CH 3 단백질의 구조와 기능

CH 3  단백질의 구조와 기능

 

세포 안에서 필요한 여러 가지 대사 및 작용들은 유전자에 의해 프로그램화되어 있다.  이러한 프로그램을 작동시키려면 매우 많은 종류의 단백질이 서로 연관되어 일을 하게 되는데, 먼저  기초적인 화학반응을 일으킬 수 있는 기본 분자들이 만들어지고, 점차적으로 이러한 기본 분자들을 바탕으로 넓은 영역에 작용할 수 있는 단백질들을 만들어 내어 더 빠르고 특이적인 화학반응이 수행된다.  이렇게 단백질은 각각 다른 구조와 조절과 기능을 하지만 아직 인간에게 있어서는 모두 밝혀지지 않았다 (인간 유전자 염기서열이 밝혀지면서 앞으로 단백질의 구조와 기능이 빠른 시일 내에 밝혀질 것이다).  그러나 효모(yeast)의 한 종류인 Saccharomyces cerevisiae는 매우 단순한 진핵세포이기 때문에 유전자 지도가 이미 완성되어 있다.  

효모의 게놈은 약 6225개의 단백질을 만들어내는데, 이 중 17%는 신진대사와 관련이 있고, 30%는 세포 소기관과 세포막의 발생 및 세포구성과 관련이 있으며, 10%는 세포막을 통과하여 물질을 전달해 주는 단백질과 연관이 있다.  

이번 장에서는 단백질의 구조가 기능에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 한다.

 

3.1 단백질의 위계구조

단백질은 단순한 이온에서부터 크고 복잡한 분자에 이르기까지 모든 분자와 결합할 수 있도록 디자인된다.  또한 매우 넓은 범위의 화학반응을 촉매하고, 세포가 단단한 구조를 가질 수 있도록 해주며, 세포막을 통해 물질의 이동을 통제하기도 하고, 대사물질의 농도를 조절하고, 센서로 작용하며, 움직임을 일으키기도 하며, 유전자의 기능을 조절하기도 한다.  삼차원 구조의 단백질은 위의 기능들을 효과적으로 수행한다.

오늘날 생물학연구에서 주요 분야 중의 하나가 바로 서로 다른 20개의 아미노산(amino acid)으로 이루어져 있는 단백질이 그 많은 일들을 어떻게 수행하느냐 이다.  

탄화수소의 구조와 달리 단백질은 아미노산이 연결되어 있는 가지없는 사슬이며, 비공유결합에 의해 직선형으로 연결되어 있다.  또한 3차원 구조(conformation)가 되었을 때에만 기능을 효과적으로 수행할 수 있다.  즉, 단백질의 기능은 삼차원 구조로부터 나오며, 이러한 삼차원 구조는 아미노산의 서열에 의해 정해진다.

 단백질을 구성하는 아미노산은 구조적으로 가지사슬만 다르다.

아미노산은 단백질을 이루는 낱개 벽돌이다.  단백질의 α 탄소원자(C_α, 녹색사각형안의 C)는 4가지 다른 기(아미노기;NH₂, 카르복실기;COOH, 수소원자;H, 가지사슬;R group)와 결합이 되어 있다.



아미노산은 20가지 종류가 있는데, 모두 위와 똑같은 구조로 되어 있다. 다만 가지사슬(R)부분만 다를 뿐이다.  각각의 아미노산은 표기를 쉽게 하기 위해 하나의 알파벳으로 표시하기도 한다.  그리고 가지사슬이 극성을 띠느냐에 따라 친수성(hydrophilic)과 소수성(hydrophobic)으로 나뉘어 진다.



Fig. 3-1  Hydrophilic Amino Acids

친수성(hydrophilic) 아미노산은 이온화되었거나 극성을 띠는 가지사슬을 가지고 있다.  중성(neutral pH)에서 아르지닌(arginine)과 라이신(lysine)은 양전하를 띠고, 아스파라진산(aspartic acid)과 글루타민산(glutamic acid)는 음전하를 띤다.  히스티딘(histidine)에는 아래 그림과 같은 이미다졸(imidazole)이 결합되어 있는데, pH가 변하면 전하를 띠게 된다.



아스파라진(asparagine)과 글루타민(glutamine)은 전하를 띠지 않지만 수소결합을 할 수 있는 극성을 띠고 있다.  이와 비슷하게 제린(serine)과 트레오닌(threonine)도 전하를 띠지 않지만 수산기를 가지고 있어 다른 극성 분자와 수소결합을 할 수 있다.  이와 같이 위의 아미노산은 친수성이기 때문에 물에 녹는 단백질 표면에서 발견된다.



