단백질의 구조

단백질

단백질은 아미노산 소단위(subunit)로 구성된 거대분자로, 20개의 상이한 아미노산들이 모여 단백질을 만들기 때문에 그 구조의 다양성은 방대합니다. 단백질 구조의 다양성이 각 단백질의 특정 기능을 결정합니다.

단백질을 구성하는 아미노산들 사이의 화학적 상호작용으로 단백질의 사슬이 특정한 양상으로 휘어지고 접혀 독특한 구조를 이룹니다. 따라서 단백질의 특정 구조, 즉 아미노산의 서열은 유전암호(genetic code)에 의해 결정됩니다. 그리고 단백질 합성에 관련된 유전정보는 DNA와 RNA입니다.

단백질의 구조

단백질(protein)의 소단위인 아미노산(amino acid) 구조는 아미노기(NH2 group)와 카복실기(COOH group)를 갖고 있습니다. 20개의 아미노산이 다양한 구조와 기능을 가진 단백질을 만듭니다. 

 

이때 아미노산들의 차이는 기능기의 차이에 의한 것으로, R은 아미노산의 기능기를 나타내는 일반적인 약어로 잔기(residue)입니다. 극성 아미노산에는 세린, 아스파르트산과 라이신 등이 있고, 비극성 아미노산에는 알라닌과 페닐알라닌 등이 있습니다.

아미노산이 탈수합성을 통해 반응할 때 한 아미노산의 아미노기 말단의 H가 다른 아미노산의 카복실기 말단의 OH와 결합하여 공유결합의 펩티드결합(peptide bond)과 물 분자가 만들어집니다. 

 

이때 만들어진 분자를 펩타이드라고 부르며 2개의 아미노산은 다이펩타이드(dipeptide)를, 3개의 아미노산은 트라이펩타이드(tripeptide)를 만듭니다. 그리고 수많은 아미노산이 펩티드 결합에 의해 아미노산 사슬을 형성할 때 이를 폴리펩타이드(polypeptide)라고 합니다.

폴리펩타이드의 길이는 그 종류에 따라 다릅니다. 예를 들어 갑상샘 자극 방출호르몬(thyrotropin-releasing hormone)은 3개의 아미노산으로 이루어져 있으며, 미오신(myosin)은 4,500개의 아미노산으로 되어 있습니다. 일반적으로 100개 이상의 아미노산으로 구성된 폴리펩타이드를 단백질 (protein)이라고 합니다.

단백질의 1차 구조는 아미노산의 서열입니다. 각 단백질은 1차 구조(primary structure)가 달라 그 기능도 다릅니다. 수소결합(H band)에 의해 특정한 모양의 α-나선(α-helix) 또는 β-병풍(β-pleated sheet) 구조를 형성하는데, 이를 2차 구조(secondary structure)라고 합니다. 대부분의 폴리펩타이드는 굽어지고 자신 위에 접혀 3차 구조(tertiary structure)를 형성합니다.

폴리펩타이드 사슬의 굽어짐(bending)과 접힘(folding)은 아미노산들의 상호작용에 의해 일어나고, 대부분의 3차 구조가 약한 수소결합에 의해 안정화되기 때문에 고온이나 pH 변화 등에 의해 쉽게 파괴될 수 있습니다. 3차 구조의 비가역적 변화를 변성(denaturation)이라고 합니다. 

 

그러나 3차 구조는 이황화결합(disulfide bond, -S-S-)에 의해 더욱 안정됩니다. 변성 단백질은 1차 구조를 유지하고 있으나 변화된 화학 성질을 띱니다. 대표적인 예로 달걀 프라이(egg fry)를 들 수 있는데, 수용성의 알부민이 프라이에 의해 불용성의 흰자위로 변하는 것으로, 이는 단백질의 구조 변화와 상호 교차 결합(cross bond)에 의해 일어납니다.

헤모글로빈(hemoglobin)은 4개의 폴리펩타이드로 구성된 4차 구조(quarternary structure)를 갖고 있으며 산소를 운반하면서 몸속의 많은 단백질은 다른 분자들과 결합합니다. 당단백질 (glycoprotein)은 탄수화물을 가진 단백질로 호르몬과 세포막의 단백질들이 여기에 속합니다. 

 

지질단백질(lipoprotein)은 지질을 가진 단백질로 세포막과 혈장에 주로 존재하며, 어떤 단백질은 색소 분자와 결합하는데, 그 예로 적혈구의 헤모글로빈과 사이토크롬(cytochrome) 등이 있습니다. 핵산 단백질(nucleoprotein)에는 히스톤(DNA)과 라이보솜(RNA) 등이 있다. 금속단백질(metallopror tein)에는 페리틴(Fe3+), 칼모듈린(Ca2+)과 알코올 탈수소효소(Zn2+) 등이 있습니다.