단백질에 대한 자세한 내용

[azack1025]

단백질이 항암제를 맞고 부작용을 줄이는데 도움이 될 것으로

예상이 되며 (과학적인 근거는 없고, 경험상 소견입니다.)

환자 보호자는 내용을 보시고, 도움이 될수 있도록 참조하세요.

------------------------------------------------------------

단백질 (蛋白質 protein)

  약 50개 이상의 L-α-아미노산이 펩티드결합으로 연결된 고분자질소함유화합물의 총칭. 설명   약 50개 이상의 L-α-아미노산이 펩티드결합(산아미드결합)으로 연결된 고분자질소함유화합물의 총칭. 단백이라는 단어는 독일어 Eiweiβ를 번역한 것으로서, 대표적인 단백질의 하나인 흰자위를 의미한다. 국제적으로는 프로테인이라고 불렸는데, 이것은 스웨덴의 J.J. 베르셀리우스가 ＜생체의 구성단위로서 또 대사물질로서 가장 중요한 물질＞이라는 의미에서 그리스어 proteios(중요한 것)로부터 프로테인이라고 할 것을 제안했다. 단백질은 모든 세포원형질의 주성분이며 세포내에서 일어나는 모든 생명현상에 직접 깊이 관계하기 때문에, ＜단백질이 없는 생명은 없다＞고 말한다. 단백질은 핵산과 함께 생물을 지탱하는 2개의 큰 기둥이다.

세포의 생활기능은 물질대사·에너지대사에 의해 영위된다. 이 대사계를 구성하는 많은 화학반응을 촉매하여 원활히 진행되게 하는 효소는 특정 물질의 특정 반응만을 촉매하는 특이성을 갖기 때문에, 그 종류는 매우 많고 이미 2200종이 알려져 있다. 혈액의 운반작용을 비롯하여 호르몬작용, 독성 등 효소 이외의 생물학적 활성을 지닌 단백질이나 이 효소 반응이 일어나는 장소를 형성하는 구조단백질도 세포에 함유되어 있다. 또 종자·알·혈액 등에 함유되어 있는 단백질이나 유즙의 단백질과 같이, 특별한 기능을 갖지 않는 저장용의 단백질도 있다. 또한 동물의 털·발톱(손톱) 등과 같이 보호작용을 하는 단백질도 있다.

단백질은 구조와 기능이 다양하기 때문에 계통적으로 분류하기는 어려워 다음과 같은 몇 가지 분류법을 조합해 사용한다.

공[球(구)]모양단백질과 섬유모양단백질(경단백질)로 나뉜다. 공모양단백질은 오브알부민·혈청알부민·헤모글로빈 등과 같이 물이나 염의 묽은 용액에 녹기 쉽고, 공에 가까운 모양으로 결정화되기 쉽다. 섬유모양단백질은 모발이나 손톱(발톱)을 구성하는 케라틴, 피부나 건(腱)을 구성하는 콜라겐과 같이 섬유모양이며, 물에 녹지 않고 생물학적으로 비활성이며, 생물의 지지물질이나 골격물질로서의 역할을 한다.

다음의 3개로 크게 나뉜다.

단순단백질은 α-아미노산만으로 이루어진 단백질로, 알부민·글로불린·경단백질 등 종류가 많다.

복합단백질은 아미노산 이외에 핵산·당·지질·인·색소·금속이온 등 유기물질이나 보결분자단을 함유하는 단백질로, 그 성분의 종류에 따라 핵단백질·당단백질·리보단백질이라 부른다.

유도단백질은 천연의 단백질이 어떤 변화를 받아 생긴 것으로 젤라틴·변성단백질 등이 이에 속한다.

가용성단백과 불용성단백질로 나뉜다.

산성아미노산과 염기성아미노산 함량의 차에 따라 산성단백질·중성단백질·염기성단백질로 나뉜다.

단백질이 갖는 기능에 따라 효소단백질·호르몬단백질·독소단백질로 나뉜다.

동물성단백질과 식물성단백질로 크게 나뉘며 그 위에 오브알부민·젖단백질·혈장단백질·근육단백질·종자단백질 등으로 세분된다.