Fig. 3-2  Hydrophobic Amino Acids

소수성(hydrophobic) 아미노산은 물에 녹지 않고 녹더라도 약간 녹는 지방족(aliphatic) 가지사슬을 가지고 있다.  알라닌(alanine), 발린(valine), 류신(leucine), 아이소류신(isoleucine)과 메티오닌(methionine)의 가지사슬은 메티오닌의 황원소를 제외하고는 모두 탄화수소로 이루어져 있다.  그래서 비극성이다.  페닐알라닌(phenylalanine), 타이로신(tyrosine), 트립토판(tryptophan)의 가지사슬은 방향족으로 이루어져 있다.



Fig. 3-3  Special Amino Acids

마지막으로 시스테인(cysteine), 글라이신(glycine), 프롤린(proline)의 가지사슬은 독특한 모양으로 인해 단백질에서 특별한 역할을 한다.  시스테인의 가지사슬은 -SH(sulfhydryl group)으로 되어 있는데, 산화되면 -S-S-(disulfide bond)결합이 되어 두 번째 시스테인이 된다.

 

Disulfide bond는 세포 내의 단백질에서는 거의 보이지 않으나, 세포 밖에서는 흔하게 존재하며, 단백질의 접혀져 있는 형태를 유지하는데 도움을 준다.

가장 작은 아미노산인 글라이신(glycine)은 R기에 수소 원자 하나만 있어, 좁은 공간에도 들어 갈 수 있다.  또한 프롤린(proline)은 R group과 C_α사이에 공유결합을 이루어 링을 형성한다.  그래서 매우 단단하여 단백질 사슬에서 꺽인 곳을 고정시키는 역할을 한다.  

 펩타이드 결합은 아미노산을 연결시켜 선 모양의 사슬을 만든다.

펩타이드 결합(peptide bond)은 중간에 가지 없이 아미노산을 연결시켜 선을 이루는 결합이다.  이 결합은 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카르복실기 사이를 연결시켜 준다.



이런 식으로 연결된 사슬은 단백질 분자의 골격을 이루게 된다.  그 결과 골격은 극성을 갖게 되고, 한 쪽 끝은 아미노기(N-terminus)가 되고 반대쪽은 카르복실기(C-terminus)가 된다.  그리고 관습적으로 단백질 사슬 왼쪽을 N-terminus로, 오른쪽을 C-terminus로 표시한다.



아미노산이 연결된 사슬은 길이에 따라 두 가지로 나누어 부르는데, 20-30개 정도의 짧은 것을 펩타이드(peptide), 4000개 정도의 긴 것을 폴리펩타이드(polypeptide)라고 한다.  우리가 말하는 단백질(protein)은 삼차원의 폴리펩타이드로 크기는 질량의 단위인 달튼(dalton; Da)이나 분자량(molecular weight; MW)으로 나타낸다.  예를 들어, 10,000MW의 단백질은 질량으로 10,000Da이며, 이것은 10kDa(kilodaltons)이 된다. 

 단백질의 형태를 만드는 구조의 단계에는 4 가지가 있다.

단백질의 구조는 흔히 4 가지 단계로 이루어져 있으며, 아래 그림들은 인플루엔자 바이러스(influenza virus)의 표면 단백질인 헤마글루티닌(hemagglutinin)의 구조를 단계별로 묘사한 것이다.  이 단백질은 동물 세포의 표면에 달라 붙어 감기를 일으킨다.



Fig. 3-4  Primary and Secondary Structure of Hemagglutinin

일차 구조(primary structure)는 아미노산이 일직선으로 연결되어 있는 폴리펩타이트 사슬을 말한다.  이것을 시퀀스(sequence) 또는 서열이라고도 한다.  Fig. 3-4에서 알파벳이 나열되어 있는 모양으로, 각 알파벳은 아미노산을 의미한다.

이차 구조(secondary structure)는 폴리펩타이드 사슬의 부분이 모여서 만들어진 구조로, Fig. 3-4에서 아미노산 서열 바로 밑에 있는 그림을 말한다.  이차 구조에는 두 가지 모양이 있는데, 나선형 막대 모양의 구조인 α helix (파란색 원통형)와 2개 또는 그 이상의 β strand (초록색 화살표)가 연결되어 판 모양이 된 β sheet가 그것이다.



Fig. 3-5  Tertiary Structure of Hemagglutinin

삼차 구조(tertiary structure)는 폴리펩타이드 사슬이 삼차원의 형태를 이루는 구조로, 2차 구조는 수소결합(hydrogen bond)으로 연결되어 안정화되는데 반해 삼차 구조는 비극성 가지 사슬 사이의 소수성 결합(hydrophobic interaction)과 disulfide bond(-S-S-)에 의해 안정화된다.  즉, 이러한 결합으로 인해 2차 구조물들이 서로 단단하게 결합되어 단백질의 크기와 모양을 결정하게 된다.



