Re: 레닌저 생화학 챕터 4, 단백질의 3차원 구조 5. 단백질의 기능

[문형철]

단백질은 큰 분자

고유의 입체구조를 가지고 있어 다양한 기능을 함.

5가지 원칙

1. 단백질의 구조는 비공유 상호작용과 힘에 의해 안정화

2. 단백질 분절들은 알파나선과 베타 입체형태와 같은 규칙적인 2차구조를 채택할 수 있음.

3. 3차구조는 단백질이 채택한 잘 정의된 3차원 접힘을 설명함

4. 3차구조는 아미노산 서열에 의해 결정됨

5. 단백질의 3차구조는 정의될 수 있음

4.1 단백질의 구조 

하나의 공유결합을 깨뜨리기 위해서는 200~460kJ/mol의 에너지가 필요

약한 상호작용을 깨드리기 위해서는 0.4~30kJ/mol 에너지 필요

4.2. 단백질의 2차구조

몇몇 유형의 2차구조.. 가장 흔히 발견되는 것은 알파 나선(helix)과 베타 입체형태

알파 나선은

흔한 단백질 2차구조

아미노산 서열이 알파 나선의 안정성에 영향을 줌

베타 입체형태는

폴리펩타이드 사슬을 판구조로 조직화 함

4.3 단백질의 3차 및 4차 구조

어떤 단백질을 구성하는 모든 원자의 전체적인 3차원적 배열을 단백질의 3차 구조라고 함. 

3차원 복합체에서 단백질 소단위의 배열이 4차구조를 이룸

섬유 단백질 fibrous protein

구형 단백질 globular protein

막 단백질 membraine protein

내재 무질서 단백질 intrinsically disordered proteins

섬유단백질은 구조적인 기능에 알맞게 되어 있음.

알카 케라틴, 콜라겐, 그리고 명주 피브로인(fibroin)은 단백질의 구조와 생물학적 기능관계를 명확히 보여줌

알파 케라틴

모발, 양모, 손톱, 발톱, 뿔, 말굽, 피부 외층 등에서 발견되는 단백질.

콜라겐

힘줄, 연골, 뼈의 유기바탕질, 눈의 각막과 같은 결합조직 단백질

포유류에서 전체 단백질 함량의 25~35% 차지

콜라겐 나선은 알파 나선과는 다른 독특한 2차구조

이것은 왼손 감김구조이고, 1회전당 3개의 아미노 잔기를 가짐. 

콜라겐은

35% Gly, 11% Ala, 21% Pro과 4-Hyp)을 함유

콜라겐의 삼중나선(triple helix)에서

알파 사슬의 서로 촘촘한 꼬임구조는

같은 단면적의 강철보다 더 큰 인장강도를 갖게 함.

인간의 결합조직은 나이가 들수록 경직되고 부서지기 쉬운데,

그 이유는 콜레겐 원섬유 내에 공유결합으로 된 교차연결이 축적되기 때문.

명주(비단)의 단백질인 파이브로인(fibroin)은 거미와 곤충에 의해서 만들어짐

폴리펩타이드 사슬의 대부분은 베타 입체형태로 구성

알라닌과 글라이신 잔기가 많은데, 이는 베타 판을 조밀하게 만들고 곁사슬의 맞물림을 가능하게 함. 

베타 판은 이미 고도로 신장되어 있어, 더이상 늘어나지 않음. 

참고) 괴혈병

비타민 C는 콜라겐에 있어 프롤린과 라이신의 수산화 반응(중화반응)에 필요함. 

비타민 C가 결핍되면 전신적인 결합조직 생성이 안됨. 괴혈병

1747년 스코틀랜드 해군 의사 제임스 린드는 .. 괴혈병에 걸린 영국 해군에게 레몬과 오렌지를 준 그룹과 주지 않은 그룹으로 나누어 치료..  린드의 괴혈병 치료에 대한 논문은 1753년에 출간되었지만, 이후 40년동안 영국해군 본부는 아무런 조치도 취하지 않음. 

참고) 대부분의 동물들은 비타민 C를 생산함. 진화의 경로상에서 인간과 고릴라, 기니피그, 과일박쥐 등은 이 대사경로의 마지막 효소를 만들지 못하기 때문에 비타민 C를 식이를 통해서 섭취해야 함. 

