Re: 레닌저 생화학 8판. 챕터 3. 아미노산, 펩타이드, 단백질

[문형철]

펩타이드 결합의 가수분해는 자유에너지 감소반응이지만, 그 활성화에너지가 높기 대문에 반응이 서서히 일어남. 

대부분의 세포에서 평균적으로 약 7년의 반감기.

위대한 생명현상

대장균(단세포)은

1초에 1,400개의 단백질을 만들어 내고 있다.

210만개의 ATP를 사용해서..

참고) 인체는 하루에 50-70kg의 ATP를 생성하여 사용함.

Physiology, Adenosine Triphosphate - StatPearls - NCBI Bookshelf

단백질은 세포에 가장 풍부한 거대분자.

하나의 세포에 수천가지의 서로 다른 단백질이 존재

20개의 아미노산을 이용하여 현저하게 다른 특성과 활성을 가진 단백질을 생산

효소, 호르몬, 항체, 수송체, 근섬유 등에 필요한

이 챕터에서는 단백질의 구조와 기능 탐구

1. 아미노산

단백질은 아미노산 중합체로서 각 아미노산 잔기(amino acid residue)는 독특한 공유결합에 의해서 다음 아미노산과 결합

1806년 asparagine 아미노산 최초 발견

1938년 threonine 아미노산 가장 나중에 발견

아스파라진은 아스파라거스에서 최초로 발견

글루탐산은 밀의 글루텐에서 발견

티로신은 치즈로부터 처음으로 분리

아미노산은 공통의 구조적 특징

20종류의 표준 아미노산은 모두 알파-아미노산

모두 같은 탄소원자(알파 탄소)에

1개의 카르복실기(COO-)와 1개의 아미노기(NH3+)가 결합

아미노산은

곁사슬(R 기)의 구조, 크기, 전하 등이 서로 다르고,

이들이 아미노산의 물에 대한 용해도에 영향을 줌

거울상 이성질체

아미노산 종류

극성 또는 pH 7.0에서 물과 상호작용하는 경향에 따라  5가지 군으로 분류

20종 아미노산의 구조

비극성 지방족 R기

알라닌, 발린, 류신, 이소류신의 곁사슬은 단백질 내부에서 뭉치(cluster)형성하는 경향이 있으며

소수성 상호작용을 통해 단백질의 구조를 안정화

글리신은 가장 간단한 아미노산 구조

메티오닌은  황을 포함하는  2종류 아미노산 중 하나. 

프롤린은 프롤린을 함유하고 있어 폴리펩타이드의 구조적 유연성을 감소시키는 단단한 입체형태

방향족 R기

페닐알라닌, 타이로신, 트립토판은 방향족 곁사슬을 가지고 있으며, 상대적으로 비극성(소수성)

타이로신의 하이드록실기는 수소결합을 형성할 수있고, 일부 효소에서 중요한 적용기로 작용.

타이로신과 트립토판은 페닐알라닌보다 극성이 높음. 이는 타이로신의 하이드록실기와 트립토판의 인돌 고리의 질소원자때문

트립토판, 타이로신, 페닐알라닌은 자외선을 흡수함.

극성, 비전하 R기

세린, 트레오닌, 시스테인, 아스파라진, 글루타민

이들 아미노산의 R기는 물과 수소결합을 하는 작용기를 가지고 있으므로, 

비극성 아미노산의 R기보다 친수성이고 물에 용해되기 쉬움

세린과 트레오닌의 극성은 그것의 하이드록실기에 의한 것이며, 

아스파라진과 글루타민 극성은 아미드기 때문

시스테인은 열외자. 설프하이드릴기(-SH)에 의한 그것의 극성이 매우 약하기 때문.

시스테인은 약산성이고, 산소 또는 질소와 약한 수소결합을 할 수 있음.

시스테인은 산화되어 시스틴이라 불리는 공유결합으로 연결된 이합체의 아미노산을 형성. 

이황결합으로 연결된 잔기는 매우 큰 소수성(비극성)을 가짐. 

이황결합은 하나의 폴리펩티드의 부분 사이에서 또는 서로 다른 폴리펩티드 사슬들간에 공유결합을 형성함으로써 

많은 단백질들의 구조 형성에 중요한 역할

양전하(염기성) R기

라이신, 아르기닌, 히스티딘

대부분의 친수성 R기는 양전하를 띠거나 음전하를 띰.

라이신, 아르기닌, 히스티딘은 양전하를 띰

음전하(산성) R기

아스파트산, 글루탐산

pH 7.0에서 R기가 전체적으로 음전하를 가지고 있는 아미노산

이들은 각각 제 2의 카르복실기를 가지고 있음. ...

특수한 아미노산 역시 중요한 기능을 갖는다

섬유단백질인 콜라겐에서 발견되는 프롤린의 유도체인4-하이드록시프롤린과 혈액응고 단백질인 프로트롬빈

Ca2+ 이온과 결합하는 5-하이드록시라이신

..

단백질 중의 어떤 아미노 잔기들은 단백질의 기능을 변경하기 위해 일시적으로 수정되기도 함.

특정 아미노 잔기에 인산기, 메틸기, 아세틸기, 아데닐기, ADP-리보실기 등 작용기가 그 단백질 활성을 증가 또는 감소시킬 수 있음. 