Fig. 3-6  Quaternary Structure of Hemagglutinin

마지막으로, 두 개 또는 그 이상의 폴리펩타이드 사슬(subunit이라고 한다)이 비공유결합으로 서로 결합되어 있는 단백질을 사차 구조(quaternary structure)라 한다.  헤마글루티닌(hemaglutinin)의 경우에는 세 개의 똑같은 subunit이 결합되어 있는 삼합체(trimer)이다.

결론적으로 일차 구조가 모여서 이차 구조를 이루고, 이차 구조가 모여서 삼차 구조를 이루고, 삼차구조가 모여서 사차 구조를 이루게 된다.  이렇게 이루어진 단백질은 세포 구조의 한 부분을 이루게 된다.

 이차 구조는 단백질 구조에서 중요하고 기본적인 요소다.

단백질에서 폴리펩타이드 사슬 중 60%는 α helix와 β sheet로 단백질을 이루는 주요 요소다. 

α Helix   나선형의 폴리펩타이드를 α helix라고 하며 이차 구조에서 각 펩타이드 결합의 산소원자는 C-terminus쪽으로 나있는 수소원자와 수소결합을 이루기 때문에 나선형을 이루게 된다(아래 그림에서 점으로 연결된 부분).  



Fig. 3-7  Model of the α-Helix

대부분의 α helix에서 나선의 한쪽면 가지사슬은 소수성이고, 반대쪽 가지사슬은 친수성이기 때문에 전체적으로 보면 양친매적(amphipathic)이다.

β Sheet   이차구조의 다른 하나는 β sheet로 β strand로 이루어져 있다.  각 β strand는 짧지만 여러 개가 모여 수소결합으로 연결되어 β sheet를 이루게 된다.  α helix와 같이 β strand도 극성을 띠고 있어서 옆에 있는 β strand와 서로 평행(parallel) 또는 역평행(antiparallel, 두 strand가 평행으로 놓여 있지만 방향은 반대로 되어 있음)으로 주름치마처럼 주름잡힌 판모양으로 형성된다.  아래 그림은 역평행의 β sheet를 앞쪽과 옆쪽에서 본 모습을 그린 모식도이다.



Fig. 3-8  β-Sheet

Turn   3개 또는 4개의 잔기(residue)로 이루어진 turn은 U모양의 이차구조로 단백질의 표면에 존재하여 폴리펩타이드 골격을 단단하게 구부리는 역할을 한다.  만약 turn이 없으면 단백질의 크기는 커지고, 단단하게 뭉치지 못해서 약한 구조를 갖게 될 것이다.  Turn보다 길게 구부러진 것도 있는데 이는 loop라 부른다.

 모티프는 이차구조의 조합이다.

많은 단백질은 하나 또는 그 이상의 모티프(motif)를 가지고 있는데, 이는 이차구조가 특정하게 결합되어 만들어진 것이다.  이것은 특정한 모양을 이루게 되고, 삼차원 구조가 된다.  

Coiled-coil motif는 둘, 셋 또는 네 개의 α helix가 서로를 감싸고 있는 모양이다.  이 모티프에서는 α helix의 소수성 부분이 서로 마주 보면서 꼬여 있다.  Ca²⁺이 붙어 있는 helix-loop-helix motif는 loop에 친수성 잔기가 있어서 여기에 있는 산소원자와 칼슘이온이 결합하여 생성된 것이다.  또 다른 일반적인 motif는 zinc finger로 α helix 1개와 역평행의 β strand 2개로 이루어져 있다.  아연(zinc)이온에 의해 뭉쳐져서 손가락 모양을 이루기 때문에 zinc finger란 이름이 붙었으며, 주로 RNA나 DNA와 결합된 단백질이 이런 모양을 나타낸다.



Fig. 3-9  Coiled-Coil Motif



Fig. 3-10  Helix-Loop-Helix Motif



Fig. 3-11 Zinc Finger Motif

 도메인은 삼차구조의 구성 부분이다.

보통 큰 단백질의 삼차구조는 도메인(domain)이라고 불리는 공 모양 또는 섬유 모양 부분으로 구분된다.  구조적으로 domain은 폴리펩타이드(polypeptide)가 뭉쳐져서 만들어진 것으로 큰 단백질의 경우에는 X-ray나 전자현미경으로 관찰할 수 있다.  이러한 별개의 부분들은 단백질의 다른 부분과 쉽게 구별이 되지만 결국 폴리펩타이드 사슬로 연결되어 있는 하나의 단백질이다.  예를 들면 위의 fig 3-5에서 보듯이, hemagglutinin은 공 모양의 도메인(globular domain)과 섬유 모양의 도메인(fibrous domain)으로 이루어져 있음을 알 수 있다.