원소 조성은 탄소 50~55%, 수소 6.9~7.3%, 질소 15~16%, 산소 19~24%, 황 1~2%이며 그 밖에 미량의 회분을 함유한다. 분자량은 약 5000에서 수천만, 수억(바이러스단백질)에 이른다. 분자량이 5000 이하인 것은 보통 폴리펩티드로 되어 있으나 그 경계는 엄밀하지 않다. 또 10만 정도 이상인 단백질에서는 여러 개의 폴리펩티드사슬(서브유닛)로 구성되는 경우가 많다. 분자량은 초원심분리기를 사용, 침강계수로부터 산정하는 침강속도법이나 침강평형법에 따라 측정된다. 이 밖에 분자량이 큰 단백질은 광산란(光散亂)으로 구할 수도 있다. 또 겔거르기나 SDS(sodium dodecyl sulfate)-겔전기이동법으로 손쉽게 측정할 수 있다. 단백질구조는 1차·2차·3차·4차 구조의 관점에서 고찰된다.

약 20종의 아미노산이 펩티드결합으로 결합되어 1가닥의 폴리펩티드사슬을 형성한다. 단백질에 따라 구성아미노산의 잔기 개수, 조성, 결합순서가 완전히 다르다. 단백질분자 중 아미노산의 결합순서(배열)는 그 합성을 지배하는 DNA주형에 따라 유전적으로 결정된다. 이 아미노산의 배열순서를 1차구조라 한다〔그림 3〕. 1차구조의 결정법은 1945년 영국의 F. 생거가 51개의 아미노산으로 이루어진 인슐린의 배열결정에 성공함으로써 대부분 확립되었다. 그 후 1978년까지 250종류에 가까운 단백질에 대해서 또 기원을 달리하는 동종단백질을 포함하면, 1100개가 넘는 완전한 1차구조가 결정되었다. 최근에는 DNA염기배열이 비교적 쉽게 결정되고 그 결과로부터 단백질의 1차구조가 결정되기 때문에, 1차구조를 알 수 있는 단백질의 수는 급격히 증가하고 있다.

1가닥의 폴리펩티드사슬을 갖는 입체구조가 완전히 무질서한 실구슬모양의 구조(랜덤코일)인지 규칙적인 구조인지 확실하지 않은 입체적 구조를 2차구조라 한다. 펩티드사슬을 형성하기 위해서는 ① 구성아미노산은 L형의 입체배치를 취하고 각 아미노산의 곁사슬은 2차구조에 영향을 주지 않는다(프롤린은 예외). ② 주사슬을 형성하는 원자의 결합각이나 결합거리는 일정하다. ③ 펩티드결합은 자유로운 회전이 불가능하므로 구성 원자는 동일 평면 위에 있다는 조건을 만족해야 한다〔그림 1〕. 즉 펩티드결합을 사이에 둔 2개의 α-탄소는 보다 안정된 트랜스구조를 취하며, 2개의 펩티드결합평면의 상호 회전각도 안정화하기 위해 어느 정도 제한된다. 펩티드결합의 카르보닐기와 아미노기 사이에 가능한 한 많은 수소결합을 형성시켜 안정화되도록 주사슬을 접어 작게 하면, 존재할 수 있는 2차구조의 종류는 얼마 되지 않는다. 1951년 미국의 L. 폴링 등은 모형을 이용한 이론적 고찰로부터 동일 펩티드사슬 내에 수소결합이 포화된 오른쪽돌기 α-나선구조와 서로 역행 또는 평행하는 2가닥의 폴리펩티드사슬 사이에서 수소결합을 만든 β-구조의 두 2차구조를 제안하였다〔그림 2〕. 그 후 각종 정제단백질의 X선 결정해석이 진척됨에 따라 이 두 2차구조는 부분적이기는 하나 대부분의 천연단백질분자 중에 존재하는 것이 실증되었다. 적외선흡수·광회전도·원2색성 등의 해석에서도 이 규칙구조의 존재는 지지되고 있다. 또 섬유모양단백질인 견피브로인은 평행형 β-구조를 취하는 대표적인 것으로 알려져 있다.

