단백질의 변성 조건과 섬유상 단백질 (쉽게 배우는 생화학 09)

 지난 포스팅에서는 단백질 변성 조건 8가지가 무엇인지 간단히 언급했습니다. 오늘은 각 조건에 대해 짧게 설명드리고, 섬유상 단백질에 속하는 α-케라틴과 콜라겐, 실크 피브로인에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

단백질의 변성 조건

 단백질의 변성이란 단백질의 구조가 파괴되는 과정을 뜻합니다. 대부분의 변성은 비가역적 반응입니다. 단백질을 변성시키는 조건에는 무엇이 있는지 다시 한번 짚어보도록 하겠습니다.

 

강산 또는 강알칼리

 pH의 변화는 단백질 곁사슬의 양성자 첨가(protonation)를 일으켜 수소 결합과 염다리 패턴을 변화시킵니다. 단백질이 등전점에 가까워지면 불용성으로 변하여 침전합니다.

 

유기용매

 에탄올 같은 수용성 유기용매(organic solvent)는 소수성 상호작용을 방해합니다. 왜냐하면 이 용매는 무극성의 R기와 상호작용하고 극성의 단백질과 물분자와 수소 결합을 하기 때문입니다. 또한 무극성 용매도 소수성 상호작용을 파괴합니다.

 

세제

 양극성(amphipathic) 분자는 소수성 상호작용을 파괴하여 단백질 구조를 폴리펩티드사슬로 풀어지게 합니다. 양극성 분자(amphipathic molecule)는 소수성과 친수성 성분 모두 가집니다.

 

환원제

 요소의 존재 하에서 β-메르캅토에탄올과 같은 환원제는 이황화다리를 술프히드릴기로 전환시킵니다. 요소는 수소결합과 소수성 상호작용을 방해합니다.

 

염 농도

 단백질의 용해도는 염 농도에 따라 확연히 변하게 됩니다. 즉 섬유상 단백질은 물에 거의 녹지 않습니다. 소량의 염을 첨가하면 용해도가 현저하게 향상되는데, 이를 염용(salting in)이라고 합니다. 염이온이 단백질의 이온화 결합에 결합하면 단백질 분자상에 서로 반대되는 전하를 띤 그룹 사이에 상호작용이 감소합니다. 이때 물분자는 이들 전하를 띤 그룹 주위에 용매화 구형(solvation sphere)을 형성합니다. 많은 양의 염을 첨가하면 단백질이 용액으로부터 침전합니다. 많은 양의 염이온은 물분자에 대해 단백질과 경쟁하는데, 즉 단백질의 이온화그룹을 에워싸고 있는 용매화 구형이 제거됩니다. 이때 단백질 분자들은 응집하여 침전하는데 이 현상을 염석(salting out)이라고 합니다. 염석현상은 가역적이기 때문에 단백질 정제의 초기 단계에 널리 이용됩니다.

 

중금속 이온

수은이나 납 같은 중금속이온은 단백질 구조에 영향을 미칩니다. 이들은 음전하와 이온 결합을 함으로써 염다리 형성을 방해합니다. 또한 중금속은 술프히드릴기와 결합하여 단백질의 구조와 기능에 변화를 줍니다. 예를 들면 납은 헴 합성과정에 관련된 두 효소의 술프히드릴기와 결합하게 됩니다. 그 결과로 헤모글로빈 합성이 감소되어 심한 빈혈을 일으킵니다. 빈혈은 납중독의 증상 정도를 나타내는 측정치가 됩니다.

 

온도 변화

 온도가 상승하면 분자의 운동속도가 증가합니다. 따라서 수소 결합 같은 약한 결합은 파괴되어 단백질이 풀어집니다. 어떤 단백질은 열에 의한 변성에 대해 강한 저항능력을 가지는데, 이러한 특성은 효소나 단백질 정제과정(purification procedure)에 응용되기도 합니다.

 

기계적 스트레스

 단백질을 휘젓거나 잘게 갈아주면 단백질 구조를 유지하려는 힘이 파괴됩니다. 예를 들면 머랭과 같이 달걀의 흰자를 세게 휘저으면 거품이 형성되어 단백질을 변성시킵니다.

 

 

섬유상 단백질

 섬유상 단백질(fibrous protein)은 α-나선이나 β-병풍 구조 같은 정규적인 2차구조를 높은 비율로 가지고 있습니다. 막대 모양 또는 병풍 모양 때문에 섬유상 단백질은 기능적 역할보다 구조적 역할을 수행합니다. 대표적인 섬유상 단백질로 α-케라틴, 콜라겐, 실크 피브로인(silk fibroin)등이 있습니다.

 

 

α-케라틴

 섬유상 단백질에 있어서 나선 구조의 폴리펩티드 다발은 큰 묶음으로 꼬여있습니다. 줄다리기용 밧줄을 생각하면 이해하시는 데 도움이 됩니다. α-케라틴(α-keratin)은 머리카락, 털, 피부, 뿔이나 손톱 등을 만드는 폴리펩티드입니다.
각 폴리펩티드는 아미노말단 '머리' 도메인(amino-terminal head domain), 중앙 막대 모양의 α-나선 도메인(central rodlike α-helical domain), 카르복시 말단 '꼬리' 도메인(carboxyl-terminal tail domain)등 3개의 도메인을 가지고 있습니다.

