단백질의 4차 구조와 단백질 변성 (쉽게 배우는 생화학 08)

 단백질의 구조 분류 중 4차 구조는 여러 폴리펩티드의 소단위로 구성되고 공유 결합과 비 공유 결합이 소단위를 유지하는 것을 의미합니다. 다중소단위 단백질이 흔히 나타날 수 있는 이유에 대해 알아보고, 단백질의 구조가 상실되는 단백질 변성에 대해서도 설명해 드리겠습니다.

 

 

단백질의 4차 구조 quaternary structure

 고분자량의 많은 단백질은 여러 폴리펩티드 사슬로 되어 있고, 각 폴리펩티드 소단위로 구성되어 있으며 복합단백질의 각 소단위는 같거나 다를 수 있습니다.

 일부 또는 모든 소단위가 동일한 다중소단위 단백질(multisubunit protein)을 올리고머(oligomer)라고 하는데, 이는 1개 또는 2개 이상의 소단위로 구성된 기본 단위체(promoter)로 되어 있습니다. 많은 올리고머단백질은 이합체(dimer) 또는 4량체(tetramer)라 불리는 2개 또는 4개의 소단위 기본 단위체로 구성되어 있습니다.

 

 

다중소단위 단백질이 흔히 나타나는 이유

1. 개개의 소단위 합성이 단일 폴리펩티드사슬의 길이를 증가시키는 것보다 더 효과적이기 때문입니다.
2. 콜라겐 섬유 같은 초거대 분자에서 손상된 또는 낡아빠진 성분을 효과적으로 교체할 수 있기 때문입니다.
3. 복잡한 소단위의 상호작용은 단백질의 생리적 기능을 조절하는 데 도움을 주기 때문입니다.

 

공유교차 결합과 폴리펩티드 소단위

 폴리펩티드 소단위는 공유교차 결합(covalent cross link) 뿐만 아니라 수소 결합, 정전기적 상호작용과 소수성 결합 같은 비공유 결합에 의해 유지되고 조합됩니다. 단백질 접힘에서 보는 것과 같이 소수성의 상호작용은 매우 중요합니다. 그 이유는 소단위 사이에서 작용하는 상보적인 표면 구조가 구상 단백질 도메인(globular protein domain) 내부에서 관찰되는 구조와 유사하기 때문입니다. 흔한 경우는 아니지만 공유교차 결합은 다중소단위 단백질 구조를 안정화합니다.

 대표적으로 면역글로불린의 이황화다리, 결합조직단백질의 데스모신(desmosine)과 리시노노르루신(lysinonorleucine)등이 있습니다. 데스모신 교차 결합 고리는 결합조직단백질인 엘라스틴의 4개의 폴리펩티드사슬을 연결시킵니다. 이는 리신 곁사슬의 산화 반응 결과로 일어나며, 이와 유사한 반응이 엘라스틴과 콜라겐에서 발견되는 교차 결합 구조인 리시노노르루신의 형성 반응과정에서도 나타납니다.

 

 

리간드에 의한 단백질 구조 변화

 소단위 사이의 상호작용이 리간드 결합으로 인해 영향을 받을 수 있습니다. 다른자리 입체성(allostery)구조에서 한 리간드의 결합이 단백질의 입체 구조 변화를 일으켜 다른 리간드와의 친화력을 변화시킵니다. 리간드에 의한 단백질 구조 변화를 다른자리 전이(allosteric transition)라고 하며 이 반응을 유도하는 리간드를 효과물질(effector) 또는 조절물질(modulator)라고 합니다.

 만약 효과물질의 결합이 다른 리간드에 대한 단백질의 친화력을 증가시키면 이를 양성 다른자리효과(allosteric effect)라고 하며 그 반대의 경우를 음성 다른자리효과라고 합니다. 다른자리효과의 가장 대표적인 예시로 O₂ 분자와 다른 리간드의 헤모글로빈과의 가역적 결합을 들 수 있습니다. 그리고 다른자리효소는 대사과정의 조절에 중요한 역할을 합니다.

 

 단백질 구조를 안정시키는 힘도 중요하지만 단백질 기능을 위해서는 구조적 유연성도 필요합니다. 단백질-리간드 상호작용의 연구를 통해 구조적 유연성(단백질 내 원자들의 정확한 위치의 신속한 변화)의 중요성이 밝혀졌습니다.

 효소가 촉매 하는 반응속도는 부분적으로 최종 생성물이 얼마나 신속하게 활성자리로부터 방출되는가에 달려 있습니다.

또한 생체 분자 사이의 정보전이는 정확한 상보적 표면을 갖고 있는 분자가 비공유 상호작용을 필요로 하는 과정에서 작용할 때 일어납니다. 분자 사이의 정보전이는 항상 3차 구조의 변형을 동반합니다. 예를 들어 헤모글로빈 분자의 소단위 구조는 산소가 결합하고 분리하면서 변하게 됩니다.

 

 

단백질 구조의 상실

 단백질 구조는 환경요소에 특히 민감하게 반응합니다. 많은 화학물질과 물리적 요인은 단백질의 구조를 파괴시킬 수 있습니다. 펩티드 결합의 파괴를 의미하지 않습니다. 펩티드 결합이 파괴되는 것은 단백질이 분해된다고 표현합니다. 

 

단백질 변성 denaturation

 단백질 구조가 파괴되는 과정을 변성(denaturation)이라고 합니다. 단백질 변성은 그 정도에 따라 생물학적 활성을 부분적 또는 전부 상실하게 되는데, 이러한 변성은 간혹 단백질의 물리적 성질의 변화를 일으킵니다.

 예를 들어 용해성 달걀의 알부민(달걀흰자)에 열을 가하면 불용성으로 변합니다. 쉽게 말해 날달걀은 액체고, 삶은 달걀은 고체인데 삶은 달걀을 차갑게 한다고 해서 다시 액체 상태로 돌아가지 않는 것을 의미합니다. 다시 이전 상태로 돌아갈 수 없는 반응을 비가역적인 반응이라고 합니다. 다른 많은 변성도 비가역적인 변성 반응입니다.

 

가역적 변성

 1950년대 Chritstian Anfinsen에 의해 보고되었습니다. 소 췌장 RNA 가수분해효소(bovine pancreatic ribonuclease)를 β-메르캅토에탄올(β-mercaptoethanol)과 8M 요소로 처리하면 변성됩니다. 이 과정에서 4개의 이황화다리(-S-S-)를 가지고 있는 RNA 가수분해효소 구조는 완전히 풀어지고 모든 생물학적 활성을 잃습니다. 활성을 잃은 효소에 투석을 이용하여 변성제(denaturing agent)를 잘 제거하면 자발적으로 폴리펩티드의 접힘과 함께 이황화 결합의 재형성이 일어납니다. 효소의 촉매작용이 온전하게 회복된다는 Anfinsen의 실험 결과는 단백질의 3차 구조 형성이 폴리펩티드의 아미노산서열에 따라 결정된다는 사실을 의미합니다. 그러나 유사한 방법으로 처리한 대부분의 단백질은 재생하지 않습니다. 

 

단백질 변성 조건 8가지

1. 강산 또는 강알칼리
2. 유기용매
3. 세제
4. 환원제
5. 염 농도
6. 중금속이온
7. 온도 변화
8. 기계적 스트레스

 

이번 포스팅에서는 단백질의 4차구조와 단백질 변성에 대해 알아보았습니다.