구형 단백질의 구조적 다양성은 기능적 다양성을 반영함.

구형 단백질에서 폴리펩타이드 사슬의 여러분절은 서로 등을 대고 접혀 있어서, 

섬유단백질보다 더 촘촘한 모양을 만듬. 

이 접힘은 또한 단백질이 넓은 영억의 생물학적 기능을 수행할 수 있도록 구조적 다양성을 제공

구형 단백질에는

효소, 수송 단백질, 운동 단백질, 조절 단백질, 면역글로불린 그리고

이들과 많은 기능을 수행하는 단백질들 있음. 

마이오글로빈은 구형 단백질 구조의 복잡성에 대한 초기 단서를 제공함.

마이오글로빈은 근육의 산소 결합 단백질로 그 크기는 (분자량 16,700) 비교적 작음.

기능은 산소를 저장하고, 수축하는 근육조직에서 산소의 분산을 빠르게 촉진하는데 있음.

고래, 바다표범 등 잠수 포유동물의 근육에 미오글로빈이 많기 때문에

긴 시간 잠수할 수 있음. 

구형 단백질은 다양한 3차구조를 갖는다

접힘(folding)과 영역(domain)

완전한 3차워 구조에 대한 이해를 위해서는 접힘패턴에 대해 알아야..

접힘(모티프 motif)란 2개 이상의 2차구조와 이들의 연결이 관여하는 인지가능한 접힘 패턴임.

모티프 중 매우 단순한 것은 2개의 2차구조 요소가 서로 기대어 접힌 것으로 단백질의 작은 부분만을 나타내기도 함.

영역 domain은 독립적으로 안정되어 있으면서

전체 단백질에 대하여 동작을 수행할 수 있는 폴리펩타이드 사슬의 일부를 일컬음. 

수백개 이상의 아미노산 잔기로 이루어진 폴리펩타이드는 흔히 2개 혹은 그 이상의 영역으로 구분되어 접혀 있는데,

때로는 이들 영역들이 서로 다른 기능을 가지고 있음. 

일부 단백질 또는 단백질 분절들은 내재적으로 무질서하다

단백질 모티프는 단백질 구조적 분류에 기초가 된다

단백질 4차구조는

간단한 이합체부터 거대한 복합체까지 매우 다양하다

세포막단백질은 

포유류 프로테옴의 약 30%를 차지하며 

대사, 신호 전달, 수송 및 세포 생활에 필요한 기타 여러 기능을 매개합니다. 

통합막 단백질(IMP)의 미세 환경은 

세포질 단백질과 본질적으로 다르며, 

IMP는 구성적 및 생물물리적으로 복잡한 지질 매트릭스에 의해 용해됩니다. 

이러한 용해성 지질은 

입체 특이적인 고친화성 단백질-지질 상호작용부터 

벌크 막 특성에 의한 조절에 이르기까지 

다양한 방식으로 단백질 구조와 기능에 영향을 미칩니다. 

다양한 수송체, 채널 및 신호 수용체에 대해 용해막에 의한 IMP의 기능 조절에 대한 구체적인 예가 보고되었지만 

지질 환경에 의한 IMP 조절을 지배하는 일반화 가능한 메커니즘 원리는 널리 알려져 있지 않으며 

완전히 이해되지도 않았습니다. 

여기에서는 

포유류 막의 복잡한 리피돔, 

이러한 지질 집합체에서 비롯되는 막 물리화학적 특성 및 둘 중 하나 또는 둘 다에 의한

 IMP 조절 사이의 상호 관계에 대한 최근 통찰력을 검토합니다. 

최근 이러한 지질-단백질 상호작용을 연구하는 

고해상도 방법의 확산으로 일반화 가능한 통찰력을 얻게 되었으며, 

이를 '기능성 파라리피돔'이라는 일반적인 프레임워크로 통합하여 

막 단백질과 주변 지질 미세 환경 간의 상호 조절을 이해합니다.

