3장. 세포구조, 단백질 그리고 물질대사 - 효소와 기질

[문형철]

생명의 신비에 경이로움

이 모든 탐구를 선행한 인류의 스승들께 감사와 존경을 

panic bird..

세포는 모든 생명체의 구조 및 기능적 단위이다. 세포란 단어는 "작은 방"을 뜻한다. 인간 신체는 수조개의 현미경적 세포구획으로구성되어 있다. 

세포를 구성하는 기본 구조를 배우고 난 후에 세포내에서 단백질이 어떻게 만들어지고, 분비되고 또한 분해되는지 그리고 세포가 살아가는데 필요한 화학반응에 단백질이 어떻게 참여하는지 탐구.. 단백질은 살아있는 세포가 수행하는 모든 기능에 실질적으로 참여.. 이 장에는 모든 단백질에 적용하는 단백질 결합부위의 특성을 논의하고 이 특성이 예를들면 특이 화학반응을 촉진하는 효소의 능력과 같은 단백질의 한 기능에 어떻게 관여하는지를 포함한다. 그런 후에 이 정보를 물질대사를 포함한 다수의 화학반응을 기술하는데 적용한다.

세포구조

1. 세포의 현미경적 관찰

1만 마이크로미터 = 1cm

책의 마침표 1000um

전형적인 사람의 세포 10um 이상

미토콘드리아 1.0 um 이하

리소좀 0.5um

리보솜 0.05um

원형질막 0.01um

단백질 분자 0.001 um

수소원자 0.0001um

세포들은 구조에 따라 진핵세포(eukaryotic cell)과 원핵세포(prokaryotic cell)의 두종류로 구별

우리 몸의 세포는 다세포 생물인 동물과 식물처럼 핵을 지닌 진핵세포이다. 이들 세포는 핵을 둘러싸고 있는 핵막과 다양한 막이 결합된 구조를 가지고 있다. 박테리아와 같은 원핵세포는 이러한 막구조를 갖고 있지 않다. 이 장에서는 진핵세포만 다룸

원형질막(plasma membrane)

세포소기관(cell organelle)

핵(nucleus)

세포질(cytoplasm) - 세포질은 두 구성성분으로 되어 있는데, 세포소기관과 세포질 용액인 세포기질(cytosol)이라 불리는 세포소기관을 둘러싸고 있는 용액. 세포내액이란 말은 세포내에 있는 모든 용액을 말하는 것으로 다시 말하면 세포기질에 핵을 포함한 세포소기관내의 용액을 합한 것이다. 

2. 막(membrane)

막은 세포에서 주된 구조적 요소를 형성한다. 막은 생리학에서 중요한 다양한 기능을 수행하지만 가장 보편적인 것은 분자들의 출입에 선택적 관문으로 작용하여, 어떤 분자는 통과하도록 하고 다른 것은 통과하지 못하게 한다. 원형질막(plasma membrane) 은 세포내외로 물질출입을 조절하며, 반면에 세포소기관을 둘러싼 막은 세포소기관과 세포기질 사이의 물질의 선택적 이동에 관여함. 막을 통한 분자 이동을 제한하는 것의 이점 중 하나는 특정 세포소기관에 화학반응의 산물을 가두어둘 수 있는 것임. 

막에 의해 이루어지는 물질 이동장애는 여러가지 신호에 반응하여 막을 통과하는 분자나 이온의 출입을 증가 또는 감소하도록 변경할 수 있음. 선택적 관문으로 작용하는 것 이외에도 원혈질막은 다른 세포로부터 온 화학신호를 탐지하고 세포를 인접한 다른 세포나 결합조직 단백질의 세포외 기질에 고정시키는데 중요한 역할을 함. 

세포막의 기능

# 세포내외 그리고 세포소기관과 세포기질 사이로 물질의 이동을 조절

# 세포 표면에 도달하는 화학정보의 검출

# 막 연접에 의한 인접세포들 간의 연결

# 세포외 기질에 세포를 고착

1) 막구조

모든 세포막은 포매된 단백질을 함유한 지질분자 이중층으로 구성되어 있다. 주된 막 지질은 인지질(phospholipid)이다. 인지질은 양친매성 분자로 한끝은 전하를 띠거나 극성인 부위를 지니며, 분자의 나머지 2개의 긴 지방산 사슬을 지니고 있어 비극성을 보인다. 세포막에서 인지질은 안쪽으로 비극성 지방산 사슬을 배치시킨 두분자의 이중층을 이룬다. 인지질의 극성부위는 막표면 바깥쪽을 향하고 있어 세포외액과 세포기질에 있는 극성인 물분자를 끌어당기도록 한다. 

몇가지 예외는 있으나 인지질 상호간 또는 인지질과 막단백질 사이에는 화학결합이 없다. 그러므로 각 분자는 다른 분자들과 무관하게 서로 이동할 수 있다. 그 결과 막 이중층의 표면과 나란히 막 지질과 단백질이 무작위적으로 측면이동할 수 있다. 게다가 긴 지방사슬은 굽어지거나 앞뒤로 흔들릴 수 있다. 그러므로 지질 이중층은 마치 물위에 기름이 얇은 층으로 퍼져나가는 것과 같이 유동성을 갖게 되며 막은 매우 유연하게 된다. 세포는 용액으로 깨드리지 않고도 상당히 모양을 변할 수 있게 한다. 천 조각과 같이 막은 구부리고 접을 수 있지만 찢어지지 않고 계속 잡아 늘릴 수는 없다.

원형질막은 콜레스테롤을 지니는데 반하여 세포내부의 막은 콜레스테롤을 거의 갖지 않는다. 2장에서 기술한 것처럼 콜레스테롤은 비극성의 고리구조에 하나의 극성 수산기를 지니고 있어서 약한 양친매성을 보임. 그러므로 인지질과 마찬가지로 콜레스테롤도 극성부위는 막 이중층의 표면에 그리고 비극성 고리부위는 지방산 사슬과 같이 내부에 있게 된다. 콜레스테롤은 원형질막의 특정 인지질 및 단백질과 함게 막으로부터 떨어져 나오는 소낭이라는 구조물을 형성한다. 이 소낭은 그 안의 내용물을 다양한 세포내 소기관에 전달하는데 4장에서 기술

막에는 두가지 단백질, 내재성 단백질과 주변성 단백질이 있다. 내재성 단백질(integral membrane protein)은 막지질과 밀접하게 결합하고 있어 지질 이중층을 파괴하여야만 막으로부터 분리할 수 있다. 인지질과 마찬가지로 내재성 막 단백질도 양친매성으로 분자의 한편에는 극성 아미노산 곁사슬을 갖고 있고, 다른 편에는 비극성 곁사슬이 무리지어 있다. 내재성 막단백질은 양친매성이므로 양친매성인 지질과 같은 방향으로 막에 배열되어 있다. 즉 극성부위는 극성 물분자와 결합하도록 표면에 있고, 비극성 부위는 비극성 지방산 사슬과 결합하도록 내부에 있다. 막 지질과 마찬가지로 많은 내재성 막단백질은 막의 평면을 따라 측면으로 이동할 수 있지만 어떤 것은 세포기질 쪽 막표면에 위치해 있는 주변부 막단백질의 망상구조에 연결되어 있기 때문에 움직일 수 없다. 

대부분의 내재성 단백질은 막 전체를 관통하고 있어 막관통 단백질(transmembrane protein)이라고 한다. 이런 막관통 단백질의 대부분은 지질 지중층을 여러번 교차한다. 이 단백질도 막 내부의 비극성 부위와 결합하고 있는 비극성 부위와 더불어 극성부위를 지니고 있다. 막관통 단백질의 극성부위는 지질 이중층의 표면밖으로 돌출되어 있다. 어떤 막관통 단백질은 이온이나 물을 통과할 수 있는 채널을 이루는 한편 다른 것은 막을 통한 화학신호의 전달과 관련되어 있거나 세포내외의 단백질 필라멘트를 원형질 막에 고착하게 한다.

주변부 막단백질(peripheral membrane protein)은 앙친매성이 아니다. 내부의 비극성 지질과 결합하지 않는다. 이들은 막표면에 위치하며 내재성 막단백질의 극성 부위와 결합하고 있다. 대부분의 주변부 단백질은 원형질막의 세포질 표면에 있고 세포의 구조와 이동에 영향을 주는 세포 골격요소와 결합하고 있다. 

원형질막의 세포바깥 표면에 있는 일부 지질이나 단백질은 소량의 탄수화물과 공유결합을 하고 있다. 단당류가 가지 친 짧은 사슬로 되어 있는 이 탄수화물은 세포의 표면에서 세포외액쪽으로 뻗어나와 보풀모양의 당피층인 당질피질(glycocalyx)을 이룬다. 이 표면 탄수화물은 다른 세포를 인식하고 또 다른 세포와 서로 접촉하는데 중요한 역할을 한다. 

이중층의 바깥쪽과 안쪽의 절반에 있는 지질은 종류나 양에 있어 차이가 있다. 또한 바깥쪽 표면에 있는 단백질 또는 단백질의 비율도 안쪽과는 다르다. 수많은 막의 기능은 막의 두 표면간의 화학적 조성의 비대칭과 관련이 있다. 