1가닥의 폴리펩티드주사슬 안에 α-나선구조나 β-구조 등의 2차구조를 갖는 부분이, 불규칙구조 부분을 매개로 해서 접혀 일정배치를 형성한 구조를 3차구조라 한다〔그림 4〕. 천연의 3차구조를 형성하는 주요 힘은 아미노산의 곁사슬 사이의 여러 가지 비공유결합에 따른 상호작용이다. 즉 펩티드사슬 사이는 소수성(疎水性) 곁사슬 사이의 소수성결합, 특수한 곁사슬 사이의 수소결합, 정전기적 인력, 시스틴잔기 사이의 디술피드(-S-S-)결합 등에 의해 접혀짐으로써 서로 연결되어 안정화된다. 그 중에서도 소수성결합의 기여는 크다. 특히 많은 구모양단백질에서 분자 내부는 안정한 소수성영역을 형성하고, 분자표면에는 이온성 곁사슬이 나와 친수성을 유지할 수 있도록 진화의 과정에서 1차구조가 선택되고 있다. 이 밖에 몇 개의 가능한 구조가 존재하고 그들 사이에는 동적·가역적인 평형관계가 있으며 환경의 pH, 조성, 온도 등에 따라, 또 효소이면 기질의 존재 유무에 따라 변화한다. 이와 같은 3차구조의 변화는 티로신·트립토판·페닐알라닌 등의 방향족 아미노산잔기의 특이적 흡수띠를 이용한 UV차스펙트럼법·형광법·원2색성스펙트럼법 등에 의해 추적할 수 있다. 2차구조·3차구조를 포함한 입체구조는 단백질분자의 결정으로부터 알아낼 수 있으며 1차구조가 이미 알려져 있으면 X선해석에 의해 매우 정확히 결정할 수 있다. 1958년 영국의 E.C. 캔들 등에 의해 처음으로 헴단백질·미오글로빈의 입체구조가 명확히 밝혀졌으며, 현재까지 헤모글로빈·라이소자임·리보뉴클레아제 등 100종류 이상의 단백질 입체구조가 결정되었다〔그림 5〕. 또 효소분자와 저분자 기질유연체의 공정(共晶；eutectic)을 해석함으로써 활성 발현시의 입체구조나 기질과의 결합양식을 추측할 수 있다. 즉 단백질이 갖는 특이적인 생물활성은 그 분자에 특유한 입체구조에 의한 것이다.

단백질에는 여러 가지 시약에 의해 비활성인 서브유닛으로 해리되는 것이 있다. 거대활성단백질은 보통 많은 서브유닛으로 구성되며 전자현미경으로 보면 규칙적으로 배열한 1개의 고분자회합체를 형성하고 있다. 이와 같이 서브유닛이 서로 특정 공간배치를 취하는 것을 4차구조라 한다 [그림 6]

경단백질을 제외한 단백질은 일반적으로 물과 묽은 염용액에 녹는다. 보통 단분산용액으로 되며 콜로이드 성질을 나타낸다. 생물의 운동에 관계하는 수축성단백질 액토미오신과 같이 겔상태로 되는 것도 있다. 용해성은 단백질 종류에 따라 뚜렷하게 다르며 상호 분리정제에 이용된다.

용액상태에서 용매의 pH에 따라 산이나 염기로 존재할 수 있는 양쪽성전해질의 성질을 나타내며, 그 단백질 고유의 등전점을 가진다. 등전점 부근에서 가장 녹기 어렵다.

단백질의 용해도는 염류의 공존에 따라 변화한다. 저농도의 전해질에서는 용해도가 커지고(salting-in), 고농도에서는 작아져 침전이 생긴다(salting-out, 즉 염석). 염석에 의한 용해도의 변화는 단백질 종류, 염(주로 음이온) 종류, pH, 온도 등에 좌우된다.

에탄올·아세톤 등 유기용매에 의해 침전한다. 침전을 생성하는 유기용매의 농도는 단백질에 따라 다르므로 분별에 쓰인다.

단백질용액은 분자 내 방향족 아미노산 잔기의 특이적 흡수에 따라 280㎚ 부근에서 흡수극대를 나타낸다.

펩티드결합에 또는 구성아미노산의 곁사슬인 작용기의 반응성에 의거하여, 여러 발색반응을 일으킨다. 이것은 단백질의 검출이나 정량에 이용된다. 주요 반응으로서 뷰렛반응·크산토프로테인반응·리베르만반응·닌히드린반응 등이 알려져 있다. 최근 댄실클로라이드나 플루오레사민 등의 형광색소를 결합시키는 고감도검출법도 개발되었다.