Transmembrane proteins comprise ~30% of the mammalian proteome, mediating metabolism, signalling, transport and many other functions required for cellular life. The microenvironment of integral membrane proteins (IMPs) is intrinsically different from that of cytoplasmic proteins, with IMPs solvated by a compositionally and biophysically complex lipid matrix. These solvating lipids affect protein structure and function in a variety of ways, from stereospecific, high-affinity protein–lipid interactions to modulation by bulk membrane properties. Specific examples of functional modulation of IMPs by their solvating membranes have been reported for various transporters, channels and signal receptors; however, generalizable mechanistic principles governing IMP regulation by lipid environments are neither widely appreciated nor completely understood. Here, we review recent insights into the inter-relationships between complex lipidomes of mammalian membranes, the membrane physicochemical properties resulting from such lipid collectives, and the regulation of IMPs by either or both. The recent proliferation of high-resolution methods to study such lipid–protein interactions has led to generalizable insights, which we synthesize into a general framework termed the ‘functional paralipidome’ to understand the mutual regulation between membrane proteins and their surrounding lipid microenvironments.

전체 유전자의 약 1/4은 

원핵생물의 원형질막이나 진핵생물의 소포체 막에 삽입되는 

필수 막 단백질을 코딩합니다. 

막 단백질의 위상학적 및 생물물리학적 특성에 따라 

여러 경로가 막 단백질의 표적화 및 삽입에 사용됩니다. 

다중 통과 막 단백질은 

막에 여러 번 걸쳐 있으며 막 내 폴딩이라는 추가적인 문제에 직면합니다. 

많은 경우, 일체형 막 단백질은 

다른 단백질과 조립하여 

여러 개의 서브단위 막 단백질 복합체를 형성해야 합니다. 

최근의 생화학적 및 구조적 분석은 

막 단백질 표적화 및 삽입의 분자적 기반에 대해 상당한 명확성을 제공했으며,

 다중 통과 막 단백질 생성과 다중 단위 단백질 복합체 조립의 잘 이해되지 않은 과정에 대한 

새로운 통찰력을 제공했습니다.

• 구조화된 도메인을 포함할 수 있는 단백질의 본질적으로 무질서한 단백질(IDP)과 본질적으로 무질서한 영역(IDR)은 진핵세포에서 중요한 신호 전달 과정을 매개합니다.
• 무질서한 서열은 종종 다른 구조를 사용하여 여러 파트너와 결합할 가능성이 있기 때문에 세포 신호 전달에서 무질서한 영역이 유리합니다.
• 무질서한 영역은 상대적으로 접근하기 쉽고, 여러 결합 모티프를 포함하는 경우가 많으며, 신호 경로 제어의 중요한 매개체인 번역 후 변형이 일어나는 부위인 경우가 많습니다.
• 무질서한 단백질은 고차 신호 집합체의 형성과 일주기 시계의 작동에서 중심적인 역할을 합니다.

초록

본질적으로 무질서한 단백질(IDP)은

세포 신호 체계의 중요한 구성 요소로,

동일한 폴리펩타이드가 서로 다른 결과를 초래하는

다양한 상호작용을 수행할 수 있게 합니다.

IDP는

번역 후 변형과 대체 스플라이싱을 통해 조절 네트워크에 복잡성을 더하고

조직별 신호 전달 메커니즘을 제공합니다.

IDP는

신호 복합체의 조립과 막이 없는 핵 및 세포질 소기관의 동적 자기 조립에 참여합니다.

실험, 계산 및 생물정보학적 분석을 결합하여

단백질의 무질서한 영역을 식별하고 특성화함으로써

생물학적 과정에서 단백질의 광범위한 역할을 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.

4.4 단백질의 변성과 접힘

단백질은 놀라울 정도로 불안정하게 존재함.

일정한 상황하에서 필요한 세포내 활성 단백질의 일정한 세트를 계속적으로 유지하는 것을

단백질 정체 proteostasis이라고 함.

단백질 항상성(protein homeostasis)

분자 샤프론은 초기 단백질이 고유한 접힘에 도달하도록 돕고, 복합체 조립 중 열 충격으로부터 하위 유닛을 보호하며, 단백질 응집을 방지하거나 표적 접힘과 분해를 매개하도록 진화한 다양한 다중 도메인 단백질 제품군입니다. 스트레스에 대한 반응으로 발현이 증가하는 것은 세포의 건강과 유기체의 수명에 중요한 요소입니다. 활성 부위가 정밀하고 미세하게 조정된 효소와 달리 샤프론은 다양한 기질에서 작동하는 강력한 분자 기계입니다. 샤프론의 작용 메커니즘의 구조적 기반은 밝혀지고 있으며(특히 열충격 단백질 HSP60, HSP70, HSP90 및 HSP100의 경우), 일반적으로 20~50Å의 거리와 최대 100°의 회전에 걸쳐 20~30kDa 도메인의 대규모 변위를 수반하는 것으로 알려져 있습니다.

