【유기화학】 25강. 생체고분자 : 단백질

25강. 생체고분자 : 단백질

추천글 : 【유기화학】 유기화학 목차 

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1. 특성 [본문]

2. 아미노산 [본문]

3. 단백질 1차 구조 [본문]

4. 단백질 2차 구조 [본문]

5. 단백질 3차 구조 [본문]

6. 단백질 4차 구조 [본문]

7. 단백질 구조 결정법 [본문]

8. 단백질 변성 [본문]

9. 단백질 대사 [본문]

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a. 생명체의 구성 

b. 생체고분자 라이브러리 

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1. 특성 [목차]

⑴ 구성원소 : C, H, O, N, S

⑵ 기능

① 대사작용의 효소

② 세포 내·외 구조 형성 : 생체 건량의 반을 차지

③ 근육 수축

④ 면역 기능

⑤ 호르몬이나 신호 단백질

⑥ 세포 내부로 신호전달

⑦ 막의 물질수송

⑧ 에너지 전환 및 저장 : 4 kcal/g. 주로 태아에 해당

⑨ DNA 복제, 수선 및 재조합

⑩ 전사, 번역

⑪ 단백질 운반 및 분비

⑶ 단백질 : 한 개 또는 두 개 이상의 폴리펩티드로 구성

⑷ 폴리펩티드 : 아미노산의 펩티드 결합으로 구성

⑸ 펩티드결합 : 아미노기(-NH₂)와 카르복실기(-COOH)의 탈수축합반응

 

Figure. 1. 두 아미노산의 탈수축합반응^]

 

 

2. 아미노산 [목차]

⑴ 아미노산은 총 20개가 있음 : selenocysteine (Sec)까지 포함하여 21개로 보기도 함

 

Table. 1. 아미노산의 기호

 

⑵ 구조 : 중심 탄소, 아미노기, 카르복실기, R기 

⑶ 모든 아미노산은 동일한 등뼈를 가지고 있지만 촉쇄군(R로 표시)은 20가지 종류가 있음. 그 외는 단백질 합성 ×

① selenocysteine 등 minor한 아미노산을 합치면 그 개수가 20가지를 초과할 수 있음

⑷ 양쪽성 이온(Zwitter ion) : 산 또는 염기로 작용 

⑸ 아미노산은 곁가지에 따라 성질이 달라짐

① 비극성 아미노산 : Ala, Ile, Leu, Met, Phe, Pro, Trp, Val, Gly

② 극성, 비전하 아미노산 : Asn, Cys, Gln, Ser, Thr, Tyr

③ 전하 아미노산 (+) : Arg, His, Lys

④ 전하 아미노산 (-) : Asp, Glu

⑤ -OH기 포함 아미노산 : Ser, Thr, Tyr

○ -OH기에 인산기가 첨가될 수 있어 신호전달에 이용

○ Ser, Thr : 신호전달에서 인산화 연쇄에 관여

○ Tyr : 신호전달에서 티로신 인산화효소 수용체에 존재

⑥ 황 포함 아미노산 : Cys, Met. Cys만 이황화결합 형성

⑦ 페닐기 포함 아미노산 : Phe, Trp, Tyr

⑧ 페닐기는 280 nm 흡광도를 보임. UV spectrometer 정량의 메커니즘이 됨

⑨ TCA cycle 미사용 아미노산 : Leu, Lys

⑹ 아미노산의 DL 명명법

 

Figure. 2. 아미노산과 DL 명명법

 

① 중심탄소 주변에 있는 수소 치환기, 카르복실기, 아미노기, 작용기의 입체배열에 따라 위와 같이 DL 명명법이 결정됨

② 생명체에서 아미노산은 L형 이성질체로 존재함

⑺ 아미노산의 적정 및 등전점 계산 

 