모든 막은 지질바다에 막단백질이 떠있는 유동-모자이크 모형(fluid-mosaic model)의 일반적인 구조를 가진다. 그러나 원형질막의 단백질과 정도는 낮지만 지질은 세포소기관의 막의 단백질이나 지질과는 서로 다르다. 주로 막단백질에 의해 좌우되는 막의 특수한 기능은 다양한 막결합 소기관과 다양한 형태의 세포의 원형질막에서 서로 차이를 보일 수 있다. 유동 모자이크 모형은 세포막을 눈에 보이는 것처럼 만들어주는 유용한 방법임. 그러나 세포막의 어떤 분리된 구역은 이 모형을 따르지 않음. 예를들어 특정 막단백질이 세포질 단백질과 결합되어 있거나 지질뗏목(lipid raft)이라 불리는 구조를 만들기 위해 막지질과 공유결합을 하고 있음. 

지질뗏목은 복잡한 세포내 신호전달을 발생시키는 일종의 조직적 중심으로 작동할 것으로 믿어지는 다소 유동성이 떨어지는 콜레스테롤이 풍부한 곳임. 이런 신호는 세포가 호르몬이나 주변 신호분자들을 결합하였을때 생기는 것으로, 세포로 하여금 분비, 세포분열, 그리고 그밖의 여러 세포활동에 변화를 가져옴. 

막 연접

원형질막은 세포내외의 용액사이에서 분자이동을 억제하는 것 외에도 조직을 형성하기 위해 세포간의 상호작용에도 관여한다. 대부분의 세포는 조직(tisseu)을 형성하여 몸안에서 자유로이 돌아다니지 못한다. 그리고 조직에서도 인접된 세포의 원형질막 사이에는 일반적으로 공간이 있다. 이 공간은 세포외액(간질액)이 채워져 있어 물질이 세포사이나 혈액내외로 출입하는 통로를 제공한다. 세포를 조직이나 기관으로 체계화하는 힘에 대해서는 알려져 있지 안지만 적어도 부분적으로 원형질막에 있는 막관통 단백질로서 세포외 기질의 특정 단백질과 결합하여 이들을 인접세포에 있는 막단백질에 결합하는 인테그린(integrin)의 기능에 의한다고 알려져 있다. 

많은 세포들은 막을 따라 별도의 위치에서 데스모솜, 밀착연접, 간극연접에 의해 물리적으로 결합되어 있다. 

데스모솜.. 카데린(cadherin)

밀착연접(tight junction)

간극연접(gap junction)

3. 세포 소기관

1) 핵(nucleus)

대부분의 세포는 막으로 둘러싸인 세포소기관 중 가장 큰 하나의 핵을 갖고 있다. 골격근 세포와 같이 특수화된 세포는 많은 핵을 지니고 있는 반면에 성숙된 적혈구 세포는 핵을 갖고 있지 않다. 핵의 1차 기능은 다음 세대의 세포로 유전정보를 전달하고 저장하는 것이다.  DNA분자 내에 암호화되어 있는 정보는 이 장의 뒷부분에서 설명하는 바와 같이 세포의 구조와 기능을 결정하는 단백질을 합성하는데 사용된다. 

핵막(Nuclear envelope)

핵공(nuclear pore)

염색질(chromatin) 핵안에서 단백질과 결합된 DNA는 가느다란 망상구조의 염색질을 형성

염색체(chromosome) 세포분열시 염색질은 점차 강하게 응축되어 막대모양의 염색체가 됨. 

인(nulleoulus) 핵안의 가장 뚜렷한 구조는 인으로서 막을 갖고 있지 않지만 짙게 염색되는 섬유모양의 부위. 이는 세포질의 소기관인 리보솜에서 볼 수 있는 특정 RNA를 만드는 유전자를 지닌 DNA 부위와 연관. 인에서 이들 RNA와 리보솜 소단위체의 단백질이 서로 조립된 다음 핵공을 통해 세포질로 이동하며, 세포질에서 리보솜으로 기능을 함.

2) 리보솜(Ribosome)

리보솜은 세포의 단백질 생산공장이다. 핵의 DNA로부터 만들어진 mRNA 분자가 가진 유전정보에 따라 리보솜에서 아미노산으로부터 단백질이 합성된다. 리보솜 직경은 약 20nm정도의 큰 입자로 약 70-80개의 단백질과 여러개의 RNA분자로 이루어져 있음. 전형적인 세포는 대략 1천만개의 리보솜을 갖고 있다. 

유리된 리보솜에서 합성한 단백질은 세포기질로 방출되어 그곳에서 각자의 기능을 나타낸다. 조면 소포체에 붙어 있는 리보솜에서 합성된 단백질은 소포체 내강으로 이동되어 다른 세포소기관인 골지체에 전달된다. 이들은 세포로부터 분비되거나 다른 세포소기관으로 전해져 분포된다.

3) 소포체(Endoplasmic reticulum)

세포질의 소기관 중에서 가장 광범위하게 분포하며 네트워크를 이룬 것이 소포체이다. 이 막 구조물은 네트워크를 통하여 연결된 하나의 공간을 싸고 있다. 조면소포체는 세포기질 쪽 표면에 리보솜이 붙어 있고, 편평한 주머니 모양이다. 조면소포체(rough endoplasmic reticulum)는 단백질 포장과도 관련이 있으며 골지체에서 가공과정을 마치면 단백질은 세포에 의해 분비되거나 또는 다른 세포소기관으로 보내진다. 

활면소포체(smooth endoplasmic reticulum)는 그 표면에 리보솜 입자들이 없고 가지친 관모양의 구조로 되어 있다. 이는 일부 종류의 지방분자가 합성되는 장소이기도 하고, 특정한 소수성 분자들의 독성을 제거하는 역할을 하며, 세포내에서 조절작용에 관여하는 칼슘이온을 저장하고 분비하는 장소이다.

4) 골지체(golgi apparatus)

골지체는 촘촘히 맞대고 있는 일련의 납작한 막성 주머니로 약간 굽은 컵모양의 구조임. 이 소기관과 관련하여 오목한 표면근처에는 특히 구형이면서 막으로 둘러싸인 소낭들이 많이 있음. 

조면소포체로부터 골지체에 도달한 단백질은 골지체의 한 구획에서 다음 구획으로 이동해 가는 사이에 일련의 수식을 거친다. 예를들면 단백질과 탄수화물이 결합하여 당단백질을 만들거나 또는 단백질의 폴리펩티드 사슬의 끝부분을 잘라내 길이가 짧아지기도 한다. 골지체는 수식된 단백질을 별도의 이동 소낭으로 분별하여 여러 다른 세포소기관으로 보내거나 원형질막으로 보내 소낭의 단백질 내용물을 세포밖으로 내보낸다. 세포로부터 밖으로 분비될 단백질을 지니고 있는 소낭을 분비소낭(secretory vesicle)이라고 한다. 예를들면 이와 같은 소낭은 특정한 내분비선 세포에서 볼 수 있는데, 이곳에서 단백질 호르몬을 간질액으로 방출하여 다른 세포들의 활성을 조절한다.

5) 엔도솜(endosome)

원형질막과 골지체 사이에 막으로 싸인 수많은 소낭이나 관 모양이 구조를 엔도솜이라고 함. 원형질막에서 떨어져 나온 어떤 소낭은 이동해가서 엔도솜과 융합한다. 반대로 엔도솜에서 소낭이 떨어져 나온 다음, 다른 세포소기관으로 이동하거나 원형질 막으로 돌아간다. 골지체와 같이 엔도솜도 분류, 수식 및 세포내에서의 소낭 수송에 관여한다. 

6) 미토콘드리아(mitochondria)

미토콘드리아는 주로 세포에 필요한 에너지를 ATP분자의 형태로 만드는 화학공정에 참여한다. 세포가 만드는  ATP의 대부분은 미토콘드리아에서 세포호흡이란 과정에 의해 만들어지는데, 산소를 이용하고 이산화탄소와 물과 열을 배출한다. 미토콘드리아는 외막과 내막에 의해 둘러싸인 구형 또는 긴막대 모양의 구조이다. 외막은 매끄럽지만 내막은 관 또는 얇은 판처럼 접혀진 크리스타를 이루어 미토콘드리아의 내부 구획인 기질쪽으로 뻗어 있음. 미토콘드리아는 세포질 전반에 걸쳐 나타남. 

에너지를 많이 사용하는 세포내에는 약 1천여개 정도의 많은 수의 미토콘드리아가 있지만 보다 활동이 적은 세포에는 그 수가 적음. 미토콘드리아의 구조 및 기능에 대한 최근 연구는 각 미토콘드리아가 세포안에서 물리적, 기능적으로 서로 떨어져 있다고 생각했던 지금까지 이론을 수정하도록 요구하고 있음. 현재까지 연구된 모든 세포안에는 미토콘드리아는 적어도 부분적으로 서로 연결되어 있음을 부여줌. 이렇게 미토콘드리아가 서로 연결되어 있는 구조는 세포안의 미토콘드리아 전체를 통해 산소와 에너지 제공자들(특히 지방산)의 분포에 매우 중요한 것일 수 있음. 더구나 이런 연결구조의 크기는 서로 다른 생리적 환경하에 따라 변화함. 즉 더 많은 미토콘드리아가 서로 융합할 수도, 분리될수도, 또는 심하게 자신을 파괴시켜 세포의 에너지 요구 변화에 맞추고 있는 것임. 