절절하게 접히지 않은 단백질들은

흔히 단백질을 끈끈하게 sticky하는

소수성 표면을 노출하여 불활성의 응집체를 만듬

이러한 응집체들은 정상적이 기능이 결핍되지만 불활성이지도 않음. 

당뇨병, 파킨슨병, 알츠하이머에 이르기 까지 다양한 질환의 중심에 있음.

따라서

모든 세포들이 비가역적으로 잘못 접힌 단백질들의 재활용과 분해에 대한

정교한 경로를 가지고 있는 것이 놀라운 일이 아님.

단백질의 구조상실은 기능상실을 초래한다.

프리온 병(prion disease)

광우병

잘못된 뇌 단백질 접힘은 포유류에서 많은 희귀 퇴행성 뇌질환들의 원인 

가장 잘 알려진 병은 소 해면뇌병증, 광우병)

프리온 유사 단백질들이

파킨슨 질환을 닮은 다계통 위축증(multiple system atrophy)같은 신경퇴행성 질환의 원인

다계통위축증(MSA)은 α-시누클레인 병증에 속하는 원인 불명의 급속히 진행되는 치명적인 신경 퇴행성 질환입니다. 임상적으로 파킨슨병, 소뇌, 자율신경 및 운동 장애가 다양한 조합으로 나타납니다. 병리학적인 특징은 주로 희돌기아교와 그보다 적은 범위의 신경세포를 포함하는 섬유소성 α-시누클레인(αSyn)이 풍부한 아교세포질 내포물(GCI)로, 다계통 신경 퇴화, 신경교 활성화 및 광범위한 탈수초화를 유도합니다. MSA의 신경 αSyn 병리는 파킨슨병(PD)의 루이체와는 다른 분자적 특성을 가지고 있으며, 이 두 가지 모두 시뉴클레인 병증의 발병을 시작하고 촉진할 수 있는 αSyn(프리온) 씨앗의 풀로 작용할 수 있습니다. 질병의 진행에 기여하는 응집된 αSyn의 “균주”의 “프리온 유사” 이동으로 이어지는 분자적 캐스케이드는 잘 이해되지 않고 있으며, 일부에서는 MSA가 프리온 질환이라는 증거를 제시하기도 했습니다. 그러나 이 가설은 인간 뇌의 사후 분석 결과, 질병 특이적 GCI의 생산 없이 동형접합 돌연변이 53T 마우스에서만 인간 MSA 뇌 균질체의 뇌내 접종에 의해 MSA 유사 병리가 유도되었거나 인간 αSyn을 발현하는 형질전환 마우스의 일차 성상세포 배양에서 MSA 프리온의 복제를 통해 유도된 사실과 조화하기 어려운 것으로 나타났습니다. 최근 루이체 유래 또는 합성 인간 αSyn 원 섬유의 뇌실 내 주입이 원숭이에서 신경세포 αSyn 응집체를 포함한 PD 유사 병리를 유도한 반면, 비인간 영장류에서 MSA 뇌 용해물에 의한 αSyn 병리의 전파는 지금까지 보고되지 않았습니다. αSyn과 프리온의 유사성을 고려할 때, 이를 “프리온”, “프리온 유사체”, “프리오노이드” 또는 다른 이름으로 불러야 하는지 여부에 대해 상당한 논쟁이 있습니다. 여기에서는 αSyn의 프리온으로서의 특성과 시딩을 통한 자가 전파, 신경 퇴행성 질환의 전염성을 뒷받침하는 연구 결과를 논의합니다. 질병 인과관계의 입증은 과학적 증거의 일치에 달려 있으며, 지금까지 MSA를 프리온 질환으로 분류하거나 인간 전염에 대한 설득력 있는 증거를 제공한 것은 없습니다.