아미노산	단축형 이름	분자량	pKa1 (-COOH)	pKa2 (-NH3+)	pKaR	pI (등전점)	소수성지표	단백질에서의 비율(%)
비극성, 지방족 R기
글라이신	Gly, G	75	2.34	9.60		5.97	-0.4	7.2
알라닌	Ala, A	89	2.34	9.69		6.01	1.8	7.8
프롤린	Pro, P	115	1.99	10.96		6.48	-1.6	5.2
발린	Val, A	117	2.32	9.62		5.97	4.2	6.6
류신	Leu, L	131	2.36	9.60		5.98	3.8	9.1
아이소류신	Ile, I	131	2.36	9.68		6.02	4.5	5.3
메싸이오닌	Met, M	149	2.28	9.21		5.74	1.9	2.3
방향족 R기
페닐알라닌	Phe, F	165	1.83	9.13		5.48	2.8	3.9
타이로신	Tyr, Y	181	2.20	9.11	10.07	5.66	-1.3	3.2
트립토판	Trp, W	204	2.38	9.39		5.89	-0.9	1.4
극성, 비전하 R기
세린	Ser, S	105	2.21	9.15		5.68	-0.8	6.8
트레오린	Thr, T	119	2.11	9.62		5.87	-0.7	5.9
시스테인	Cys, C	121	1.96	10.28	8.18	5.07	2.5	1.9
아스파라진	Asn, N	132	2.02	8.80		5.41	-3.5	4.3
글루타민	Gln, Q	146	2.17	9.13		5.65	-3.5	4.2
양전하 R기
라이신	Lys, K	146	2.18	8.95	10.53	9.74	-3.9	5.9
히스티딘	His, H	155	1.82	9.17	6.00	7.59	-3.2	2.3
아르지닌	Arg, R	174	2.17	9.04	12.48	10.76	-4.5	5.1
음전하 R기
아스파르트산	Asp, D	133	1.88	9.60	3.65	2.77	-3.5	5.3
글루탐산	Glu, E	147	2.19	9.67	4.25	3.22	-3.5	6.3

 Table. 2. 각 아미노산 별 pK_a1, pK_a2, pK_aR, pI, 소수성 지표, 단백질에서의 비율

 

 

3. 단백질 1차 구조(the primary structure) [목차]

⑴ 아미노산 서열

⑵ 펩티드 결합의 평면속성(planar nature)

① amide plane : 하나의 펩타이드 결합을 이룸. 2개의 알파 탄소와 그 사이의 C, O, N, H가 이루는 평면

② 한 평면 내 여러 결합의 명칭

○ Φ 결합 : N - C_α 결합

○ ψ 결합 : C_α - C 결합

○ ω 결합 : C - N 결합

○ χ 결합 : C_α - R(작용기) 결합

③ C=O 결합은 ω 결합과 공명하면서 C=O 결합과 C-N 결합은 1.5중결합이 되어 회전이 안 되고 고정됨

 

Figure. 3. 펩티드 결합의 평면특성^]

 

 

4. 단백질 2차 구조(the secondary structure) [목차]

⑴ 아미노산의 등뼈 간의 수소결합 (H와 O)에 의해 아미노산 서열이 입체적으로 휘는(coiling or folding) 구조

⑵ 알파나선(α helix)

Figure. 4. 알파나선 구조

① N 번째 아미노산의 C=O 결합과 N+4번째 N-H 결합이 수소결합을 구성

② 탄력 우수, 오른나선

③ 특징 : 아미노산 골격 간 수소결합은 있지만, 아미노산 작용기 간 수소 결합은 없음

④ 친수성 아미노산은 인력 및 척력이 있어 알파나선 형성을 방해함

○ 결론 : 알파나선은 소수성 아미노산이 주로 형성

○ 막관통 단백질에서 자주 관찰

⑤ Gly : 작용기 R이 수소이기 때문에 크기가 작아 알파나선 구조를 생성하기 부적절

⑥ Pro : 이미노기를 형성하여 수소결합 제한 → 알파나선 구조 미형성

⑶ 베타병풍(β pleated sheet) : 지그재그(zig zag) conformation이라고도 함

 

Figure. 5. 베타병풍 구조^]

 

① 특징 : 아미노산 골격 간 수소결합뿐만 아니라 아미노산 사슬 간의 수소결합도 존재함

② 실크와 같은 섬유성 단백질에서 자주 나타나는 구조

③ 거미줄은 β 병풍 구조에 α 나선이 첨가된 구조

⑷ 라마찬드란 조사구(Ramachandran plot)

① Φ 결합을 가로축, ψ 결합을 세로축으로 도시한 2차원 입체구조 표시 방법

② 알파나선 구조는 (-60°, -60°)에 집중 분포. 베타병풍 구조는 (-120°, 120°)에 집중 분포

③ 용도 : 잔기가 적절한 위치에 있는지 보는 것. 조사구 상에 섬이 많으면 적절한 위치에 없는 것

④ 예시

 

Figure. 6. 라마찬드란 조사구 예시

 

 

5. 단백질 3차 구조(the tertiary structure) [목차]

⑴ 폴리펩타이드의 전체 입체구조

⑵ R기 간의 상호작용으로 인해 서로 다른 입체구조를 갖게 됨. 입체구조의 차이는 성질의 차이를 결정

⑶ 이온결합(ionic bond)

⑷ 공유결합(covalent bond)

⑸ 이황화결합(disulfide bridge) : 입체구조가 보다 단단하게 고정될 수 있음

① 환원제 : 이황화결합을 자름.