근수축과 같은 생리적 일을 하는데 필요한 에너지의 대부분을 공급하는 것 이외에도 미토콘드리아는 또한 호르몬인 에스트로겐이나 테스토스테론과 같은 지질 종류를 합성하는 역할을 한다.

7) 리소좀(lysosome)

리소좀은 구형 또는 타원형의 소기관. 전형적인 세포에는 수백개 정도의 리소좀이 있다. 리소좀내의 용액은 산성이며 다양한 소화효소를 지니고 있다. 세포가 삼킨 죽은 세포의 파편이나 박테리아의 분해는 "세포내 위'로 작용한다. 이들은 손상되었거나 더이상 정상기능을 하지 못하는 세포소기관을 역시 분해한다. 체내 방어체계를 구성하는 다양한 세포에서 특히 중요한 역할을 한다.

8) 페르옥시솜(peroxisome)

리소좀과 같이 페르옥시솜도 하나의 막에 의해 둘러싸인 약간 조밀한 타원체이다. 미토콘드리아와 같이 페르옥시솜도 비록 적은 양이지만 산소를 소모하나, 이 산소는 ATP로 에너지를 전환하는데 사용되는 것은 아니다. 이와는 달리 지질, 알코올, 그리고 섭취가능한 독성물질과 같은 다양한 유기분자로부터 수소를 제거하는 반응을 수행한다. 반응산물의 하나가 과산화수소(H2O2)로 소기관의 이름이 이로부터 나왔다. 

9) 볼트(valult)

볼트는 최근에 발견된 세포질 구조물로서 볼트 RNA와 단백질로 이루어져 있다. 이 아주 작은 구조물은 배모양을 닮았다고 하기도 하고, 둥근 교회천장 모양을 하고 있다고 하여 이름도 이를 반영하고 있음. 볼트는 아직 그 기능이 명확하지는 않지만, 볼트는 세포질과 핵 사이의 물질 수송에 기능함. 더구나 적어도 한가지 볼트 단백질은 세포로 하여금 특정 약물에 민감하게 반응하게 함. 예를들어 볼트가 많이 발현되면 항암치료에 사용되는 몇몇 약물에 내성을 갖게 한다는 연구 결과와 연관성이 있음. 이것이 사실이라면 볼트는 아마도 암을 치료하는데 사용되는 항암제의 효율을 조절하는 데 표적물이 될 수 있음. 

10) 세포골격(Cytoskeleton)

미세섬유 actin filament

중간섬유 intermediate filament

미세소관 microtubule

B절. 단백질

1. 유전암호

생리학에서 단백질의 중요성은 매우 크다. 단백질은 세포신호로부터 기관의 작용을 위한 조직의 재편성에 이르는 모든 생리과정에 관여한다. 이절에서는 세포가 어떻게 단백질은 합성하고 분해하며, 또한 어떤 경우에 분비하는지를 다룰 것이다. 

세포의 핵은 DNA를 갖고 있고 체내의 모든 단백질 합성을 지시한다. 그러므로 DNA분자는 단백질 합성을 위해 뉴클레오티드 서열로 암호화된 정보를 가지고 있다. 폴리펩티드 사슬의 아미노산 서열을 지정하는 정보를 지닌 DNA 뉴클로에오티드의 서열을 유전자라 한다. 그러므로 유전자는 유전정보의 한단위이다. DNA 한 분자는 많은 유전자를 지니고 있다. 

생물체의 한 전형적인 세포의 DNA에 암호화되어 있는 유전정보의 총체를 유전체(genome)라고 한다. 인간 유전체는 약 25,000개 정도의 유전자를 갖고 있다. 과학자들은 약 30억 뉴클레오티드인 인간 유전체 전체의 염기서열 분석을 완성하였다. 그러나 인간 유전체의 대부분의 유전자들의 기능과 조절은 아직 잘 알려져 있지 않기 때문에 아직은 단지 시작에 불과하다. 

유전자, DNA, 염색체 사이의 상호관계는 잘못 이해하기 쉽다. 난자와 정자 이외의 사람의 모든 세포에는 46개의 각각의 DNA분자가 세포핵 안에 있고, 각 분자는 수많은 유전자를 지니고 있다. 각 DNA 분자는 DNA와 단백질로 포장된 하나의 염색체를 이루므로 각 세포에는 46개의 염색체가 있다. 염색체(chromosome)는 DNA분자와 히스톤 단백질 또는 간단히 히스톤이라는 특수 단백질로 되어 있다. 세포의 핵은 자신의 반경보다 수천배나 긴 DNA분자를 핵안에 지니도록 아주 교묘하게 포장하고 있는데, DNA는 히스톤 덩어리 주위를 적당한 간격으로 둘러싸 뉴클레오솜(nuclesome)이라 부르는 복합체를 만들어 핵안에 들어있게 한다. 실에 구슬을 꿰듯 이와같은 복합체가 염색체에 약 2,500만개가 있다. 

2만 5천여개의 뉴클레오좀이 모여 1개의 염색체(chromosome)이 됨. 

DNA는 단백질의 아미노산 서열을 결정하는 정보를 지니고 있지만, 자신이 직접 단백질 분자의 조립에 참여하는 것은 아니다. 세포내 DNA는 대부분 핵안에 있는 반면에 단백질 합성은 세포질내에서 이루어진다. DNA로부터 단백질 합성이 이루어지는 장소로 정보의 전달은 RNA 분자에 의해 이루어지는데, RNA는 DNA에 암호화되어 있는 정보에 따라 합성된다. 유전정보는 DNA에서 RNA로, 그리고 단백질로 전해진다. 핵안에서 DNA로부터 RNA로 유전정보가 전달되는 과정을 전사(Transcription)이라하고, RNA에 암호화된 정보를 세포질에서 단백질의 조립에 사용하는 과정을 번역(Translation)이라고 한다. 

DNA분자는 두사슬의 뉴클레오티드가 서로 마주보고 꼬여져 이중 나선을 이루고 있다. 개개의 DNA 뉴클레오티드는 아데닌과 구아닌, 시토신, 티민의 네가지 염기중 하나로 구성되어 있고, 이들 각각은 이중 나선의 상대편 사슬의 염기와 수소결합에 의해 특이적으로 짝지어져 있다. 이 짝은 A와 T, G와 C의 결합이다. 그러므로 양쪽 뉴클레오티드 사슬은 상대편 사슬과 서로 상보적으로 질서 정연한 염기서열을 이룬다. 이 염기쌍의 특이성은 DNA로부터 RNA로 정보가 전달되는 과정이나 세포분열 동안 DNA 복제의 근간이 된다.

유전부호(codon)

유전언어는 알파벳을 구성하는 A, B, C, D와 같은 기호로 구성된 문자 언어와 원리적으로 유사하다. 문자는 특정서열로 배치되어 단어를 구성하고, 단어가 일렬로 배열하여 문장을 이룬다. 유전언어는 염기 A, G, C, T에 해당하는 오직 4문자로 구성되어 있다. 유전언어는 3개의 염기서열로 특정 아미노산을 지정한다. 즉 유전언어의 각 단어는 3문자로만 되어 있는데, 이를 3문자 암호(triple cord)라고 한다. DNA 한 사슬의 한 유전자를 구성하는 3문자 암호단어의 서열이 하나의 폴리펩티드의 아미노산 서열을 지정한다. 

그러므로 유전자는 문장에 해당하고 사람 유전체의 유전정보는 약 25,000 문장을 지닌 책과 같다. DNA 뉴클레오티드 서열을 프린트한다면 이 책에 인쇄된 페이지를 기준으로 550,000페이지에 해당한다. 

DNA 알파벳의 네 염기는 64개 트리플렛을 이루는 64개(4*4*4=64)의 서로 다른 3개의 문자조합으로 배열될 수 있다. 그러므로 이 암호는 단백질에서 발견되는 20개 서로다른 아미노산을 암호화하는 단어보다 훨씬 더 많다. 이는 주어진 아미노산이 1개 이상의 트리플렛에 의해 지정된다는 것을 의미한다. 예를들면 4개의 DNA 트리플렛, C-C-A, C-C-G, C-C-T, C-C-C가 모두 글리신 아미노산을 지정한다. 64개의 가능한 트리플렛중에서 61개만이 아미노산을 지정하는데 사용된다. 아미노산을 암호화하지 않는 트리플렛은 정지신호로 작용한다. 이들은 문장끝의 마침표와 같은 작용을 한다. 즉 유전 메시지가 끝났다는 것을 의미한다. 

유전암호는 모든 생물세포가 사용하는 만유 공통어이다. 예를들면 아미노산 트립토판의 트리플렛은 박테리아, 아메바, 식물, 사람의 DNA에서 모두 같다. 동일한 트리플렛이 모든 생물세포에서 사용되지만 특정 단백질을 암호화하는 트리플렛 서열의 철자는 각 생물체에서 유전자에 따라 다르다. 유전암호의 만유 공통성질은 지구상의 모든 생물체가 공통 조상으로 진화되었다는 개념을 지지한다. 단백질 합성에 사용되는 DNA암호에 관한 특정 메커니즘을 논하기 전에 중요한 자격조건이 요구된다. 유전자에 암호화된 정보는 항상 RNA로 먼저 전사되지만, RNA에는 전령 RNA, 리보솜 RNA, 운반 RNA를 비롯한 몇가지가 있다. 오직 전령 RNA만 직접 단백질의 아미노산의 서열을 암호화하고 다른 RNA종류들은 단백질 합성과정에 참여한다. 