기능 상실을 초래하기에 충분한 단백질 3차원 구조의 상실을

변성 denaturation이라고 함.

대부분의 단백질은 열을 가함으로써 변성

온도를 천천히 올리면 일반적으로 단백질의 입체형태는

좁은 온도 범위에서 일어나는 갑작스러운 구조나 기능의 손실이 있을때까지 손상되지 않고 남아 있음. 

아미노산 서열이 3차구조를 결정한다

폴리펩타이드는 단계적으로 재빨리 접혀진다

몇가지 단백질은 도움을 받아 접힌다

모든 단백질이 세포내에서 합성되면서 자발적으로 접혀지지 않음.

올바른 접힘이 일어날 수 있는 미세환경을 제공하는 단백질인 샤페론이 필요함.

샤페론은 두가지 종류가 잘 연구됨

Hsp70족과 샤페로닌(chaperonin)

Hsp 70족의 단백질들은 분자량이 70,000 가까이 되며

상승한 온도에 의하여 스트레스를 받는 세포에서 더 풍부하게 발현됨.

Hsp 70은 소수성 잔기가 많은 접혀지지 않은 폴리펩타이드 부분에 결합함. 

그래서 이 샤페론들은 아직 접히지 않은 합성되는 폴리펩타이드와 열에 의해 변성된 단백질을 보호한다. 

Hsp 70은 또한 막을 가로질러 이동하기 까지 접혀지지 않은 상태로 있어야 하는 어떤 단백질들의 접힘을 차단함. 

샤페로닌은

자발적으로 접히지 않은 많은 세포 단백질의 접힘을 위해 필요한 정교한 단백질 복합체

4.5 단백질과 생체분자 구조의 결정

단백질 구조는 어떻게 결정되는가?

구조생물학은 단백질, 핵산, 지질막, 올리고당류를 포함한 생체분자의 3차원 구조에 대한 연구

구조 생물학은 단백질의 구조와 기능, 효소 촉매외 리간드 결합의 분자 기반 

그리고 단백질 사이의 진화적 관계 사이의 연관성을 설명하는데 매우 강력함. 

x선 결정학

핵자기공명(NMR)

냉동 전자현미경학(cryo-EM)

X-선회절은 단백질 결정으로부터 전자밀도 지도를 만듬

단백질 원자 사이의 거리는 핵자기공명을 측정

냉동 전자현미경으로 구조를 결정하는데 수천개의 개별분자가 사용

챕터 5. 단백질의 기능

단백질의 3차 구조를 아는 것은 단백질의 기능을 이해하기 위한 중요한 부분

구조생물학은 종종 분자간 상호작용에 대한 정보를 제공

단백질은 다른 분자와 역동적으로 상호작용-결합-함으로써 작용함.

2가지 상호작용

1) 효소(단백질이 반응 촉매로 작용) - 다음장의 주제

2) 결합된 분자의 화학적 배치나 조성이 변경되지 않는데, 이러한 상호작용이 이 장의 주제

단백질이 다른 분자와 상호작용하여 관련 분자를 변화시키지 않음에도 중요하다는 것..

이러한 유형의 순간적인 상호작용은 '산소운반, 신경자극의 전달, 면역기능'과 같은

수많은 복잡한 생리적 과정의 기초

어떤 분자가 상호작용하는지 정의하고, 

그러한 상호작용을 정량화하는 것은 모든 생화학 하위분야에서 공통적이고 분명한 과제임

6가지 주요 원칙

1) 많은 단백질 기능은 다른 분자와의 가역적인 결합을 수반함. 

단백질에 가역적으로 결합한 분자를 리간드 ligand라고 부름.

2) 리간드는 단백질에 있는 결합자리binding site라고 불리는 자리에 결합함.

결합자리는 크기, 모양, 전하, 수소 또는 친수성질 등에서 리간드와 상보적임. 

어떤 단백질은 여러개의 다른 리간드에 대해 서로 다른 결합자리를 가질 수 있음.