Domain은 100-200개의 잔기(residue)로 이루어진 구조로, α helix, β sheet, turn, random coil의 구조가 다양하게 조합되어 있다.  때로는 특이한 구조로 한 도메인을 이루기도 하는데, 특정 아미노산이 많이 모여있는 도메인(proline-rich domain 등) 그 예이다.

때때로 도메인이라는 용어는 기능적인 부분을 일컬을 때 사용하기도 한다.  예를 들면, kinase domain과 같이 단백질에서 효소의 촉매 작용을 일으키는 부분을 가리키기도 하고, DNA-binding domain이나 membrane-binding domain과 같이 한 단백질 내에서 DNA나 생체막과 결합하는 부위를 가리키기도 한다.  이러한 기능적인 도메인(functional domain)은 주로 실험을 통해서 밝혀진다.  보통 단백질의 활성도는 삼차원적 구조로 정해지기 때문에 기능적 도메인은 적어도 하나 또는 여러 개의 구조적 도메인(structural domain)으로 구성되어 있다.

삼차구조는 단순한 구성요소로 복잡한 분자를 만들어낸다는 원리로 생성된다.  결국 이차구조의 모티프처럼 삼차구조의 도메인이 구성요소로 작용하여 각기 다른 단백질을 만들어내는 것이다.  표피성장인자(epidermal growth factor; EGF)가 바로 그 예이다.



Fig. 3-12  구성요소를 이용해 그린 여러 가지 단백질

EGF는 물에 잘 녹는 작은 펩타이드로 이루어진 호르몬으로, 피부나 연결조직의 세포에 붙어서 세포분열을 일으키는 물질이다.  세포 표면에는 EGF 전구체(precursor)가 붙어있는데, 이 전구체는 EGF 도메인이 여러 개 반복적으로 붙어 있는 형태이다.  여기에 단백분해효소가 작용하여 EGF를 하나씩 떼어내어 독립적인 EGF가 생성된다.  또한 EGF 도메인은 조직 플라스미노젠 활성체(tissue plasminogen activator; TPA), Neu 단백질, Notch 단백질에도 존재한다.  여기서 TPA는 심장마비환자에게 혈전용해제로 쓰는 단백분해효소(protease)이고, Neu 단백질은 배발생(embryonic differentiation)에 관여하는 단백질이며, Notch 단백질은 세포들이 서로 달라 붙을 수 있도록 하는 세포부착 분자(cell-adhesion molecule)이다. 

 아미노산 서열의 유사성으로 단백질간의 기능적 진화적 관계를 알 수 있다.

1960년대 맥스 페루츠(Max Perutz)는 아미노산 서열(amino acid sequence)로 단백질의 삼차원 구조를 결정한다는 원리를 증명하였다.  X-ray로 마이오글로빈(myoglobin)과 헤모글로빈(hemoglobin) 결정체를 분석하여 비교했을 때, 마이오글로빈과 비슷한 분자들이 4개가 모여 헤모글로빈을 이룬다는 사실을 알았다.  비록 그 당시에는 아미노산 서열을 몰랐지만, 페루츠는 두 단백질이 비슷한 배열로 이루어졌다는 것은 아미노산 배열도 비슷하다는 것을 의미한다고 제안했다.  후에 두 단백질에서 똑같거나 화학적으로 비슷한 서열이 있다는 것이 밝혀졌다.  또한 두 단백질의 기능도 비슷한 것으로 밝혀졌다.  마이오글로빈은 근육에서 산소를 운반하는 역할을 하고, 헤모글로빈은 혈액에서 산소를 운반한다.



Fig. 3-13  Model of Tertiary Structure of Myoglobin and Hemoglobin

단백질의 서열과 삼차원 구조에 관한 축적된 자료들을 살펴보면, 비슷한 서열일 때 비슷한 이차, 삼차 구조가 형성된다는 것을 알 수 있다.  그래서 요즘에는 아미노산 서열을 보고 단백질의 삼차원 구조를 추론해내기도 한다.

18,19세기의 고전분류학에서는 생물체를 주로 겉모양이 유사하냐 다르냐에 따라 분류하였다.  그러나 요즘에는 분자생물학의 발달로 인해 아미노산 서열의 유사성으로 분류하는 분자분류학(molecular taxonomy)이 탄생하게 되었다.  이 새로운 분류학에서는 단백질의 기능과 진화적인 관계까지 알 수 있다.  만약 서로 다른 생물체의 단백질간의 서열이 유사하다면 그 단백질은 서로 비슷한 기능을 할 것이다.  또한 아미노산 서열의 유사성은 단백질 사이에 진화적으로 밀접한 관계가 있다는 이야기가 된다.  즉, 같은 조상으로부터 진화되었다는 것을 의미한다.