강한 산(6N 염산)에서 가열하면 가수분해되어 구성성분인 L-α-아미노산이 된다. 이 방법은 아미노산의 조성을 측정하는 데에 이용된다. 강한 알칼리나 여러 가지 단백질분해효소에 의해서도 가수분해된다. 명확한 특이성이 있는 단백질분해효소에 의한 가수분해는 1차 구조결정의 중요한 수단이다.

여러 가지 원인으로 1차구조는 변화되지 않고 고차구조만이 파괴되어, 천연단백질과는 다른 물성을 나타내게 되는 것을 변성이라 한다. 변성의 원인으로는 극단적인 알칼리성이나 산성, 유기용매·중금속염·요소 또는 염산구아니딘과 같은 변성제·계면활성제·효소 등 화학적 인자 외에, 가열·동결·교반·희석·흡착·자외선·X선·고압·초음파 등의 물리적 인자도 포함된다. 변성에 따른 물성의 변화로서는 생물활성의 감소 또는 상실을 들 수 있다. 변성되면 단백질의 2차구조·3차구조를 유지하는 비공유결합에 의한 상호작용이 붕괴되어, 접혀진 입체구조에서 랜덤코일로 변화한다. 동시에 4차구조도 붕괴되어 서브유닛으로의 해리를 동반한다. 변성을 일으키는 요인·조건에 따라 이 변화는 가역적인 것과 비가역적인 것이 있다.

천연단백질은 항원성을 갖는다. 다른 종의 동물조직에 주입하면, 동물은 면역되어 그 단백질(항원)에 대해 특이적 항체를 형성한다. 항체도 단백질이며, 항원단백질과 특이적으로 결합하여 불용성의 복합체를 형성한다(항원항체반응). 항체는 항원 이외의 단백질과는 반응하지 않으므로 단백질의 미량검출이나 동정(同定)에 이용한다.

완전히 같은 기능을 가진 같은 이름의 단백질에서도 생물의 종(種)이 다르면, 그 구조는 다소 다르다. 이것을 단백질의 종속특이성이라 한다. 고등동물에서는 같은 개체라도 기관이 다르면 구조가 약간 다른 것이 있다. 이것을 기관특이성이라 한다.

단백질 정제는 변성을 일으키지 않는 조건하에서 전체 조작을 행해야 한다. 가용성단백질의 경우에는 세포의 파쇄 후, 물이나 묽은 염류용액에서 추출한 추출액을 출발물질로 한다. 불용성단백질의 경우에도 유기용매에 의한 지질의 제거, 약한 계면활성제에 의한 가용화, 지질이나 구조단백질의 효소분해 등의 온화한 처리로 생물활성을 가진 채로 가용화하는 것이 있다. 먼저 단백질 상호 성질의 차이를 이용해서 염석, 등전점 침전, 용매에 따른 침전 등의 방법으로 추출액을 분별하고, 그 다음에 목적으로 하는 단백질 분리를 초원심침전, 이온교환크로마토그래피, 겔거르기, 친화성크로마토그래피, 전기이동, 등전점 전기이동 등의 방법을 이용해서 정제한다.

일정 배열의 단백질 합성법으로는 액체상법과 고체상법이 주로 사용되고 있다.

액체상법과 고체상법의 방법으로 얻은 프래그먼트를 화학적으로(예를 들어 DCC-첨가법) 결합시켜 단백질을 합성할 수 있다. 인슐린·리보뉴클레아제 A·리보뉴클레아제 T  등의 합성이 있다. 화학합성은 구조의 확인, 구조와 기능의 상관관계의 해명 등에 이용되어 왔다.

카르복시기를 보호한 아미노산에 아미노기를 보호한 아미노산을 축합시켜, 생성된 펩티드의 아미노기 보호를 풀고, 다음 아미노기를 보호한 아미노산을 축합시키는 방법으로, C말단에서 N말단을 향해 하나씩 연장해간다. 이 방법은 확실하지만 손이 많이 가고, 매우 긴 펩티드는 합성될 수 없다.