이런 특이적인 분자 상호작용은 생명체에서 고도의 질서 유지에 결정적

3) 단백질은 유연함

단백질 내 아미노산 잔기의 분자진동과 미세한 움직임을 반영하는 입체형태의 변화는 극히 세밀함

이런 단백질의 움직임을 '숨을 쉬고 있다 breathe' 라고 표현함

입체형태의 변화는 아주 역동적일 수 있어 단백질의 주요 부분이 수 나노미터늘 움직이기도 함

특이적 입체형태의 변화는 단백질의 기능에 중요함

4) 단백질과 리간드의 결합은 종종 단백질의 입체형태와 연결되어

결합자리가 리간드에 더 상보적이 되도록 만들어 줌으로써 더욱 강한 결합을 가능하게 함

5) 다중소단위 단백질에 있어서,

하나의 소단위에서 일어나는 입체형태 변화는 종종 다른 소단위들의 입체형태에 영향을 미침

6) 리간드와 단백질 간의 상호작용은 조절됨

5.1 단백질과 리간드의 가역적 결합(산소결합 단백질)

미오글로빈과 헤모글로빈은 가장 많이 연구됨.

산소는 헴 보조단(prosthetic group)에 결합할 수 있음

산소는 수용액에서 잘 녹지 않음. 

만일 산소가 쉽게 혈청에 녹는다면 충분한 양이 조직으로 운반될 수 없음.

다세포 동물들의 진화는

산소를 운반하고 저장할 수 있는 단백질들의 진화에 의존함

그러나

단백질을 구성하는 아미노산 곁사슬 중 어떤 것도

산소분자들와 가역적으로 결합하기에 적합하지 않음

이 역할은

산소에 강하게 결합하려는 경향이 있는

철과 구리같은 전이금속(transition metal)들이 수행함

다세포 생물들은 산소 운반을 위하여

가장 보편적인 철과 같은 금속의 성질을 이용함

그러나

유리 철(free iron)은 히드록실 라디칼처럼 반응성이 매우 큰 산소종의 생성을 촉진하여

DNA와 같은 고분자들을 손상시킬 수 있음

그러므로

세포내에서 사용되는 철은 격리된 상태 또는 활성을 줄인 상태로 결합되어 있음

다세포 생물에서

산소를 운반하는 철은 먼 거리까지 운반되어야 함

철은 종종 헴(heme)이라 불리는 보조단에 편입되어 있고,

이 보조단은 단백질에 결합되어 있음.

헴은 산화-환원(전자이동) 반응에 참여하는 cytochromes와 같은 일부 단백질 뿐만 아니라 

산소를 수송하는 많은 단백질에서도 발견됨.

헴은 프로토포르피린이라 부르는 복잡한 유기 고리구조로 구성되어 있으며

하나의 철 원자가 Fe2+ 상태로 결합되어 있음.

Fe2+ 상태에 있는 철은 산소와 가역적으로 결합하지만,

Fe3+ 상태의 철은 산소와 결합하지 않음

철이 결합되어 있는 헴과 글로빈 구조는

Fe2+ 산화를 억제하기 위해 진화적으로 적응한 것을 나타냄.

유리분자 헴(단백질과 결합하지 않은 헴)에서 Fe2+는 2개의 배위 결합이 열린 상태임

한분자의 산소가 두 유리헴 분자와 동시에 반응하면

비가역적으로 Fe2+를 Fe3+로 전환됨.

배위된 질소 원자(전자를 주는 특성)는 헴이 Fe3+ 상태로 전환되는 것을 방지

산소가 결합하면 헴 철의 전자 성질이 변함

그래서

산소가 소모된 정맥혈에서는 어두운 자주색으로,

산소가 풍부한 동맥혈에서는 밝은 빨간색

일산화탄소(CO)와 일산화질소(NO) 같은 몇몇 작은 분자들은

산소보다 훨씬 더 큰 친화력으로 헴 철과 결합

그 결과, 산소 결합 차단

헤모글로빈+CO2결합이 10%미만에서는 아무런 증상없음.

                                       15%를 넘으면 가벼운 두통

                                       20~30%가 되면 심한 두통, 메스꺼움, 어지러움, 혼미 등의 증상

                                       50% 수준에서는 의식을 잃고 혼수상태

                                       60%이상, 뇌사상태, 사망..