비슷한 단백질의 혈족관계를 나무모양도표로 나타낼 수 있다.  예를 들어 서로 다른 종의 동물에서 만들어지는 헤모글로빈의 아미노산 서열을 보면, 원시적인 산소결합 단백질에서 진화되었음을 알 수 있다.  시간이 지나면서 조상 단백질은 천천히 변하여 단량체(monomer) 단백질인 마이오글로빈과 사량체(tetramer)인 헤모글로빈(α, β subunit이 각각 2개가 합쳐져 있는 단백질)을 이루는 α와 β subunit이 만들어졌다.  



Fig. 3-14  식물의 원시 산소결합 단백질인 레그헤모글로빈(leghemoglobin)에서

글로빈 단백질로 진화하는 과정을 담은 나무모양 도표

위의 도표를 보면 글로빈 단백질의 진화가 척추동물의 진화와 비슷하다는 것을 알 수 있다.

 

CH 3-2  단백질의 구조와 기능

 

3.2 단백질의 접힘, 변형 그리고 활성감소

폴리펩타이드 사슬(polypeptide chain)은 만들어지고 나서 곧바로 접혀진다.  이러한 접히는 과정을 folding이라고 하며, 대부분의 경우에 화학적 변형(chemical modification)이 일어나 단백질을 생성해낸다.  이론적으로 어떤 폴리펩타이드가 n개의 가지 사슬(residue)을 가지고 있다고 하면, 8ⁿ개 만큼 변형된 형태가 생겨날 수 있다.  하지만 일반적으로 어떤 종류의 단백질이든 모든 분자들은 하나의 형태만 허용한다.  이를 정상상태(native state)라고 하며, 분자가 가장 안정된 형태로 접혀져 있는 상태를 말한다.  잘못 접혀져서(misfolding) 비정상적(non-native) 형태가 되는 것을 막는 기전에는 두 가지가 있다.  분자 수준에서 보면 단백질은 중간단계가 몇 개 없는 경로를 선호하여 이 경로로 folding을 한다.  더 나아가서 세포 수준에서 보면 단백질의 생존 기간에 제한을 주는 특별한 서열이 잘못 접혀진 단백질을 표적으로 삼아서 활성을 감소시키게 한다.

 단백질의 접힘에 관한 정보는 아미노산 서열에 의해 결정된다.

단백질의 아미노산 서열이 folding에 영향을 미친다는 사실을 시험관 내에서(in vitro) 실험을 하여 알아내었다.  열에너지나 pH에 의해 아미노산 가지사슬의 전하가 변할 수도 있고, 요소(urea)나 6-8 M의 구아니딘 염산(guanidine hydrochloride)과 같은 화학약품에 의해 비공유결합이 깨져서 단백질이 비정상적 형태로 바뀔 수도 있다.  이와 같이 단백질이 형태가 변형되고 활성을 잃게 되는 것을 변성(denaturation)이라 한다.  대부분의 변성된 단백질은 용액 내에서 침강하게 되는데, 이는 평상시에는 분자의 안쪽에 존재하던 소수성기들이 접힘이 풀리면서(unfolding) 서로 엉겨 붙게 되어 물에 녹지 않고 가라앉기 때문이다. 8M 농도의 요소나 β-mercaptoethanol과 같은 화학약품들은 황결합(disulfide bond, -S-S-)을 환원시켜 주어 단백질의 접힘을 완전히 펴주는 역할을 한다.  그러나 투석(dialysis)에 의해 이와 같은 화학물질들을 제거하면 다시 원래대로 단백질이 접히게 된다(refold).  이를 탈변성(renaturation)이라고 하며, 탈변성이 일어나는 동안 모든 황, 수소, 소수성 결합들이 정상적 형태로 돌아와 안정하게 된다.  그러므로 이러한 경우의 단백질들은 변성과 탈변성의 주기를 통해 파괴되었던 단백질이 다시 원래의 구조와 기능을 회복하게 된다는 것을 알 수 있다.  그리고 적어도 시험관 내에서는 탈변성 과정 중에 보조인자나 다른 단백질이 필요하지 않기 때문에 단백질의 접힘(folding)이 자가조립과정이라는 것을 알 수 있다.

 

Fig. 3-15  In vitro denaturation and renaturation of proteins

크리스챤 안핀센(Christian Anfinsen)은 RNA의 활성을 감소시키는 효소인 ribonuclease를 가지고 변성과 탈변성을 관찰하였다.  그는 시험관 내 실험(in vitro)에서 탈변성 조건이 까다로우며, 탈변성 반응이 한 번에 이루어지는 것이 아니라 시간 차를 두면서 이루어진다는 것을 알아 내었다.  그래서 폴리펩타이드가 삼차 구조의 단백질로 folding이 이루어질 때, 중간 단계인 "molten globule(용해된 소구체)"이라는 상태를 거쳐서 단백질의 탈변성이 일어남을 알게 되었다.  Ribonuclease의 경우에는 내부에 몇 개의 disulfide bond가 있어서 접힘 과정동안 이러한 disulfide bond의 재구성이 이루어지게 된다.  