C말단의 보호기로서 불용성고분자운반체를 사용하고 이것에 아미노기를 보호한 아미노산을 디시클로헥실카르보디이미드(DCC)법으로 차례로 연장시키는 경우, 최종적으로 생긴 펩티드를 플루오르화수소로 수지에서 분리해내어 얻어진 펩티드를 고속액체크로마토그래피(HPLC) 등으로 정제한다. 최근 이 방법에 의거한 펩티드 합성기 개발에 따라 신속하게 수십 잔기의 펩티드가 합성되고 있다.

세포 내에서 단백질은 DNA 속에 보존되어 있는 유전정보를 정확히 번역하여 유리된 아미노산으로 생합성한다. 생합성은 막결합형 또는 유리형 리보솜(실제로는 폴리솜을 형성하고 있는) 위에서 행한다.

생합성 반응과정을 통해 얻어진 새로운 폴리펩티드사슬은 그 위에 여러 가지 수정을 받아 고차구조를 형성해서 완성된 단백질로 된다. 즉 S-S결합에 의한 분자 내 다리걸침을 비롯하여 인산화, 메틸화, 수산화, 글리코실화, N말단 아미노산의 블록, N말단에서 몇 개 아미노산의 제거, 특이적 펩티다아제에 의한 분해, 다른 폴리펩티드사슬과의 회합 등의 조작이 이 단계에서 첨가된다. 단백질생합성의 저해제로서는 펩티드전이반응의 수용체인 아미노아실 tRNA를 길항적으로 저해하는 퓨로마이신, 리보솜의 소 서브유닛에 결합하는 스트렙토마이신, 아미노아실 tRNA가 A부위에 있는 것을 저지하여 폴리펩티드사슬의 연장을 저해하는 테트라사이클린, 대 서브유닛에 존재하는 펩티딜전이효소를 저해하는 클로람페니콜이나 시클로헥사미드, 대 서브유닛에 결합해서 리보솜의 전좌를 저해하는 에리트로마이신, 같은 전좌를 저해하는 푸시드산 등이 알려져 있다. 단백질합성의 조절메커니즘은 매우 복잡하다. 원핵세포에서는 주로 프로모터 부위의 전사개시 빈도의 조절로 제어된다. 진핵세포 특히 다세포생물에서는 더 복잡하며, 호르몬은 중요 조절인자이다. 생합성 반응 과정은 다음의 4단계로 되어 있다.

20종의 유리 아미노산은 각각의 아미노산에 대한 안티코돈을 보유하는 특이한 tRNA(transfer RNA)의 3′-말단리보오스에, ATP와 Mg²  존재하에서 아미노아실tRNA합성효소의 작용에 의해 에스테르결합으로 결합되어 아미노아실 tRNA가 된다.

DNA가 갖는 유전정보를 그대로 전사하여 생긴 mRNA와, 개시코돈(유전암호단위인 염기배열)에 대응하는 N-포르밀메티오닌 tRNA(원핵세포) 또는 메티오닌 tRNA(진핵세포)가 리보솜의 소 서브유닛과 결합하고, 또한 그 위에 리보솜의 대 서브유닛이 가해져 단백질 합성의 개시복합체가 형성된다. 개시복합체의 형성에는 많은 개시인자와 GTP(구아노신삼인산) 또는 Mg² 가 관여하고, 그 메커니즘은 원핵세포와 진핵세포에서 다소 다르며 진핵세포에서는 ATP도 필요로 한다. 어떤 경우에도 〔그림 7〕 〔그림 8〕과 같이 개시코돈에 대응하는 아미노아실 tRNA는 리보솜 위의 2개의 tRNA결합부위(P 부위, A 부위) 중 P부위에 결합되어 있다.