글로빈은 산소결합 단백질 족(family)

글로빈은 유사한 1차 구조와 3차 구조를 갖고 있는 광범위한 단백질 족

글로빈은 고세균 및 세균뿐만 아니라 모든 종류의 진핵세포에서 발견

대부분의 글로빈은 산소를 운반, 저장하는 기능

단일체(monomer)인 마이오글로빈은 근육조직에서 산소 확산을 용이하게 함

마이오글로빈은 고래와 같이 잠수하는 해양 포유류의 근육에 풍부하게 존재, 오랜 기간 산소를 저장하는 기능

사합체(tetramer)인 헤모글로빈은 혈류에서 산소운반을 담당

단일체인 뉴로글로빈(neuroglobin)은 대개 신경세포에서 발현되며, 뇌를 저산소에서 보호함

또 다른 단일체 글로빈인 사이토글로빈(cytoglobin)은 혈관벽에 높은 농도로 존재하면서 일산화질소-근육수축의 별도신호-의 양을 조절함

마이오글로빈은 산소에 대한 하나의 결합자리를 가지고 있다

단백질-리간드 상호작용은 정량적으로 표현할 수있다

단백질의 구조는 리간드가 결합하는 방식에 영향을 준다

헤모글로빈은 혈액에서 산소를 운반한다

헤모글로빈 소단위는 구조적으로 마이오글로빈과 유사하다

헤모글로빈은 산소와 결합할 때 구조가 변화한다

헤모글로빈은 산소와 협동적으로 결합한다

5.2. 단백질과 리간드 사이의 상보적 상호작용 '면역계와 면역글로불린'

약 5억년전 척추동물의 출현은

특정 유형의 화학구조를 인식하고 결합할 수 있는 단백질 변이체를 각각 발현하는

수 많은 별개의 세포클론이 생성된 것을 기반으로 한 적응 면역체계의 진화와 동반됨.

면역반응은 특별한 계통의 세포와 단백질로 이루어짐

면역은

골수의 미분화된 줄기세포로부터 형성된 '대식세포, 림프구 Lymphocyte'를 포함한

다양한 백혈구에 의해 유지됨.

백혈구는 혈류를 떠나 조직을 순찰하는데, 

각각의 세포는 감염을 알리는 분자를 인식하고

그것에 결합할 수 있는 하나 이상의 단백질을 생산함.

체액성 면역

세포성 면역

체액성 면역반응의 중심 단백질은

항체 혹은 면역글로불린immunoglobulin이라 불리며

Ig로 표시되는 수용성 단백질

면역글로불린은

세균, 바이러스, 외부물질로 인식된 큰 분자등에 결합하여 파괴

혈액 단백질의 20%를 구성하는 면역글로불린은 B세포에서 만들어지는데,

골수(bone marrow)에서 발달이 완료되기 때문에 그렇게 부름. 

세포성 면역 반응의 중심단백질은 

세포독성 T세포(killer T 세포)인데, 이들은 발달의 마지막 단계가 흉선이기 때문에 그렇게 부름. 

감염된 세포나 기생충의 인식은 Tc 세포표면에 존재하는 T세포 수용체라 불리는 단백질에 의함. 

수용체는 세포 표면에 있으며, 형질막을 관통하면서 세포외 리간드를 인식하고 결합하여 세포내 변화를 유발

세포 독성 T세포에 추가하여

인터루킨을 포함한 사이토카인 분자를 생성하는 보조 T세포가 있음.

보조 T세포는 대식세포와 상호작용

보조 T세포는 감염된 세포와 병원체의 파괴에만 간접적으로 관여하여, 

특이 항원과 결합할 수 있는 Tc세포와 B세포의 선택적 증식을 촉진

클론 선택(clonal selection)이라는 이런 과정은

특이병원체에 반응하는 면역계 세포수를 증가시킴.

숙주 유기체는 새로운 항원에 대한 면역반응을 일으키기 위해 

종종 며칠의 시간이 필요하지만

면역 기억세포(memory cells)는 이전에 노출되었던 병원체에 대해 신속하게 반응함. 