Fig. 3-16  단백질 folding의 세 단계

결국 단백질의 접힘은 disulfide bond, 수소결합, 소수성 결합에 의해 이루어지는데, 이는 어떤 아미노산이 어느 곳에 위치하느냐에 따라 접히는 모양이 달라진다는 것을 알 수 있다.  그러므로 단백질의 folding은 아미노산의 서열에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다.

 생체 내에서 단백질의 접힘은 샤프론에 의해 이루어진다.

펴져있는(unfold) 분자가 몇 분 내에 완벽하게 folding해야 하는데, 시험관 내(in vitro)에서 이를 수행하는 것은 불가능하다.  하지만 실제로 생체 내(in vivo)의 대부분의 단백질 분자들은 각자 알맞은 형태로 재빨리 folding이 이루어져야 한다.  반면에 세포는 기능을 하지 못하는 단백질을 합성하고 잘못 folding되거나 접혀지지 않은 단백질을 없애는 데 많은 에너지를 소비하게 된다.  세포 내에서 95% 이상의 단백질은 단백질 종류가 그렇게 많음에도 불구하고 정상적 형태를 유지한다.  그러나 시험관 내에서는 생체 내에서처럼 정상적으로 folding이 이루어지지 않아 모두 엉겨 붙어 가라앉게 된다.  세포 내에서 이러한 놀라운 일이 가능한 이유는 바로 샤프론(chaperone)이 있기 때문이다.  샤프론은 박테리아에서 사람에 이르기까지 모든 생물체에 존재하는 단백질 군집으로, 각 세포에 모두 위치해 있다.  일반적으로 샤프론 군집에는 두 가지가 있는데, 첫 번째는 분자적 샤프론(molecular chaperone)으로 folding이 안되어 있거나 부분적으로만 folding이 되어 있는 단백질과 결합하여 이 단백질의 활성이 감소되는 것을 막아주는 역할을 한다.  두 번째는 샤프로닌(chaperonin)으로 단백질이 folding하기 쉽도록 직접 도와주는 역할을 한다.  샤프론은 ATPase 활성을 가지고 있어서, 표적 단백질과 결합하여 안정화시키는데 있어 ATP 가수분해와 밀접하게 관련이 있다. 또한 샤프론이 부분적으로 folding되어 있는 단백질과 결합하는 것으로 보아 folding 과정의 중간 단계에도 관여함을 알 수 있다.

분자적 샤프론(molecular chaperone)은 Hsp70이라는 단백질 군집으로 이루어져 있다.  여기에는 세포질(cytosol)과 마이토콘드리아의 기질에 있는 Hsp70, 소포체(endoplasmic reticulum)에 있는 Bip, 그리고 박테리아의 샤프론인 DnaK가 포함된다.  열에 의한 충격을 받았을 때 가장 먼저 나타나는 물질인 Hsp70(heat shock protein 70,000 MW)은 모든 생물체에 있는 주요 샤프론이다.  Hsp70은 ATP와 결합했을 때, 열린 형태가 되어 소수성을 띠고 있는 부분이 노출되어 순간적으로 unfold 단백질의 소수성 부분과 결합을 하게 된다.  결합되어 있는 ATP가 가수분해되면 Hsp70은 닫힌 형태가 되어 단백질을 내보내게 된다.  분자적 샤프론은 라이보좀(ribosome)에서 곧바로 합성된 모든 폴리펩타이드와 결합하는 것으로 추정된다.



Fig. 3-17  Chaperone-mediated protein folding

단백질의 작은 부분들까지 완전히 folding이 이루어지기 위해서는 샤프로닌(chapronin)이라는 보조자가 더 필요하다.  TCiP라고 불리는 진핵세포의 샤프로닌은 8개의 Hsp60이 모여서 이루어진 커다란 통모양이다.  박테리아에도 이와 비슷하게 생긴 GroEL이라는 샤프로닌이 있는데, 이는 14개의 subunit으로 이루어져 있다.  오른쪽 그림은 GroEL로 ATP가 없을 때 또는 ADP가 있을 경우 왼쪽과 같이 꼭 붙어있으나, ATP와 결합하게 되면 오른쪽과 같이 느슨한 모양이 된다.  보통 GroEL folding 기전은 TCiP에 의해 이루어지는 folding 기전보다 더 이해하기 쉽기 때문에 일반적인 모델로 취급된다.  박테리아에서 부분적으로 folding되었거나 잘못 folding된 폴리펩타이드는 GroEL의 통안으로 들어가서 안쪽 벽과 결합하여 정상적 형태로 folding이 이루어지게 된다(왼쪽 파란색 GroEL).  ATP가 GroEL과 결합하게 되면 GroEL은 느슨해져서 folding이 다 이루어진 단백질을 방출하게 된다(오른쪽 노란색 GroEL).  이 때, GroEL의 끝부분을 감싸서 이 과정을 도와주는 GroES라는 물질이 작용을 한다.  진핵세포의 샤프로닌인 TCiP에서는 GroES같은 물질이 없기 때문에 마지막 단계는 박테리아와 다르다.  게다가 TCiP의 통안의 크기가 작기 때문에 55 kDa이하의 폴리펩타이드만이 folding 과정을 수행할 수 있다.