2. 단백질 합성

단백질 합성에서 DNA에 있는 유전정보를 사용하는 첫단계를 전사라고 하며, 이는 한 유전자의 정보에 상응하는 암호정보를 지닌 RNA분자를 합성하는 것이다. 단백질의 아미노산 서열을 지정하고 DNA로부터 이 메시지를 단백질 합성이 이루어지는 세포질까지 전달하는 RNA 분자의 한종류를 전령 RNA(mRNA)라 한다.

전사 : mRNA 합성

리보핵산은 단일사슬 폴리뉴클레오티드로 DNA와 다른 뉴클레오티드로 리보오스 당과 우라실 염기를 지니고 있다는 것을 상기하라. 다른 세가지 염기인 아데닌, 구아닌, 시토신은 DNA와 RNA 모두에 있다.  mRNA를 합성하는데 사용되는 소단위체 풀은 유리(결합되지 않은) 리보뉴클레오티드3인산인 ATP, GTP, CTP, UTP이다. 

DNA의 2개 폴리뉴클레오티드 사슬이 특정 염기쌍 A-T와 G-C 사이의 수소결합에 의해 서로 연결되어 있는 것도 또한 상기하라, RNA를 합성하기 위해서는 DNA 이중 나선의 양쪽가닥이 분리도어 노출된 DNA 염기에 유리 리보뉴클레오티드 3인산이 짝을 이룬다. DNA에는 없고 RNA에만 있는 우라실은 DNA의 아데닌 염기와 짝을 이룬다. 이런 방식으로 한쪽 DNA가닥의 뉴클레오티드 서열이 주형이 되어 mRNA의 뉴클레오티드 서열이 결정된다. 

뉴클레오티드 3인산을 가수분해하여 말단의 2개의 인산기를 떼어내고 남은 인산기를 인접한 뉴클레오티드의 리보오스와 공유결합하게 하는 RNA 중합효소(polymerase)가 정렬된 리보뉴클레오티드를 서로 연결한다. DNA는 인산-당 골격의 반향에 근거하여 서로 역평행한 두가닥 폴리뉴클레오티드로 구성되어 있음. 두가닥이 모두 전사과정동안 노출되기에 이론적으로 DNA 각 사슬에서 하나씩 두종류의 RNA분자가 형성될 수 있음. 그러나 가능한 2개의 RNA중 하나만 만들어짐. 그 이유는 RNA 중합효소가 포로모터라고 하는 유전자의 특정한 위치에서만 DNA에 결합하기 때문임. 프로모터는 DNA 뉴클레오티드의 특정한 서열이며 그 서열의 일부는 대부분 유전자에 공통임. 프로모터는 RNA중합효소가 한 사슬에서 한방향을 따라가면서 작용하도록 하며, 그 방향은 인산-당골격에 의해서 결정됨. 그래서 한 유전자에는 주행가닥(template strand) 또는 안티센스사슬이라고 하는 한가닥이 RNA중합효소가 결합할 프로모터의 위치에 대해 바른 방향을 가지고 있음. 그러므로 프로모터의 위치가 어느 가닥이 주형가닥인지를 결정함. 아래 그림 참조

결국 한 유전자는 한 가닥 DNA에서만 전사됨. 그러므로 유전자의 전사는 유전자의 프로모터 부위에 RNA중합효소가 결합함으로써 시작됨. 이는 두가닥 DNA의 분리로 개시됨. RNA중합효소는 주형가닥을 따라 움직이며, RNA사슬의 성장은 초당 약 30개의 뉴클레오티드를 붙이는 속도로 리보뉴클레오티드를 결합시킴. 유전자의 끝을 지정하는 "정지"신호에 이르면 RNA중합효소는 새로 합성된 RNA전사체를 방출하고 이는 핵으로부터 세포질로 나와 리보솜과 결합하게 됨. 

세포에서 DNA에 있는 유전자의 오직 10-20%만이 RNA로 전사됨. 유전자는 RNA중합효소가 프로모터 부위에 결합할때에만 전사됨. 특정 유전자의 프로모터 부위에 RNA중합효소가 접근하거나 또는 하지 못하게 하는 다양한 메커니즘이 세포에 의해 사용됨. 이런 유전자 전사의 조절은 특정 단백질의 합성을 조절하는 수단을 제공하고, 그러므로 특정세포의 성성을 나타냄. 특정한 세포에서 특정한 시기에 발현된 특정한 단백질들이 집합적으로 그 세포의 단백질체를 구성함. 단백질체는 그 시점에서 세포의 구조와 기능으 결정함.  RNA전사체의 염기서열은 DNA주형 서열과 동일하지 않은데, 이는 RNA생성이 동일한 염기가 아니라 상보적인 것 사이에 염기 짝을 이루기 때문임. 하나의 아미노산을 지정하는 RNA의 3-염기서열을 코돈(CODON)이라 부름. 각 코돈은 DNA의 3염기 서열과 상보적임. 예를들면  DNA주형사슬의 T-A-C염기서열은 전사되는 RNA의 코돈 A-U-G에 해당됨. 

유전자의 주형사슬에 있는 뉴클레오티드의 전체 서열은 1차 RNA전사체(primary RNA transcript)라는 상보적인 뉴클레오티드 서열로 전사되지만, 실제로는 대부분 유전자의 일부만이 아미노산의 서열을 암호화함. 유전자의 이 부분을 액손(exon : 발현부위)라 하고, 이는 인트론(intron : 개재서열)이라 알려진 비암호화 뉴클레오티드 서열에 의해 분리되어 있음. 인간 DNA의 98.5% 이상이단백질을 암호화하는 정보가 아닌 인트론 서열로 이루어져 있음. 이와같이 엄청난 양의 비암호화 DNA 가 작용을 한다면 어떤 역할을 할 것인가에 대해서 아직 잘 모르고 있으며, 일부 전사조절에 역할이 있는 것으로 추정됨. 더구나 마이크로 RNA 라고 하는 아주 작은 RNA분자들이 비암호화된 DNA에서 전사되는데 이들은 단백질로 번역되지 않고 특정 전령 RNA의 번역을 못하게 함. 

세포질내로 보내지기 전에 새로 만들어진 1차 RNA 전사체는 이어맞추기에 의해 DNA인트론에 해당되는 서열이 제거되어야만 함.그림 3-19. 이로서 엑손의 서열이 연속적으로 연결되어 단백질로 번역됨. 이어맞추기가 일어난 다음의 RNA를 mRNA 라고 함. 

이어맞추기는 약간의 단백질과 소형 핵 RNA의 복합체인 이어맞추기 복합체(spliceosome)에 의해 핵안에서 일어남. 이어맞추기 복합체는 1차 RNA 전사체의 각 인트론 부위의 시작과 끝부위에 있는 특정 뉴클레오티드 서열을 인식하여 그 부분을 떼어니고 한 액손의 끝을 다음 엑손의 처음에 이어맞추어 연속적인 암호서열로만 된 mRNA를 만듬. 더욱이 어떤 경우에는 하나의 유전자부터 엑손에서 유래된 조각들을 이어맞추는 과정에서 절편들이 서로 다른 서열로 맞추어질 수 있음. 또는 어떤 엑손 절편은 완전히 삭제되어질 수도 있음. 이를 선택적 이어맞추기라고 하며 총 유전자의 반이상에서 일어나고 있다고 추정됨. 이러한 과정으로 인해서 동일유전자로부터 서로 다른 mRNA서열이 형성될 수 있고, 이는 아미노산 서열이 약간 다른 단백질로 됨. 그래서 인체에는 유전자의 수보다 더 많은 다른 단백질이 있음. 

번역 : 폴리펩티드 합성

이어맞추기 후에  mRNA는 핵공을 통해 세포질로 이동한다. 핵공은 핵과 세포질 사이에 작은 분자나 이온이 확산되는 것은 허용하지만, RNA나 단백질과 같은 커다란 분자에 대해서는 특수한 에너지-의존 선택적 수송메커니즘을 가지고 있다. 세포질에서 mRNA는 리보솜에 결합한다. 리보솜은 mRNA가 단백질로 번역되는 데 필요한 효소나 기타 구성성분을 지닌 세포소기관이다. 이런 조립과정을 설명하기 전에 우선 우리는 리보솜의 구조와 단백질의 합성에 관여하는 또 다른 두 종류 RNA의 특성에 대해 알아봄. 

리보솜과 rRNA

리보솜은 세포질내의 조그만 알갱이로 세포기질 내에 떠 있거나(유리된 리보솜) 혹은 소포체의 표면에 붙어 있다(결합된 리보솜). 일반적인 세포에는 천만개의 리보솜이 있다. 리보솜은 약 70-80개 정도의 서로 다른 단백질과 리보솜 RNA분자로 구성된 복합체이다. rRNA 유전자는 mRNA와 마찬가지 과정으로 DNA로부터 전사되는데, 단지 다른 RNA중합효소가 사용된다는 것이 다르다. 리보솜 RNA전사는 인이라 불리는 핵부위에서 일어남. 리보솜 단백질은 다른 단백질과 마찬가지로 세포질에서 리보솜 단백질 mRNA로부터 합성됨. 이들 단백질은 핵공을 통해 인으로 옮겨져 새로 합성된 rRNA와 결합하여 크고 작은 2개의 리보솜 소단위체를 형성함. 이들 소단위체는 각각 세포질로 이동되어 단백질 번역시에 기능을 지닌 리보솜으로 결합됨. 