인산화는 대포적인 단백질 조절 변형임. 

공유결합 변형은 6장에 다룸. 

아미노산은 산과 염기로 작용할 수 있다.

아미노산들의 아미노기와 카르복실기 및 일부 아미노산이 가지는 이온성 R기는 약산 또는 약염기로 작용

3.2 펩타이드와 단백질

펩타이드 크기는 2~3개의 아미노산을 가진 분자부터 몇천개나 되는 아미노산을 가지고 있는 거대분자에 이르기까지 다양

다이펩타이드(dipeptide) 2분자의 아미노산이 공유결합을 형성한 것

이 결합은 아미노산 1분자의 알파-카르복실기와 또 다른 아미노산 1분자의 알파-아미노기로부터 물을 제거함으로써 이루어짐.

3분자의 아미노산은 2개의 펩타이드 결합에 의하여 연결되어 트라이펩타이드를 만듬.

많은 아미노산이 결합된 경우 폴리펩타이드라고 함.

펩타이드 결합의 가수분해는 자유에너지 감소반응이지만, 그 활성화에너지가 높기 대문에 반응이 서서히 일어남. 

대부분의 세포에서 평균적으로 약 7년의 반감기...

펩타이드는 유리 아미노산과 마찬가지로 특유의 적정곡선과 등전 pH를 가지고 있음. 

생물학적 활성이 있는 펩타이드와 폴리펩타이드의 크기는 다양하다

많은 작은 펩타이드들은 매우 소량으로도 큰 효력을 발휘

옥시토신(아미노산 9 잔기)

단백질의 폴리펩타이드 사슬의 길이는?

사람의 사이토크롬 C는 104개 잔기의 아미노산이 한가닥 사슬에 결합되어 있음. 

타이틴(Titin)은 근육의 구성성분으로 2만 7천개의 아미노 잔기로 이루어져 있음. 

단백질의 아미노산 조성도 변화가 심함.

하나의 단백질 내에 20종의 표준 아미노산이 단백질 중 같은 양이 들어있는 경우는 거의 없음. 

일부 단백질은 아미노산 이외의 화학군을 함유하고 있다

일부 단백질은 아미노산 외에 몇가지 화학성분을 더가지고 있어 접합 단백질(conjugated protein)이라 불림.

예) 지질단백질 lipoprotein, 당단백질 glycoprotein, 금속 단백질 metalloprotein

3.3 단백질의 연구

단백질은 분리되고 정제될 수 있음

전기영동 electrophoresis으로 단백질을 분리하고 그 특징을 알아낼 수 있음.

분리되지 않는 단백질도 그 기능에 따라 검출 및 정량화 됨.

3.4 단백질의 구조 

1차구조

하나의 폴리펩타이드 사슬에서 아미노산 잔기를 연결하는 모든 공유결합(주로 펩타이드 결합과 이황 결합)을 1차구조라 함.

2차구조는 반복적인 구조 양상을 보여주는 독특하게 안정된 아미노산 잔기의 배열을 말함

3차구조는 하나의 폴리페바이드가 3차원적으로 접힌 전체 외관을 나타냄. 

4차구조는 단백질이 2개 이상의 폴리펩타이드 소단위를 가질 경우, 그 폴리펩타이들의 공간적 배치를 말함. 

단백질의 기능은 아미노산 서열에 의존한다

대장균은 3천가지 종류의 서로 다른 단백질을 만든다. 

인체는 2만여개의 유전자를 가지고 있다

두 경우 모두에서 서로 다른 유형의 단백질은 특정한 3차원 구조를 갖게 하는 특유의 아미노산 서열을 가지고 있음. 

이러한 구조는 특정한 기능을 발휘함. 

단백질 1차구조는 단백질의 고유한 3차원 구조로 접히는 방법을 결정하고, 이는 단백질 기능을 결정함. 

특정 단백질에 대한 아미노산 서열이 완전히 고정되거나 불변하는 것은 아님

사실상 인간의 모든 단백질은 다형성 polymorphism으로 인간 개체군에서 아미노산 서열 변형을 가지고 있음.

폴리펩타이드의 이황화 결합은 비가역적으로 끊어질 수 있음.

단백질 분해효소(protease)는 펩타이드 결합의 가수분해 작용을 촉매하고, 단백질을 부분으로 분해

소화효소 트립신은 사슬의 길이, 아미노산 서열에 관계없이 lys 또는 arg의 카보닐기가 관여하는 펩다이드 결합만을 가수분해

작은 펩타이드와 단백질은 화학적으로 합성가능

아미노산의 서열은 중요한 생화학적 정보를 제공한다

단백질의 아미노산 서열은 3차원 구조와 기능, 세포에서의 위치, 진화에 대한 통찰력을 제공

단백질 서열은 지구상 생명체의 역사를 밝히는데 도움이 된다

어떤 단백질에 있어 그 활성에 필요한 아미노산 잔기들은 진화적 시간을 거치는 동안에 보존됨. 기능에 덜 중요한 잔기들은 시간이 지남에 따라 변할 수 있으며(한 아미노산이 다른 아미노산으로 치환), 이러한 가변적 잔기들은 진화를 추적하는데 사용.

단백질의 여러 서열을 고려함으로써 연구자들은 정교한 진화계통도를 작성할 수 있음.