 화학적 변형과 가공과정은 단백질의 생물학적 활성도를 변화시킨다.

세포 내의 대부분의 단백질은 라이보좀에서 합성되고 난 후 화학적인 변화가 온다.  이와 같은 변형(modification)은 단백질의 활성도, 생존 기간, 혹은 세포에서 단백질의 위치 등에 변화를 가져오게 한다.  단백질의 변화는 화학적 변형(chemical modification)과 가공과정(processing) 이렇게 두 가지로 나뉠 수 있다.  화학기가 아미노기나 카르복실기와 연결이 되거나 가지사슬에 있는 반응기와 연결이 되는 것을 화학적 변형이라고 하며, 어떤 경우에는 역반응이 일어날 수도 있다.  그리고 펩타이드 조각을 제거하는 것을 가공과정이라 하며, 일반적으로 역반응이 일어나지 않는다.

N-terminal의 아미노기에 아세틸기(CH3CO)가 붙는 것을 아세틸화(acetylation)라고 하며, 이것은 가장 대표적인 화학적 변형의 한 형태이다.  모든 단백질의 80%가 이에 해당된다.

이러한 변형은 세포 내에서 단백질의 수명을 조절하는 데 중요한 역할을 한다.  아세틸화되지 않은 단백질은 세포 내부의 단백분해효소에 의해 재빨리 분해되어지기 때문이다.

단백질에서 내부의 잔기(residue)는 여러 종류의 화학기가 그 가지 사슬에 결합함으로써 변형될 수 있다.  가장 중요한 변형은 제린(serine), 트레오닌(threonine), 타이로신(tyrosine)의 인산화(phosphorylation)이다.  앞으로 단백질의 활성도가 인산화(phosphorylation)와 탈인산화(dephosphorylation)으로 조절되는 예를 많이 접하게 될 것이다.  그리고 아스파라진(asparagine), 제린(serine), 트레오닌(threonine)의 가지사슬에 탄화수소 사슬이 결합하여 생기는 포도당화(glycosylation)도 이에 해당한다.

역반응이 가능한 잔기(residue)의 화학적 변형과 달리 몇몇 단백질의 가공과정(processing)은 활성을 변화시키는 역반응이 불가능하다.  가공과정의 가장 일반적인 형태는 폴리펩타이드의 C- 또는 N-terminus에서 단백분해효소에 의해 잔기가 제거되는 것이다.  단백질 분해에 의한 절단은 그 단백질을 활성화시키느냐 비활성화시키느냐를 결정하는 일반적인 방법으로 특히 혈액응고와 관련된 효소들이 이에 해당한다.

단백질 자가접합(protein self-splicing)이라고 불리는 흔하지 않은 가공과정은 박테리아와 원시적인 진핵세포에서 나타난다.  접합(splicing)이라는 것은 필름을 편집하는 것과 비슷한 방법으로, 폴리펩타이드의 인테인(intein)이라고 불리는 내부 부분을 제거하고 끊어진 폴리펩타이드의 각 끝부분을 서로 연결시키는 일컫는다.  단백질 분해 가공과정(proteolytic processing)과는 달리 단백질 자가접합(protein self-splicing)은 효소의 도움 없이 스스로 일어나는 과정이다.



Fig. 3-18  Protein self-splicing

 세포는 여러 가지 경로로 단백질의 활성을 감소시킨다.

세포는 세포내부와 세포외부에서 단백질의 활성을 감소시킬 수 있다.  가장 주요한 세포외부경로는 소화 단백분해효소(digestive protease)계로 소장과 대장에서 단백질이 이 효소에 의해 폴리펩타이드로 분해되는 것을 말한다.  여기에는 내부 단백분해효소(endoprotease), 외부 펩타이드 분해효소(exopeptidase), 그리고 펩타이드 분해효소(peptidase)가 포함된다.  내부 단백분해효소에는 잔기에 연결되어 있는 단백질 골격을 분해시키는 트립신(trypsin)과 키모트립신(chymotrypsin)이 있고, 외부 펩타이드 분해효소는 단백질의 N-terminus 또는 C-terminus에서 잔기를 순서대로 제거하는 역할을 한다.  N-terminus쪽에서부터 제거하는 효소를 aminopeptidase, C-terminus쪽에서부터 제거하는 효소를 carboxypeptidase라 한다.  마지막으로 펩타이드 분해효소는 올리고펩타이드(oligopeptide)를 아미노산(amino acid) 또는 아미노산 2개가 연결된 펩타이드(dipeptide) 또는 3개 연결된 펩타이드(tripeptide)로 분해하는 역할을 한다.  이렇게 분해된 작은 분자들은 장 내에서 경로를 따라 혈류로 이동하게 된다.