B세포가 생산하는 항체든 T-세포의 표면에 있는 수용체든

면역계의 각 인식 단백질은 모든 다른 것과 구별하여 어떤 특별한 화학구조에 특이적으로 결합함

인간은 독특한 결합 특이성을 갖는 천만개 이상의 다른종류의 항체를 만들 수 있음

엄청난 다양성은 바이러스나 침입세포의 표면에 있는 어떤한 화학구조도 1개 이상의 항체에 의해

인지되고 결합되는 것을 가능하게 함

항체

면역반응을 나타내는 분자나 병원체

항원은 바이러스, 세포균의 세포벽, 개개의 단백질 및 다른 거대분자 등이 될 수 있음.

복잡한 항원은 많은 다른 항체에 결합

각각의 항체나 T-세포 수용체는 오로지 항원결정부위(epitope)라 불리는 항원의 특정분자구조와 결합

분자량 500이하의 작은 분자는 일반적으로 항원이아님

그러나 실험실에서는 작은 분자를 큰 단백질에 공유결합으로 결합시킬 수 있으며

이런 형태로서 면역반응을 유발할 수 있음. 이 작은 분자를 합텐(hapten)이라 함.

항체는 2개의 동일한 항원 결합자리를 가진다

면역글로불린 G는 항체 분자의 주요 부류로서 혈청에서 가장 많은 단백질

IgG는 4개의 폴리펩타이드를 가짐

불변 영역(constant domains)은 모든 베타 부류 단백질에서 잘 보존된 구조 모티프인 

면역글로불린 접힘(immunoglobulin fold)라 불리는 특징적인 구조를 가짐

불변영역은 각 무거운 사슬에 3개 그리고 각 가벼운 사슬에 1개가 있음.

또한 무거운 사슬 및 가벼운 사슬은 각각 아미노산 서열에 변이가 잘 일어나는 하나의 가변영역을 가짐.

가변영역은 항원 결합자리를 만들어 항원-항체 복합체를 형성함

IgG는 기억 B세포에 의하여 시작되는 후기면역 반응의 주요 항체가 됨.

IgG는 침범한 세균이나 바이러스와 결합하여 침입자를 포획하거나 파괴하는 대식세포와 같은 백혈구들을 활성화시키고

또한 다른 면역반응들을 활성화 시킴. 

IgE는 알레르기 반응에서 중요한 역할

그 반응에서 혈액에 존재하는 basophil 그리고 mast cell과 상호작용함

IgE는 항원에 대한 일종의 수용체 역할

항원이 결합하면 혈관 투과력을 증가시키고 확장시키는 히스타민과 그밖의 활성아민들을 생산하도록 유도

알레르기 증상

항체는 단단하게 또한 특이적으로 항원과 결합

항체의 결합 특이성은 무거운 사슬과 가벼운 사슬의 가변영역의 아미노산 잔기에 의해 결정됨.

항원-항체 상호작용은여러가지 중요한 분석과정의 기초가 됨

항체의 특별한 결합 친화도와 특이성 때문에 항체를 유용한 분석시약으로 사용함.

항체특이성은 실용적으로 이용

5.3. 화학에너지에 의해 조절되는 단백질의 상호작용 '액틴, 마이오신, 분자모터'

생명체는 움직임

세포들도 움직임

세포 소기관과 거대분자도 움직임

이런 운동은 단백질에 기초한 매혹적인 분자모터(Molecular motor)의 작용에 의해 일어남

큰 응집체를 이룬 모터 단백질(motor protein)은 보통 ATP로부터 나오는 화학에너지를 받아서

일정하고 한 방향성을 갖는 힘으로 축적되어 주기적인 입체형태의 변화를 일으킴

모터 단백질은 근수축, 미세소관을 따라 소기관들의 이동, 진핵세포 운동, 그리고 

DNA를 따른 단백질의 이동등에 관여함. 

근육의 주 단백질은 마이오신과 액틴이다

액틴과 마이오신은 근육 단백질 양의 80% 차지

마이오신(분자량 520,000)은 6개의 소단위로 이루어짐

근육세포에서 마이오신 분자들은 집합하여 굵은 잔섬유(thick filament)라 불리는 구조를 형성

이러한 막대 구조는 수축단위의 핵심역할

액틴은 거의 모든 진핵세포에서 풍부

가는 섬유(thin filament)는 단백질 트로포닌과 트로포마이오신과 함께 F-액틴으로 구성

마이오신은 액틴 결합 단백질일 뿐만 아니라 하나의 효소,

즉 ATP 분해효소이기도 함.