운반 RNA(transfer RNA)

번역과정에서 개개의 아미노산이 어떻게 해당되는 mRNA의 코돈을 인식할 수 있는가?  유리 아미노산 자체로는 mRNA의 코돈의 염기를 결합할수 있는 능력이 없음. 이런 인식과정에는 또 다른 제 3의 RNA종류인 운반 RNA가 관여함. tRNA 분자는 주요 RNA종류중에서 가장 작은 것으로 약 80개의 뉴클레오티드로 되어 있음. 단일 사슬 tRNA는 고리를 형성하여 마치 3개의 고리를 지닌 클로버잎과 유사한 형태를 이루고 있음. 

mRNA와 rRNA처럼, tRNA분자도 핵에서 특정 tRNA유전자의 DNA뉴클레오티드와 염기 짝짓기에 의해서 합성된 후 세포질로 이동됨. 단백질 합성에 있어서 tRNA의 주요 역할은  특정 아미노산과 결합하며 리보솜에 결합된 mRNA상의 그 아미노산에 해당되는 특정 코돈에도 모두 결합할 수 있는 능력이 있다는 것임. 따라서 tRNA는 아미노산과 그 아미노산의 mRNA 코돈 사이에서 연결작용을 함. 

tRNA분자는 아미노아실-tRNA  합성효소에 의해 특정 아미노산과 공유결합을 함. 20종의 서로다른 종류 아미노아실-tRNA합성효소가 있고 이들은 각각 특정 tRNA에 특정아미노산이 결합하도록 촉매역할을 함. 다음 단계는 특정 아미노산을 지닌 tRNA를 그아미노산의 mRNA코돈에 부착하도록 함. 예견할 수 있는 바와같이 tRNA와 mRNA 사이의 염기짝짓기에 의해 이루어지는 것임. tRNA의 고리 중의 하나에 있는 3-뉴클레오티디 서열이 mRNA의 상보적인 코돈과 염기쌍을 이룸. 이 tRNA의 3문자 코드서열을 역코돈(anticodon)이라고 함. 

단백질의 조립(protein assembly)

mRNA 정보에 근거한 폴리펩티드 사슬의 조립과정은 개시, 연장 및 종결( initiation, elongation, and termination) 세단계로 이루어짐. 합성은 메티오닌 아미노산을 지닌 tRNA가 소형 리보솜 소단위체에 결합하면서 시작됨. 개시인자(initiation factor)라 하는 소수의 단백질들이 개시복합체를 만들며, 이는 메티오닌을 지닌 tRNA를 조립 시작하도록 하는 시작신호를 나타내는 mRNA의 코돈 맞은편에 위치하도록 함. 이어서 대형 리보솜 소단위체가 결합하면 mRNA는 두 소단위체 사이에 들어가게 됨. 이 개시단계는단백질 조립이 가장 느리므로 단백질 합성율은 개시인자들의 활성에 영향을 주는 요소들에 의해 조절될 수 있음.

개시단계에 뒤이어 단백질 사슬은 계속적인 아미노산 추가로 길어짐. 아래 그림

리보솜은 2개의 tRNA 결합부위를 지니고 있음. 결합부위 1은 현 시점에서 조립된 단백질 사슬 부위와 결합된 tRNA를 잡고 있으며, 결합부위 2는 사슬에 추가될 다음 아미노산을 지닌 tRNA를 잡고 있음. 리보솜 효소는 단백질 사슬을 새롭게 도착한 아미노산으로의 연결을 촉매함. 펩티드 결합이 이루어지고 난 다음 결합부위 1의 tRNA 는 리보솜으로부터 떨어져 나가고, 이제 펩티드 사슬에 결합되어 결합부위 2에 있는 tRNA가 결합부위 1로 옮겨 감. 리보솜은 mRNA를 따라 코돈 1개씩 옯겨가면서 다음에 오는 아미노산과 결합한 tRNA 분자가 들어갈 자리를 만들어줌. 이 과정은 계속 반복되면서 아미노산이 성장하는 펩티드 사슬에 추가됨. 리보솜이 단백질의 끝을 나타내는 mRNA 사이의 결합이 깨어지고, 완성된 단백질이 리보솜으로부터 떨어져 나옴. 

MRNA분자는 단백질 합성과정에서 파괴되지 않음. 그러므로 많은 단백질 분자를 합성하는데 사용될 수 있음. 결국 하나의 리보솜이 mRNA 의 특정사슬을 따라 움직여 가는 사이에 제 2의 리보솜이 동일  mRNA의 시작부위에 부착하여 제 2의 동일한 단백질 분자의 합성을 시작할 수 있음. 그러므로 수많은 리보솜이 많게는 70개정도, 한가닥 mRNA를 따라 움직여가면서 각각 서로 다른 단계의 번역과정에 있게 됨. 아래 그림

그러나 mRNA 분자는 세포질에 영원히 남아 있는 것이 아님. 최종적으로는 세포질 표소가 이들을 뉴클레오티드로 분해함. 그러므로 특정단백질에 해당하는 유전자가 mRNA로 전사되지 않게 되면, 세포질 mRNA 분자가 분해되고 난 후에는 단백질이 더이상 만들어지지 않음. 폴리펩티드 사슬이 일단 만들어지고 난 다음에는 아미노산 서열에 번역후 수식이 가해짐. 예를들면 단백질 조립단계의 시작부위를 식별하는데 사용된 메티오닌 아미노산이 대부분의 경우 끝에서 제거됨. 어떤 경우에는 폴리펩티드 사슬 내의 다른 특정 펩티드 결합이 깨어져 각가 다른 기능을 하는 몇개의 작은 펩티드가 만들어지기도 함. 

예를들면 그림에서 보듯이 번역 후 절단의 결과 동일한 mRNA로부터 5개의 서로 다른 단백질이 만들어질 수 있음. 서로 다른 세포에서 존재하는 가수분해 효소의 특이성에 따라서 동일 폴리펩티드가 서로 다른 곳에서 전달되기도 함. 탄수화물과 지질 유도체가 특정 아미노산 곁사슬에 종종 공유결합하기도 함. 이러한 첨가는 단백질이 단백질 분해효소에 의해 재빨리 분해되는 것을 막거나 혹은 그 단백질이 작용할 세포내 위치로 그 단백질이 움반되게 하는 신호로 작용함. 예를들면, 단백질에 지방산이 첨가되면 지방산의 비극성 부위가 막의 지질 이중층내로 들어감으로써 단백질로 하여금 막에 붙어 있도록 함. DNA 로부터 기능적인 단백질이되기까지 단계를 표에 정리함. 

단백질 합성의 조절

정리하면 단백질 합성율은 여러단계 1) 유전자가 mRNA로 전사되는 단계 2) 리보솜 상에서 단백질로 조립되는 단계 3) 세포질에서 mRNA가 분해되는 단계에서 조절될 수 있다. 

돌연변이

DNA상의 유전정보를 나타내는 뉴클레오티드 서열에 생긴 변화를 돌연변이라 한다. 특정한 화합물질, 그리고 X 선, 우주 방사선, 원자선과 같은 전리 방사선은 DNA의 화학결합을 파괴할 수 있다. 이로써 DNA절편이 소실이나 손상된 결합이 재생될때 잘못된 염기가 끼어들어갈 수 있다. 돌연변이율을 증가시키는 환경요인을 돌연변이원(mutagen)이라고 함. 

1) 돌연변이의 종류

가장 간단한 형태의 돌연변이는 하나의 염기가 다른 것으로 대체되는 점 돌연변이임. 예를들면 알라닌 아미노산의 DNA 트리플렛은 C-G-T염기 서열임. 만약 구아닌이 아데닌으로 바뀐다면 C-A-T  염기서열이 되어 발린의 코드가 됨. 그러나 만약 시토신(C)이 티민(T)으로 된다면 C-G-C 서열이 되어 알라니의 또 다른 코드가 되어 돌연변이는 일어났지만 전사된 아미노산 서열은 변하지 않게 됨. 반면에 돌연변이가 일어나 아미노산 암호가 종결 트리플렛으로 된다면 mRNA의 번역이 이 트리플렛에 이르게 되어 끝날 것이고, 그 결과 길이가 짧은 단백질이 만들어져 기능이 없는 것이 되기도 함. 유전자에서 1개의 트리플렛코드가 변경된 돌연변이, 예를들면 알라닌 C-G-T가 발린 C-A-T로 되어 그 결과 아미노산이 다른 단백질이 만들어진 경우를 가정보자. 이 돌연변이 세포가 어떤 영향을 미칠 것인가? 유전자 내의 어느 위치에 돌연변이가 일어났는지에 따라 답이 결정된다. 단백질은 수많은 아미노산으로 이루어졌지만, 단백질의 성질은 분자의 극히 일부분, 즉 효소의 활성부위와 같은 것에 의해 결정된다. 만약 돌연변이 결합부위의 구조를 변화시키지 않았다면 단백질의 성질에 변화가 없거나 아니면 있어도 미미할 것이다. 반면에 돌연변이가 결합부위를 바꾸었다면 단백질에 심각한 변화가 생길 수 있음. 