세포내부 단백질의 수명은 체세포분열에 관여하는 사이클린(cyclin)처럼 몇 분밖에 안되는 것부터 눈의 수정체(lens)와 같이 생물체와 일생을 같이할 만큼 긴 것까지 천차만별이다.  세포에는 잘못 접혀져 있거나 변성된 단백질, 정상 단백질인데 농도가 너무 높은 단백질 그리고 외부에서 들어온 단백질들을 분해시키는 세포내부의 단백분해 경로가 몇 가지 있다.  많이 이용되는 세포내부 경로 중 하나는 라이소좀(lysosome)이라는 효소에 의한 분해다.  라이소좀은 내부에 산성을 띠고, 막으로 둘러싸인 세포 내 소기관이다.  라이소좀에 의한 경로를 제외하고, 세포질에서의 기전을 들 수 있다.  가장 잘 알려진 경로로는 유비키틴 중개 경로(ubiquitin-mediated pathway)로 두 가지 단계가 있다.  유비키틴(ubiquitin) 분자 사슬이 표적이 되는 단백질의 라이신 가지사슬과 결합하고 나서, 원통형의 큰 복합체인 프로테아좀(proteasome)이라는 물질에 의해 분해되는 것이 이 경로의 단계이다.  세포질 안에는 수많은 프로테아좀이 있어서 유비키틴이 붙어 있는 단백질을 ATP 의존 경로(ATP-dependent process)에 의해 펩타이드와 유비키틴 분자로 분해한다.



Fig. 3-19 Ubiquitin-mediated proteolytic pathway

단백질이 유비키틴 중개 경로로 분해되기 위해서는 그 효소가 인식할 수 있는 아미노산 서열이 그 단백질 내에 존재해야 한다.  각 효소들은 자신들이 인식할 수 있는 아미노산 서열이 각각 존재한다.  단백질의 수명도 이와 관련이 있다.  즉, N-terminus에 어떤 잔기가 오느냐에 따라 수명이 길어지기도 하고, 효소에 의해 금방 분해되기도 한다.  예를 들면, N-terminus에 Arg, Lys, Phe, Leu, 또는 Trp이 있으면 보통 생체 내에서 3분 이내에 분해가 된다.  이와 반대로 N-terminus에 Cys, Ala, Ser, Thr, Gly, Val, 또는 Met이 있으면 단백질이 안정화되어 효소의 공격에 30시간 이상을 견딜 수 있다.

 비정상적으로 접힌 단백질은 느리게 진행되는 질병과 관련이 있다.

각 단백질은 아미노산 서열에 의해 에너지적으로 선호하는 형태로 접혀진다.  그러나 최근에 이유는 밝혀지지 않았지만, 두 가지 삼차원 구조로 folding이 이루어지기도 한다는 사실을 발견했다.  이와 같이 잘못접혀진(misfolding) 단백질은 정상적인 기능을 하지 못할 뿐 아니라 분해의 대상이 되기도 한다.  이렇게 분해된 조각들이 쌓이게 되면 간이나 뇌와 같은 기관에 플라크(plaque)를 형성하게 되고, 질병을 일으키게 된다.



예를 들면, 알츠하이머병(Alzheimer's disease)은 플라크가 생겨서 뇌의 기능을 저하시키는 병이다. 이와 같은 플라크는 섬유가 엉켜진 모양으로 이루어져 있는데, 이 섬유들은 미세소관 결합 단백질(microtubule-binding protein)인 Tau와 아밀로이드 전구체 단백질과 같이 자연상태에 무수히 많은 단백질들이 분해되어 생긴 것이다.  다른 기관에 있는 플라크들은 액틴 결합 단백질(actin-binding protein)인 젤솔린(gelsolin)과 혈액 단백질인 혈청 알부민(serum albumin)과 같은 단백질에서 분해되어 생긴 것이다.  단백분해에 의해 나온 폴리펩타이드 조각들은 매우 안정된 섬유형태로 뭉쳐지게 된다.  알츠하이머병에서 보이는 것과 비슷하게 뇌가 변질되는데, 이것은 정상 뇌 단백질이 분해되고 다시 folding되어 만들어진 감염단백질인 프라이온(prion)에 의한 질병으로 추정되어진다.

 

http://myhome.hanafos.com/~s9euno/index.htm에서 발췌하였음