 서로간에 수소결합을 이룰 수 있다. 모든 이웃하는 베타가닥들은 역평행이다. 이것은 8개의 베타가닥들을 위한 기본적인 젤리롤 베타원통 구조이다 (그림 17). 대부분의 그러한 원통등은 8개의 가닥을 가지나 4개 이상의 짝수 가닥들이면 젤리롤 원통을 이룰 수 있다. 8개의 가닥으로 된 원통에서는 원통의 위를 가로질러 2개의 연결이 있고 2개는 바닥을 가로질러 있다. 그 외에도 이웃하는 베타가닥끼리 위에는 2개 아래에는 1개의 연결이 있다. 이 접힘의 위상도는 그림 18에 보여져 있다. 위상도를 그림 16의 그리스 문양 모티브의 것과 비교하여 보아라.

젤리롤 구조는 실제로 하나의 긴 역평행 머리핀으로부터 형성된 것으로 보인다. 그 경우 폴리펩타이드 사슬의 합성 후의 접힘은 베타가닥들이 사슬의 중간 쯤에서 그림 17에서 보여주듯이 긴 역평행 머리핀을 형성하면서 시작될 것이다. 이 긴 역평행 머리핀은 그림 19에 개략적으로 보인 바와 같이 위로 말리면서 추가적인 베타판 상호적용을 이룰 것이다. 이 과정은 2장에서 희랍문양 모티브에 대해 논의된 것과 유사하다. 그리고 비교적 안정한 중간체인 접혀진 상태는 희랍문양과 젤리롤이 역평행 베타가닥들의 다른 가능한 모티브들보다 훨씬 자주 단백질들에서 나타난다는 사실에 대한 좋은 설명을 제공해준다.

 

Q6: pyruvate kinase는 몇가지 도메인으로 구성된 삼차구조의 좋은 예이다. Rasmol 그림을 관찰하여 각각 어떤 구조의 도메인으로 구성되었는지 기술하라.