○ 예 : β-mercaptoethanol, DTT(dithiothreitol) 등

② 진핵세포는 조면소포체에서, 원핵세포는 세포질에서 PDI(protein disulfide isomerase)가 형성

③ 안핀센 실험(Anfinsen's experiment)

○ NEM(N-ethylmaleimide) : 이황화결합에 참여하지 않는 시스테인의 -SH기에 공유결합

○ DTT(β-metcaptoethanol 포함) : -S-S- → -SH + HS-. 이황화결합을 끊는 환원제로 기능

○ NEM* → DTT → NEM : 처음에 SH기로 존재했던 것 정량. 단 *는 방사성 동위원소

○ NEM → DTT → NEM* : 처음에 -S-S-로 존재했던 것 정량. 단 *는 방사성 동위원소

○ 결론 1. 단백질의 변성요인이 제거되면 단백질은 원래 구조를 찾아감

○ 결론 2. 이황화결합은 입체 구조 생성에 비가역적으로 기여하기 때문에 섬세하게 조절돼야 함

⑹ 소수성 상호작용(hydrophobic interaction) : 생체 환경이 물이기 때문에 발생한 힘

⑺ 극성 결합 및 R기 간 수소결합

⑻ 반데르발스 힘(van der Waals force)

⑼ 특정 상호작용이 강해서 단백질이 잘못 접힐 수 있어 샤페로닌(chaperone) 등의 단백질 조립 단백질 필요

① 예 1. heat shock protein : 온도에 의해 단백질이 변성되는 것을 막아줌

 

 

6. 단백질 4차 구조(the quaternary structure) [목차]

⑴ 3차 구조 폴리펩타이드 간 상호작용

⑵ transthyretin(4 합체), 헤모글로빈(α₂β₂), 콜라겐(3 helix)

 

 

7. 단백질 구조 결정법 [목차]

⑴ 1차 구조의 결정

① 방법 1. 에드만 시약(Edman degradation)

○ 약알칼리에서 폴리펩티드 N말단에 결합하여 아미노산을 하나하나씩 분해함

○ N-terminal에서 약 10개 정도의 아미노산만 알 수 있음

○ 굉장히 전통적인 방법으로 현재는 거의 쓰고 있는 사람이 없음

② 방법 2. 펩티데이스

○ 엔도펩티데이스와 엑소펩티데이스를 적절히 조합하여 아미노산을 적절하게 분해하여 하나씩 결정

○ 엔도펩티데이스 : 펩신, 트립신, 키모트립신 등

○ 엑소펩티데이스 : 카르복시펩티데이스 등

○ 펩티데이스의 메커니즘

③ 방법 3. Ab array

④ 방법 4. mass spectrometry

○ 1^st. electrophoresis & DNA ladder : pure인지 mixture인지 알 수도 있음

○ 2^nd. 트립신 처리

○ 3^rd. 1차 mass spectroscopy : MS spectrum 구성

○ 4^th. 2차 mass spectroscopy : MS/MS spectrum 구성. tandem MS, MS/MS, fragmentation이라고도 함

○ 5^th. 스펙트럼을 통한 재구성 : informatics의 영역

○ 위 방법은 1세대 기술로서 post-translational modification을 고려하면 훨씬 절차가 복잡해짐

⑵ 2차 구조의 결정

① 방법 1. 원형편광이색성(circular dichroism, CD)

② 방법 2. 적외선 분광법 : 유연한 펩타이드 및 단백질 구조를 조사할 때 유용

③ 방법 3. 분자동역학 시뮬레이션

⑶ 3차 및 4차 구조의 결정

① 방법 1. X-ray crystallography : 약 90%가 이 방법으로 결정됨. 원자들의 3차원 좌표를 유추할 수 있음

② 방법 2. NMR : 약 9%가 이 방법으로 결정됨

③ 방법 3. cryo-EM

○ 해상도가 낮지만 꾸준히 발전하고 있으며 캡시드, 아밀로이드와 같은 큰 단백질 복합체에 유용함

○ -200 ℃로 온도를 낮춰서 단백질을 정지시킨 뒤 단백질의 3D 구조를 관찰

 

 

8. 단백질 변성(denaturation) [목차]

⑴ 변성(denaturation) : 염의 농도, pH, 고온 등으로 입체구조가 달라져서 기능을 상실

 

 

9. 단백질 대사 [목차]

⑴ 단백질 분해

⑵ 단백질 합성  

 

입력: 2022.04.18 00:26