생명체의 대부분의 역동적인 기능은 단백질에 의존합니다. 단백질은 대부분의 세포에서 건조 질량의 50% 이상을 차지하게 되며, 생물체가 하는 거의 모든 활동에 도움을 줍니다. 단백질의 구조와 기능에 대해 자세히 살펴보도록 합시다.
1) 단백질의 구조와 기능
단백질의 특이적 활성은 복잡한 3차원적 구조에 의해 결정됩니다. 이의 가장 단순한 단계는 단백질의 아미노산 서열입니다. 폴리펩타이드의 아미노산 서열은 단백질의 3차원적 구조와 기능에 대해 무엇을 알려줄 수 있을까요?
폴리펩타이드라는 용어는 단백질이라는 용어와 완전한 동의어가 아닙니다. 하나의 폴리펩타이드로 이루어진 단백질이라 할지라도, 폴리펩타이드와 단백질과의 관계는 기다란 털실과 털실로 만들 수 있는 특정 크기와 모양의 스웨터가 갖는 관계와 비슷한 유사성을 가집니다. 기능을 갖는 단백질은 단지 하나의 폴리펩타이드 사슬이 아니라 하나, 혹은 여러 개의 폴리펩타이드가 정교하게 꼬이고 접히고 감겨져 만들어진 독특한 형태의 분자입니다. 정상적인 세포내 조건에서 단백질이 갖게 될 3차원적 구조를 결정하여 주는 것이 바로 폴리펩타이드의 아미노선 서열입니다.
2) 네 가지 단계의 단백질 구조
단백질은 매우 다양한 종류에도 불구하고, 모든 단백질은 1차, 2차, 3차 구조라고 알려져 있는 세 가지의 중첩된 구조 단계를 공유하고 있습니다. 네 번째 단계인 4차 구조는 단백질이 2개 이상의 폴리펩타이드 사슬로 구성될 때 생성됩니다.
1차 구조의 작은 변화도 단백질의 형태와 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들면, 적혈구 세포에서 산소를 운반하는 헤모글로빈의 1차 구조의 특정 위치에 존재하는 정상의 글루탐산이 발린으로 바뀌게 되면 이러한 헤모글로빈은 유전적 혈액 질환인 낫모양 적혈구 빈혈(sickle-cell disease)를 일으키게 됩니다. 정상인 적혈구는 원반 모양이지만 낫모양 적혈구 빈혈증의 비정상 헤모글로빈 분자는 쉽게 결정화되어 적혈구가 낫모양으로 변형됩니다.
3) 단백질 구조를 결정하는 것
우리는 앞서 독특한 형태가 각각의 단백질에 특정 기능을 부여한다는 사실을 알게 되었습니다. 그렇다면 단백질의 구조를 결정하는 주요한 요인은 무엇이 있을까요?
주어진 아미노산 서열의 폴리펩타이드 사슬은 스스로 3차원적인 형태로 배열될 수 있는데, 이를 결정하고 유지하는 것은 2차 구조와 3차 구조 유지에 관계하는 상호 작용입니다. 이러한 접힘은 대체로 세포내의 복잡한 환경에서 단백질이 합성될 때 다른 단백질의 도움으로 일어나게 됩니다. 하지만 단백질의 구조는 단백질 주변 환경의 물리적, 화학적 조건에도 의존합니다. pH, 염의 농도, 온도 또는 다른 환경조건이 변한다면 단백질 내 약한 화학결합과 상호작용이 파괴되어 단백질은 풀어지고 고유한 형태를 잃게 되는데 이러한 변화를 변성이라고 합니다. 애초에 구조가 잘못 만들어졌기 때문에 변성된 단백질은 생물학적으로 활성을 잃게 됩니다.
대부분의 단백질은 수용성 환경으로부터 에테르 또는 클로로포름과 같은 비극성 용매로 옮겨지면서 변성됩니다. 폴리펩타이드 사슬이 다시 접혀서 사슬의 소수성 부위가 비극성 용매가 있는 바깥쪽으로 향하게 됩니다. 다른 변성 물질로는 단백질의 형태는 유지하도록 하는 데 관여하는 수소결합, 이온결합, 이황화결합을 깨뜨리는 화학물질이 있습니다. 변성은 과도한 열에 의하여서도 일어날 수 있는데, 열은 단백질의 구조를 안정화시키는 약한 상호작용을 없앨 수 있을 정도로 폴리펩타이드 사슬을 뒤흔들게 됩니다. 달걀의 흰자는 요리하는 동안 불투명한 상태가 되는데, 변성된 단백질이 불용성이고 응고되기 때문입니다. 이는 또한 과도한 고열이 왜 치명적인지에 대해 설명해 주기도 합니다. 매우 높은 체온에 의해 혈중 단백질이 변성될 수 있기 때문입니다.
시험관 용액 내 단백질이 열 또는 화학물질에 의해 변성이 일어날 때, 변성 물질이 제거되면 단백질은 때때로 기능성 형태로 되돌아 올 수 있습니다. 따라서 단백질의 특정 형태에 대한 정보는 단백질의 1차 구조에 고유한 것이라는 결론을 내릴 수 있습니다. 아미노선 서열은 어느 곳에 나선구조가 형성될 수 있는지, 어느 곳에 병풍구조가 만들어 질 수 있는지, 어디에 이황화결합이 위치하는지 등의 단백질 형태를 결정하게 됩니다.