 

 α-케라틴의 폴리펩티드는 Ⅰ형과 Ⅱ형의 두 종류가 있습니다. 두 케라틴 폴리펩티드는 결합하여 꼬인 코일 이합체(coiled coil dimer)를 형성합니다. 이 이합체 두 개의 역평행 가닥은 프로토필라멘트(protofilament)라고 하는 좌선성 초코일 구조(left-handed supercoiled structure)를 형성합니다. 수소 결합과 이황하다리는 프로토필라멘트 소단위 사이의 중요한 화학 결합입니다. 4개의 프로토필라멘트를 가지고 있는 수백 개의 필라멘트가 뭉쳐 거대섬유(macrofibril)를 형성합니다. 소위 섬유(fiber)라고 하는 머리카락의 세포는 여러 개의 거대섬유를 포함하고 있습니다. 머리카락은 케라틴 분자가 수많이 결합된 세포의 집합입니다.

 

α-케라틴의 물리적 성질은 아미노산의 성질에 따라 다릅니다. 이들의 구조는 프롤린처럼 나선 구조-파괴 아미노산이 없고 알라닌과 루신처럼 나선 구조를 촉진시키는 잔기를 자기오 있기 때문에 정규적 형태의 α-나선 구조를 가집니다. R기가 α-나선 바깥 주위에 놓여 있기 때문에 소수성 아미노산의 α-케라틴은 물에 잘 녹지 않습니다. 시스테인 잔기와 나선 사이의 이황화다리 형성은 α-케라틴을 비교적 늘어나지 않게 만듭니다. 뿔과 손톱에서 발견되는 단단한 케라틴은 피부에서 발견되는 것보다 훨씬 더 많은 이황화다리를 가지고 있습니다.

 

콜라겐

척추동물에서 가장 풍부한 단백질이 바로 콜라겐(collagen)입니다. 결합조직 세포에 의해 합성된 콜라겐 분자는 세포외기질(extracellular matrix)로 분비됩니다. 콜라겐은 다양한 기능을 가진 단백질을 가집니다. 즉 피부, 뼈 그리고 혈액 속의 콜라겐 분자는 특이하고 다양한 성질을 가지고 있습니다. 예를 들어 힘줄(tendon)의 장력과 각막의 투명성 등입니다.

 

 콜라겐은 3개의 좌선성 폴리펩티드 나선으로 구성되어 있으며, 서로 꼬여 우선성의 삼중 나선을 형성합니다. 1형의 콜라겐 분자는 길이가 300nm이고 폭이 1.5nm이며 치아, 뼈, 피부와 힘줄 등에 주로 있습니다. 20여 종의 콜라겐 분자가 있으며 인간에 존재하는 콜라겐 중 약 90%는 1형이다.

 

 아미노산서열은 기본적으로 Gly-X-Y 서열이 반복되어 형성되는 삼중 구조입니다. 여기서 보통 X와 Y는 프롤린과 히드록시프롤린입니다. 가끔 히드록시리신이 Y 위치에 나타나기도 합니다. 이러한 이유로 콜라겐의 아미노산 성분 전체 아미노산 중 글리신이 약 30%, 프롤린과 4-히드록시프롤린이 30%를 차지합니다. 그 이외에 3-히드록시프롤린과 5-히드록시리신도 소량 들어 있습니다. 콜라겐 1차 서열 내 특정 프롤린과 리신 잔기는 폴리펩티드 합성 후 조면소포체 내에서 수산화 됩니다. 콜라겐섬유는 노화하면 교차결합이 증가하면서 파손됩니다.

 

 글리신은 반복되는 주요 아미노산 중 하나로, 콜라겐서열을 형성하는 데 중요한 작용을 합니다. 왜냐하면 삼중 나선은 글리신 잔기를 포함하는 사슬 간(interchain) 수소 결합에 의해 이루어지기 때문입니다. 따라서 모든 세 번째 잔기는 두 개의 다른 사슬과 밀착되어 있습니다. 글리신은 충분한 공간을 이용할 수 있는 작은 R기를 가진 유일한 아미노산입니다. 큰 R기는 초나선 구조(superhelix)를 불안정하게 만듭니다. 삼중나선은 리시노노르루신 연결 이외에 폴리펩티드 사이의 수소 결합에 의해 강화됩니다.

 

실크 피브로인

 여러 곤충과 거미는 섬유상 단백질인 피브로인으로 구성된 실크를 만듭니다. 피브로인의 폴리펩티드사슬은 역평행 β-병풍 구조의 β-케라틴입니다. 피브로인은 글리신, 알라닌, 또는 세린과 같이 비교적 작은 R기를 가진 아미노산을 많이 함유하고 있어 β-병풍 구조가 용이하게 형성됩니다. 큰 R기는 실크단백질이 일정한 결정체를 형성하는 것을 방해합니다. 실크의 사슬이 완전히 확장되면 강한 섬유의 성질을 나타냅니다. β-병풍 구조는 서로 느슨하게 결합되어 있기 때문에(약한 반데르발스 힘) 서로 쉽게 미끄러진다. 이러한 구조적 특성 때문에 실크섬유는 유연합니다.

 

 

이번 포스팅에서는 단백질의 변성조건에 대해 상세히 알아보고 섬유상 단백질의 종류에 대해 알아보았습니다.