이 돌연변이가 세포기능에 어떤 영향을 줄 것인가? 만약 세포의 대부분 화학에너지를 제공하는 화학반응에 관계하는 단백질이 돌연변이로 비기능성 단백질이 된다면 세포기능의 손실은 곧 세포에 죽음을 일으키는 것이 된다. 반대로 단백질이 특정 아미노산의 합성에 관한 것이라면, 그리고 세포가 외부 용액으로부터 그 아미노산을 얻을 수 있다면 세포기능은 돌연변이임에도 불구하고 손상받지 않을 것이다. 

일반적으로 돌연변이는 세포에 다음 세가지중 하나의 영향을 미친다. 1) 세포기능에 전혀 변화를 일으키지 않는다. 2) 세포기능은 변화하지만 세포의 성장과 복제에는 영향을 주지 않는다. 3) 세포를 죽음에 이르게 한다.

2) 돌연변이와 진화

돌연변이는 생물의 진화에 기여한다. 대부분의 돌연변이는 세포기능에 변화를 주지 않거나 또는 손상을 주는 것이지만, 극히 일부는 손실보다는 좋은 활성을 갖게 한다거나 완전히 새로운 형태의 단백질 활성을 세포가 갖도록 변화시킨다. 

만약 이런 돌연변이 유전자를 지닌 생물체는 그렇지 않은 생물체보다 기능 수행이 더 효과적일 것이므로 이런 돌연변이 유전자는 다음 자손에게 전달되고 번식될 기회가 더 많아질 것이다. 

반면에 돌연변이에 의한 기능이 원래보다 못하다면 생물체는 돌연변이 유전자를 다음세대로 전달하고 번식될 기회가 효과적이지 않을 것이다. 이것이 자연선택(natural selection)의 원리이다. 비록 하나의 돌연변이라도 이것이 집단 내에 생존할 수 있다면, 이는 세포의 성상에 아주 작은 변화를 일으키겠지만 충분한 시간과 작은 변화라도 그 수가 상당량 축적된다면 생물체의 구조와 기능에 큰 변화를 가져올 수 있다.

3. 단백질 분해

이제까지 우리는 단백질 합성을 언급하였지만 강조할 것은 특정시기에 세포내의 특정 단백질의 농도는 합성률 뿐 아니라 분해율 및 분비율에도 의존한다는 사실이다. 다른 단백질은 서로 다른 속도로 분해된다. 부분적으로는 단백질 구조의 차이에 의하는데, 이는 어떤 단백질은 효소에 대한 친화력이 다른 것에 비해 높다는 사실과 같은 것이다. 변성된 단백질은 정상구조를 지닌 단백질에 비해 보다 쉽게 분해됨. 유비퀴틴(ubiquitin)이란 작은 펩티드가 단백질에 붙음으로써 단백질은 분해의 표적이 될 수 있음. 이 펩티드는 단백질을 단백질분해효소복합체(proteasome)라 하는 단백질 복합체로 가도록 만들며, 단백질분해효소복합체는 그 단백질의 접힘을 풀고 작은 펩티드로 분해됨. 단백질의 분해는 주어진 단백질의 활성이 주어진 정확한 시간영역 내에서만 한정되도록 제한할 수 있는 중요한 메커니즘임. 

요약하면 DNA 의 유전자와 최대활성을 지닌 단백질 사이에는 단백질 합성률 또는 최종단백질의 활성 형태를 변하게 할 수 있는  많은 단계가 있음. 아래표. 이들 단계를 통제함으로써 제 5장에서 서술할 세포외 또는 세포내 신호에 의해 세포내의 특정단백질의 총량은 조절될 수 있음. 

세포단백질의 양과 활성을 변경시키는 요소들

1) DNA 전사 : 전사인자에 의한 활성화 또는 억제

2) RNA 이어맞추기 : 이어맞추기 복합체의 효소활성

3) mRNA 분해 : RANase 의 활성

4) mRNA 번역 : 리보솜 상의 개시인자의 활성

5) 단백질 분해 : 단백질 분해효소 복합체의 활성

6) 다른자리 입체성 및 공유조성 : 신호 리간드, 단백질 인산화효소와 인산가수분해 효소

4. 단백질 분비

세포가 합성한 대부분의 단백질은 세포내에 남아 구조를 형성하며 세포의 생존에 필요한 기능을 수행한다. 그러나 어떤 단백질은 세포외 용액으로 분비되어 다른 세포에 신호로 작용하거나 혹은 세포외 기질을 형성하는 물질이 된다. 단백질은 크고 극성을 띤 분자이므로 세포막을 통해 확산될 수 없다. 그러므로 막을 통해 이들을 집어 넣거나 이동시키려면 특별한 메커니즘이 요구된다. 

세포로부터 분비되거나 막관통 단백질로 될 단백질은 합성초기  단계에 인식된다. 이 같은 단백질은 리보솜의 표면으로 나온 처음의 15-30개의 아미노산이 인식신호로 작용하는데 이를 신호서열(Signal sequence)  또는 신호펩티드라고 함. 신호서열은 신호인식 입자로 알려진 단백질 복합체와 결합하는데 이는 리보솜에서 폴리펩티드 사슬의 성장을 일시적으로 억제함. 그런 후 인식신호 입자는 조면소포체의 표면에 있는 특정 막단백질과 결합함. 이 결합은 단백질 합성과정을 재개시키고 성장된 폴리펩티드 사슬은 소포체 막내의 단백질 복합체를 통해 소포체 내강으로 들어감. 아래 그림.

 단백질 조립이 완료되면 분비되어질 단백질은 결국 조면소포체의 내강으로 들어감. 막관통 단백질로 작용할 단백질은 소포체 막에 부착한 채로 남아있게 됨. 소포체 내강에서 대부분의 단백질 신호서열은 효소에 의해 제거되고, 이 부분은 최종 단백질에는 없게 됨. 이와 더불어 종종 탄수화물 그룹이 단백질 사슬의 여러 곁사슬에 결합됨. 이런 수식이 끝난 후 소포체 막의 일부가 떨어져 나와 새로 합성된 단백질을 포함한 소낭을 형성함. 이 소낭은 골지체로 이동하여 골지체 막과 융합함. 골지체 내에서 단백질은 다시 수식됨. 에를들면, 탄수화물 그룹이 부가적으로 덧붙여지는데 이는 세포내에서 인식부위로 매우 중요한 것임. 

골지체 내에 있는 동안 이 세포소기관으로 들어온 다양한 단백질은 최종목적지에 따라 분류됨. 이러한 분류는 특정한 목적지로 가는 소낭을 형성하는 해당 단백질 부위가 골지체 막에 있는 특정단백질과 결합하는 것을 포함함. 수식과 분류가 일어난 후 단백질은 소낭으로 꾸며져 골지체 막 표면으로부터 떨어져 나감. 어떤 소낭은 원형질막으로 이동하여 막과 융합한 다음 그 내용물을 세포외 용액으로 분비하도록 하는데, 이를 세포외 배출작용이라고 함. 다른 소낭은 세포소기관의 안에 가수분해효소를 지닌 리소좀 막으로 가서 융합하기도 함. 소낭 표면에 있는 특정단백질은 소낭이 최종적으로 융합할 막 표면에 있는 결합단백질에 의해 인식됨. 

이 전체줄거리와 달리 만약 단백질에 신호서열이 없다면 유리 리보솜에서의 합성은 완성된 단백질이 세포기질로 내보내질때까지 계속됨. 이와같은 단백질은 분비되지 않고 세포내에서 기능을 가짐. 많은 단백질은 세포기질에 남는데, 예를들면 효소는 다양한 대사경로에 작용하는 기능을 가짐. 다른 것은 특정 세포소기관으로 가게 되는데, 예를들면 리보솜 단백질은 핵으로 이동하여 그곳에서 rRNA와 결합한 다음 세포기질로 리보솜 소단위체의 한부분이 되어 돌아옴. 단백질의 특정한 위치는 그 단백질의 목표가 되는 특정부위와 결합하는 단백질의 결합부위에 의해 결정됨. 예를들면 리보솜 단백질의 경우 이들은 핵으로의 접근을 조절하는 핵공에 있는 부위와 결합함. 

단백질의 결합부위

1. 결합부위의 특성

앞에서 우리는 단백질의 합성 및 처리과정에 관여하는 세포내 공정에 대해서 배웠다. 이제 그 단백질들이 서로 간에 또는 다른 분자들과 어떻게 상호작용하는가에 대해서 알아보자. 여러가지 분자와 이온들이 단백질 표면에 있는 특정 부위에 결합할  수 있는 능력은 다양하고 광범위한 단백질 기능의 근간을 이룬다. 단백질 표면에 결합하는 분자를 리간드라고 하며, 다음 중의 하나에 의해서 결합한다. 1) 리간드와 단백질의 반대전하를 띤 이온이나 극성 군 사이의 전기적 인력 2) 두분자의 비극성 부위들 간의 반데르발스 힘에 의한 약한 인력. 이 결합에는 공유결합이 포함되지 않는다는 것에 주목하라. 다시 말하면 이 결합은 가역적이다. 리간드가 결합하는 단백질의 부위를 결합부위(binding site)라 한다. 각 단백질은 여러개의 결합부위를 지니기도 하는데, 각각은 특정 리간드에 특이적이다. 대개 리간드가 단백질에 결합하면 단백질의 3차원적 모양이 변한다. 이렇게 되면 단백질의 특정기능이 리간드에 따라 활성화되거나 억제된다. 예를들어 효소의 경우 리간드가 붙어 효소가 더욱 활성화되기도 한다.

