단백질의 3차 구조 (쉽게 배우는 생화학 07)

 단백질의 구조는 4가지로 분류됩니다. 3차 구조는 구상 단백질이 생물학적으로 활성이 있는 본래의 구조로 접히면서 형성되는 구조입니다. 3차 구조 형성에 중요한 단백질 접힘과 3차 구조의 특징 3가지, 구조를 안정화시키는 화학 결합 4가지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

단백질의 3차 구조 Tertiary structure

 비록 구상 단백질이 많은 수의 2차 구조를 포함하고 있음에도 불구하고 여러 다른 요소들이 참여하여 구상 구조(globular strucutre)를 형성합니다. 구상 단백질이 기능을 하기 위해 원래의 구조로 접혀지며 형성되는 구조가 3차 구조입니다.

 

단백질 접힘

 단백질 접힘(protein folding)은 단백질에서 가장 중요한 개념 중 하나입니다. 아미노산이 서열에 따라 합성된 후 고도의 조직적 구조를 얻는 과정이기 때문입니다. 단백질의 접힘을 촉진시키는 힘의 정확한 메커니즘은 아직 완전히 알려져 있지 않습니다. 그러나 단백질 접힘은 전체의 자유에너지 변화가 음성인 열역학적으로 유리한 과정으로, 엔탈피와 엔트로피 변화 사이의 균형에서 오는 결과라 할 수 있습니다.

 

 폴리펩티드가 접힐 때 유리한 엔탈피는 부분적으로 분자 내 소수성 곁사슬의 격리와 다른 비공유 상호작용의 최적화의 겨로가에 의해 일어납니다. 이러한 요인에 대항하는 것으로 엔트로피의 불리한 감소가 있으며, 이는 무질서한 폴리펩티드가 고도의 조직화된 본래의 상태로 접히면서 일어납니다. 대부분의 폴리펩티드의 접히고 풀린 상태 사이의 순 자유에너지 변화는 상대적으로 크지 않습니다. 이러한 불확실한 균형이 오히려 단백질의 생물학적 기능에 필요한 유연성을 제공합니다.

 

 

3차 구조의 특징

1. 많은 폴리펩티드는 3차 구조의 접힘에 의해 1차 구조에서 멀리 떨어진 아미노산 잔기들이 가까워집니다.
2. 폴리펩티드 사슬이 접히면서 일어나는 효과적인 패킹(packing) 때문에 구상 단백질은 짜임새가 매우 좋습니다. 이 과정에서 대부분의 물분자가 단백질 내부로부터 제거됨으로써 극성과 무극성 그룹 사이의 상호작용이 가능해집니다.
3. 200개 이상의 아미노산 잔기로 된 거대한 구상 단백질은 구조 내 도메인(domain)이라고 하는 여러 짜임새 있는 단위체를 가지고 있습니다. 이 도메인은 이온이나 작은 분자와 결합하는 기능을 갖는 구조적으로 독립된 단편입니다.

 

3차 구조를 안정화 시키는 화학결합

 접힘이 일어남에 따라 단단하게 패킹되면서 또 다음과 같은 화학 결합에 의해 더욱더 안정화됩니다.

 

첫번째, 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)

 폴리펩티드가 접히면서 R기가 물분자의 제거로 인해 가까이 접근하게 됩니다. 그다음 용매화 껍질 속에 고도로 정돈된 물분자가 내부로부터 방출되어 물분자의 엔트로피를 증가시킵니다. 유리한 엔트로피 변화가 단백질 접힘에 주요한 추진력이 됩니다.

 

두번째, 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)

 단백질의 가장 강한 정전기적 상호작용은 반대 전하의 이온 그룹 사이에서 일어납니다. 염다리(salt bridge)라고 하는 비공유 결합은 물분자가 제거된 단백질에서 볼 수 있습니다.

 한 개 이상의 폴리펩티드로 구성된 단백질의 경우 각 폴리펩티드를 소단위라고 합니다. 리간드는 단백질 같은 큰 분자의 특정 부위에 결합하는 분자이고 리간드 결합 포켓은 단백질에서 물분자가 제거된 부위입니다.

 이 염다리는 복잡한 단백질의 인접한 소단위 사이의 상호작용을 도모합니다. 이 결합은 접힌 단백질 내부와 소단위 사이 또는 단백질-리간드 상호작용 사이에서 매우 중요합니다.

 

세번째, 수소결합(hydrogen bond)

 수많은 수소 결합이 단백질의 내부 구조와 표면에 형성됩니다. 극성의 아미노산은 상호 수소 결합 이외에 물 또는 폴리펩티드와 작용합니다.

 

네번째, 공유결합(covalent bond)

 단백질 합성 중 또는 후 폴리펩티드 구조를 변화시키는 화학반응에 의해 공유 결합이 형성됩니다. 대부분의 3차 구조를 나타내는 공유 결합은 많은 세포외단백질에서 발견되는 이황화다리 결합입니다. 세포 외 환경에서 이와 같이 강한 이황화다리 결합은 불리한  pH나 염 농도로부터 단백질의 구조를 부분적으로 보호한다. 세포내단백질은 세포질 내 높은 농도의 환원제를 갖고 있기 때문에 이황화다리를 가지고 있지 않습니다.

 

 

이번 포스팅에서는 단백질의 3차구조와 이를 안정화시키는 화학결합에 대해 알아보았습니다.