mRNA 중 제2코돈에 의해 결정되는 제2아미노산에 대한 아미노아실 tRNA(aa -tRNA )가 폴리펩티드사슬연장인자(EF-T), GTP, Mg  존재하에서 개시복합체의 A부위에 결합한다. 계속해서 리보솜의 대 서브유닛 중에 존재하는 펩티딜전이효소의 작용으로, P부위의 aa -tRNA 에 붙어 있는 제1아미노산이 제2아미노산(aa )의 아미노기에 전이되어 펩티드결합을 형성한다. 그 후에 다른 단백성인자(EF-G)와 GTP, Mg 의 존재하에서 리보솜은 1개 코돈에 해당하는 것(3염기)만 mRNA위로 자리 바꾸고, 그 결과 새로 생긴 펩티드를 갖는 tRNA(aa -aa -tRNA )는 A부위에서 P부위로 이동하여, 제1아미노산을 잃은 t-RNA 은 리보솜으로부터 유리한다. 다음 A부위에는 제3코돈에 해당하는 aa -tRNA 가 결합되어 같은 반응이 반복된다. 즉 폴리펩티드사슬은 그 카르복실말단에 1개씩 아미노산을 첨가하면서 연장되어가고, 금방 생긴 새로운 펩티드사슬은 최후의 아미노산 tRNA에 결합, A부위에 존재하게 된다〔그림 8〕.

리보솜 위의 A부위에 종결코돈이 출현하면 종결인자가 이것을 인식하여서, P부위에 결합되어 있는 펩티딜tRNA의 폴리펩티드사슬과 tRNA 사이의 에스테르결합이 펩티딜전이효소에 의해 가수분해되고 폴리펩티드사슬이 유리한다. 종결코돈으로서는 UAA, UAG, UGA의 3종이 있다. 원핵세포의 종결인자에는 UAA와 UAG를 인식하는 RF-1, UAA와 UGA를 인식하는 RF-2, 이 2개 인자의 기능을 촉진하는 RF-3 등의 3종이 있다. 진핵세포에는 UAAA, UAGA, UGAA를 인식하는 eRF와 그 작용을 촉진하는 S인자가 알려져 있다. 폴리펩티드사슬의 유리 후 리보솜에 남아 있는 mRNA, tRNA도 유리되어 리보솜은 모노솜(run off형)이 되고, 또한 크고 작은 서브유닛으로 해리되어 그 다음의 폴리펩티드사슬 합성에 이용된다.

생체 내에서는 단백질의 합성과 분해가 끊이지 않고 일어나고 있어 동적평형상태로 있다. 동물의 경우는 또한 외부로부터 섭취한 단백질을 분해하여 영양적으로 필수인 아미노산을 공급하고 있다. 이와 같은 목적의 단백질 소화는, 원생동물은 벽으로 둘러싸인 소화용의 공포에서, 포유동물은 위장관의 내강에서, 즉 동물 자신의 세포 내용물로부터 격리시킨 곳에서 행해진다. 또 분해 효소는 모두 비활성인 지모겐으로서 합성분비되어 위장관의 내강에서 활성화된다. 각각 기질특이성을 달리하는 많은 종류의 프로테아제(펩신·트립신·키모트립신 등)·펩티다아제·엑소펩티다아제(로이신아미노펩티다아제, 카르복시펩티다아제 A 및 B 등)의 상보적 상호작용에 의해 거의 완전히 아미노산까지 분해되고 흡수된다. 이것에 대해서 세포내의 단백질 분해에서는 ① 어떤 단백질이라도 무차별적으로 분해되지 않으며 ② 동일한 단백질이라도 생리적 요인에 의해서 조절되고 분해되어야 한다.

단백질이 체내에서 이용되는 경로를 모식적으로 나타내면 〔그림 9〕와 같다. 음식물의 단백질은 아미노산으로 소화·분해되어 체내로 흡수되고, 대사되며 이용된다. 그러므로 단백질을 섭취하는 것의 영양상 의미는 아미노산을 섭취하는 것이며, 체내 아미노산풀(체내의 혈액·장기 등에 함유되는 아미노산의 존재상태)의 정상적인 균형을 유지하는 것이다. 체내에서 몸을 구성하는 단백질은 끊임없이 분해하고 또한 새로운 단백질의 합성이 이루어져 분해와 합성이 균형을 유지하는 상태로 있게 된다. 단백질은 사람의 영양에 빠질 수 없는 물질이다. 단백질 소요량은 한국인의 성인남자가 1일 70g, 성인여자가 60g이며, 성장기에는 많이 필요하기 때문에 13세 어린이인 경우 남자가 1일 85g, 여자가 80g이다.

식품의 단백