화학적 특이성(chemical specificity)

반대전하를 띤 단백질과 리간드 사이의 전기적 인력은 상호간의 거리가 멀어질수록 감소한다. 이보다 약한 반데르발스 힘도 서로 아주 가까이 있을때만 비극성 그룹사이에서 작용한다. 그러므로 리간드가 단백질에 결합하기 위해서는 리간드가 단백질 표면 가까이 있어야만 한다. 마치 퍼즐조각을 맞추는 게임처럼 리간드의 모양이 단백질 결합부위의 모양과 상보적일때에 이런 근접성이 일어난다. 

리간드와 단백질 결합은 아주 특이적이어서 결합부위는 한 종류의 리간드와만 결합할 수 있다. 이런 특이성은 단백질로 하여금 수백개의 다른 분자들이 있는 용액에서 특정한 하나의 분자를 결합에 의해서 식별하도록 한다. 단백질 결합부위가 특정 리간드에 결합하는 능력을 "화학적 특이성"이라고 하는데, 이는 결합부위가 결합하고자 하는 화학물질의 종류를 결정하기 때문이다. 

3-27에서 보듯이 결합부위에서 리간드와 상호작용하는 아미노산들은 폴리펩티드 사슬을 따라 서로가 인접해 있을 필요가 없음. 왜냐하면 단백질의 3차원적 접힘은 분자의 여러분절들을 나란히 놓도록 할 수 있기 때문임. 

어떤 결합부위는 오직 한종류의 리간드와만 결합하는 화학적 특이성을 지니고 있긴 하지만, 다른 것들은 특이성이 약해 몇몇 관련된 리간드와 결합할 수 있음. 3-28 참조. 예를들어 고혛압을 치료하도록 고안된 약물(리간드)은 그에 따라 혈압이 정상으로 돌아가는 것을 도움. 그러나 동일 약물이 다소 낮은 정도이지만 그 기능이 혈압과는 전혀 무관한 다른 단백질에도 결합할 수 있음. 이들 다른 단백질의 활성변화는 처방약의 원하지 않는 부작용을 일으킬 수 있음. 

친화력(affinity)

리간드-단백질 결합의 강도는 친화력이라고 하는 결합부위의 한 성질이다. 리간드에 대한 결합부위의 친화력은 결합된 리간드가 단백질의 표면을 떠나 비결합된 상태로 어떻게 빨리 돌아가는가로 결정된다. 리간드와 강하게 결합하는 결합부위를 높은 친화력결합부위라 하고, 약하게 결합된 것을 낮은 친화력 결합부위라고 한다. 

친화력과 화학적 특이성은 서로 분명히 구별되지만 상당히 밀접한 결합부위의 성질이다. 화학적 특이성은 결합부위 모양에만 의존하는 반면, 친화력은 단백질과 리간드 사이의 인력강도에 의존한다. 그러므로 서로 다른 단백질이 동일 리간드에 결합할 수 있음. 즉 같은 화학적 특이성을 가질수는 있지만 그 리간드에 대한 친화력은 다를 수 있음. 

친화력은 생리학에서 매우 중요함. 그 이유는 단백질이 리간드에 대한 친화력이 높은 경우 이 단백질에 결합하기 위해 아주 적은 양의 리간드가 필요함. 예를들어 어떤 치료약물이 특정 단백질에 결합하여 효과를 나타내는 경우, 이 단백질이 치료약물에 높은 친화력을 보유하고 있다면 매우 적은 양의 약물이 질병을 치료하는데 필요할 것이며, 이것은 원하지 않는 부작용의 확률을 줄여주는데 큰 도움을 줄 것임. 

포화(saturation)

용액내의 비결합 리간드와 이에 상응하는 단백질 결합부위는 재빠르게 평형에 도달한다. 그러므로 일부 유리 리간드가 비 결합부위와 결합하는 순간 곧바로 일부 결합된 리간드는 떨어져 용액내로 되돌아온다. 하나의 결합부위는 채워져 있거나 또는 비어있다. 포화라는 용어는 어느 한 순간에 전채 결합부위 중 채워져 있는 결합부위의 비율이다.  포화율 100% ... 50%...

결합부위 포화백분율은 두가지 요인의 의존함.  1) 용액내의 비결합된 리간드의 농도 2) 리간드에 대한 결합부위 친화력

리간드 농도가 높음녀 높을수록 리간드 분자가 결합부위와 만날 확률이 커져 결국 결합된 것이 됨. 그러므로 리간드 농도가 증가됨에 따라서 결합부위의 포화 백분율도 증가하여 모든 결합부위가 완전히 채워짐. 리간드가 단백질과 결합할때 생물학적 효과를 나타내는 분자임을 가정하면, 모든 결합부위가 채워질때까지 결합된 리간드 숫자가 증가됨에 따라 효과 정도 역시 증가할 것임. 그러나 서이상 리간드 농도가 증가하더라도 채워질 더이상의 결합부위가 없기 때문에 더이상 효과는 만들어지지 않음. 

결합부위 포화율을 결정하는 두번째 요인은 결합부위의 친화력임. 용액내의 분자와 결합된 리간드를 지닌 단백질 사이의 충돌은 마치 미식축구 선수가 태클에 의해 공을 놓치는 것과 같이 약하게 결합된 리간드는 떨어질 수 있음. 

경쟁(competition)

어떤 결합부위에 한종류 이상의 리간드가 결합할 수 있다. 이럴 경우 동일 결합부위에 대한 리간드들 간에 경쟁이 생긴다. 다시말하면 동일 결합부위에 결합할 수 있는 리간드가 다수 존재하면 그 중 어느 한 리간드가 결합부위를 차지함. 만약 2개의 경쟁하는 리간드 A와 B가 있을때 A의 농도가 증가하면 결합된 A양이 증가하고, 그 결과 B와 결합할 부위의 수가 감소하며 결합된 B의 양이 감소할 것임. 경쟁의 결과 하나의 리간드에 생물학적 효과는 다른 리간드의 출현에 의해 감소할 수도 있음. 

2. 결합부위 특성의 조절

단백질은 세포내에서 일어나는 모든 일들과 실제적으로 관련되어 있기 때문에 이런 기능의 조절을 위한 메커니즘은 단백질 활성의 조절에 모아짐. 단백질 활성을 조절하는데에는 두가지 방식이 있음. 1) 단백질 모양의 변화로 리간드의 결합을 변경시키는 것 2) 단백질 합성과 분해를 조절하는 것, 그에 따라 세포내의 단백질의 종류나 양이 결정됨. 

기억해야 할 것은 대부분의 단백질은 이와같은 조정의 대상이 되지 않음. 

1) 다른자리 입체성 조정(allosteric modulation) 

리간드가 단백질에 결합하면 리간드와 단백질 사이의 인력에 의해 단백질 모양이 변화함. 그림 참조. 다른자리 입체성 단백질(allosteric protein)

2) 공유조정(covalent modulation)

모양을 바꾸어 단백질 활성을 변화시키는 두번째 방식은 단백질의 일부 곁사슬에 전하를 띤 화학적 작용군이 공유결합하는 것에 의해서 이루어짐. 이를 공유조정이라고 함. 대부분의 경우 인산화란 화학반응에 의해 음성전하를 띤 인산군을 한분자로부터 다른 분자로 옮겨 공유결합하게 하는 것임. 단백질의 어던 아미노산 곁사들에 인산화는 단백질의 전기적 힘의 분포를 변하게 하여 단백질의 구조변화를 야기함. 

단백질 기능에 영향을 주는 요소들

1) 단백질 모양의 변화

가. 다른자리입체성 조성

나. 공유조정 - 단백질인산화 효소 활성, 인단백질 인산가수분해효소 합성

2) 단백질 농도의 변화

가. 단백질 합성

나. 단백질 분해

효소와 화학에너지

대사 metabolism

동화작용 anabolism

이화작용 catabolism

어떤 유기분자들은 분해되고 같은 형의 다른 것들은 합성되는 것처럼 몸속의 유기분자들은 끊임없이 변환됨. 아침 8시와 낮 12시에 화학적으로 똑같은 사람은 아무도 없는데, 이는 이 짧은 시간에서조차 몸의 수많은 구조가 조각조각 흩어지고, 대신 새로이 합성된 분자들로 대체되기 때문임. 건강한 성인의 경우 신체의 조성은 대부분의 분자들의 합성과 분해를 위한 동화율과 이화율이 같은 안정된 상태에 있음. 

1. 화학반응

화학반응이란 반응분자들의 화학결합을 분해하고, 연이어 생성분자를 만들기 위해 새로운 화학결합을 만드는 것을 의미한다. 예를들어 탄산이 이산화탄소와 물로 전환되는 화학반응에서 탄산의 화학결합 2개가 분해되고, 생성분자들은 서로 다른 원자들 간에 2개의 새로운 결합을 만들어 이루어진다. 

H2CO3 ---> CO2 +H2O + 에너지

대개 반응물과 생성물의 에너지량이 다르고 에너지는 새로이 만들어지거나 파괴되지 않기 때문에 에너지는 대부분의 다른 화학반응동안 첨가되거나 방출되어야만 함. 예를들면, 탄산이 이산화탄소와 물로 분해될때는 탄산이 이산화탄소와 물의 전체 에너지량보다 더 높은 에너지량을 가지기 때문에 에너지의 방출이 일어남. 방출된 에너지는 열 즉 증가된 문자운동에너지로 나타나는데, 이는 칼로리 단위로 측정됨. 1칼로리는 물 1그램을 섭씨 1도 올리는데 필요한 열량임. 대부분 화학반응과 연관된 에너지는 몰당 수천칼로리로 이를 킬로 칼로리라고 말함. 

반응속도 결정인자

화학반응 속도(단위 시간당 생성되는 생성물의 수는 몇개인가?)는 단위시간당 반응물이나 생성물의 농도 변화를 측정함으로써 결정할 수 있음. 

생성물의 농도가 증가할수록, 반응물의 농도가 빠르게 증가할수록, 반응속도는 더 빨라짐. 반응물 농도, 활성화 에너지, 온도, 촉매제와 같은 네가지 인자가 반응속도를 결정함. 

그러나 초기 동일한 농도의 반응물이 주어지더라도 모든 반응이 동일한 속도로 일어나지는 않음. 화학반응의 각 유형은 각각의 고유속도를 갖는데 반응을 위한 활성화에너지(activation evergy)라는 것에 따라 달라짐. 화학반응이 일어나기 위해 반응물은 화학결합이 분해될 수 있는 활성화 상태로 들어가는데 충분한 에너지 즉 활성화 에너지가 필요함. 활성화에너지는 생성물이 형성될때 방출되기 때문에 반응물과 최종산물 사이에 에너지 함량의 차이에 영향을 주지 않음. 그러면 반응물은 어떻게 활성화에너지를 회득하는가? 우리가 공부하려는 대부분의 대사반응들에서 반응물들은 다른 분자들과 활성화에너지가 크다면 이런 양의 에너지를 필요로 하는 반응분자들의 수는 적어지고 결국 반응속도는 느려질 것임. 따라서 요구되는 활성화 에너지가 크면 클수록 화학반응속도는 늦어짐. 

온도는 반응속도에 영향을 주는 세번째 인자임. 온도가 높을수록 분자가 더 빠르게 움직이고 따라서 그들이 충동할때 그들의 충격은 더욱 커짐. 그러므로 온도가 증가할때 반응속도가 증하하는 한가지 이유는 반응물들이 충돌로부터 충분한 활성화에너지를 얻는 기회가 커지기 때문임. 뿐만 아니라 더욱 빠르게 움직이는 분자들은 더 자주 충돌할 것임. 촉매(catalyst)는 반응물의 화학적 결합사이의 에너지 분포를 변화시켜 결과적으로 반응물을 생성물로 변환하는데 필요한 활성화에너지를 감소시키는 하나 혹은 그 이상의 반응물과 결합하는 물질 혹은 분자를 의미함. 촉매는 또한 2개의 반응물에 동시에 결합하여 이들을 서로 가깝게 위치하도록 하여 상호 반응을 수월하게 해주는 방향으로 이끌어줄 수도 있으며 이렇게 해서 더 적은 활성화 에너지가 필요하므로 반응은 훨씬 빨리 진행됨. 촉매의 화학적 조성은 반응에 의해 변화되지 않으므로 하나의 촉매는 수많은 반응물 분자를 생성물 분자로 변환시키는 촉매역할을 수없이 반복해서 수행할 수 있음. 더구나 촉매는 반응물과 생성물의 에너지 함량 차이를 변화시키지도 않음. 

가역 및 비가역반응 Reversible and Irreversible Reactions

모든 화학반응은 이론적으로 가역적임. 반응물은 생성물로 전환되고 생성물은 반응물로 전환됨. 전체반응은 가역적임. 반응이 진행될때 정반응의 속도가 감소하면서 점차 느려질 것임. 동시에 역반응의 속도는 생성물의 농도가 높아짐에 따라 증가될 것임. 궁극적으로 반응은 정반응과 역반응의 속도가 같아져 화학적 평형의 상태에 도달할 것임. 이 시점에서 꾸준하게 반응물이 생성물로 전환되고 생성물이 반응물로 전환될지라도 반응물이나 생성물의 농도는 더이상 변화하지 않음. 

..화학적 평형에 도달했을때 정반응과 역반응의 속도가 동일하더라도 생성물의 농도가 똑같을 필요는 없음. 평형상태에서 반응물 농도와 생성물 농도의 비는 반응하는 동안 방출되는 에너지 양에 따라 다름. 방출되는 에너지가 크면 클수록 생성물이 이 에너지를 얻어 반응물을 재형성하기 위한 역반응이 진행될 가능성은 더욱 적어딤. 그러므로 그러한 경우 화학적 평형에서 반응물농도에 대한 생성물 농도의 비는 커질 것임. 만약에 반응물과 생성물의 에너지 함량에서 차이가 없다면 그들의 농도는 평형상태에서 동일 할 것임. 

이와같이 모든 화학반응은 대체로 가역적이지만 많은 양의 에너지가 방출되는 반응은 화학적 평형에 도달될때 대부분의 반응물이 생성물로 전환된다는 점에서 비가역적 반응이라고 할 수 있음. 반응과정에서 방출된 에너지가 이 반응이 가역적인지 비가역적인지를 결정한다는 사실은 매우 중요함. 이 에너지는 활성화 에너지가 아니며 또한 반응속도를 결정하지 않음. 

가역반응, 비가역반응, 화학적 평형

질량작용의 법칙 Law of Mass Action

반응물과 생성물의 농도는 정반응과 역반응의 속도뿐만 아니라 주어진 시간동안 생성물 아니면 반응물이 축정되는가를 결정짓는 다시말하면 반응이 순수하게 진행되는 방향을 정하는 것에도 매우 중요한 역할을 함. 

A+B(반응물) <--------정, 역----->C+D(생성물)

만약 여기서 우리가 반응물 중 하나의 농도를 증가시키면 정반응의 속도는 증가하여 생성물읠 형성은 빨라질 것임. 반대로 생성물 중 하나의 농도가 증가하면 역반응으로 반응이 진행될 것이고 반응물의 생성이 증가될 것임. 진행되는 최종 반응의 방향은 또한 반응이 참여하는 물질 중 하나의 농도를 감소시킴으로써 바꿀 수 있음. 이와같이 생성물 중 하나의 농도가 감소하면 정반응의 속도를 변화시키지 않고 역반응의 속도를 감소시키기 때문에 결국 정반응으로 반응이 일어남. 최종 반응이 진행되는 방향에서 반응물과 생성물 농도들에 의한 이러한 영향을 질량 작용의 법칙(Law of Mass Action)이라 함. 질량작용은 신체내에서는 좀처럼 화학적 평형에 이르지 않기 때문에 흔히 대사과정이 일어나는 방향을 조절하는 중요한 결정인자가 됨. 더 일반적으로 말해서 새로운 반응물이 첨가되면서 동시에 생성물은 다른 반응에 의해 없어짐. 

2. 효소

몸에서 일어나는 대부분의 화학반응이 반응물과 생성물만 존재하는 시험관에서처럼 일어난다면 그들의 높은 활성에너지때문에 매우 느린속도로 진행될 것이다. 생명체에서 관찰되는 높은 반응속도를 이루기 위해서는 활성화 에너지를 낮추는 촉매가 필요하다. 이러한 특별한 촉매를 효소(enzyme)라고 부른다. 효소는 단백질 분자이므로 효소를 단백질 촉매라고 정의할 수 있다. (일부 RNA분자들이 촉매활성을 갖고 있으나 그들이 촉매하는 반응의 수는 매우 적고, 우리는 효소를 단백질 촉매라는 용어로 제한할 것임)

작용을 위해 효소는 화학반응물에 접촉하여야 하는데, 이를 효소반응의 경우 기질(substrate)라고 한다. 기질은 효소와 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하고 다시 분리되면서 생성물과 효소가 방출된다. 효소와 기질간의 반응을 정리하면 

기질(S) + 효소(E) <---> 효소-기질 복합체(ES) <-----> 생성물(P) + 효소(E)

이렇게 반응을 마치고 떨어져 나온 효소는 옆으 기질분자와 동일한 반응을 수행함. 전반적인 효과는 촉매제로 활동하는 효소를 이용하여 기질을 생성물로 바꾸는 작업을 가속화하는 것임. 효소는 정반응과 역반응 속도 모두를 증가시키므로 최종적으로 도달하는 화학적 평형을 변화시키지는 않음. 

기질과 효소간의 상호작용은 앞서 설명한 단백질의 결합부위에 리간드가 결합하는 특징들 즉 특이성, 친화력, 경쟁, 포화 등의 개념을 모두 갖고 있음. 기질이 효소에 결합하는 부위를 효소의 활성부위(active site)라고 함. 활성부위 근처의 효소모양은 효소의 화학적 특이성을 결정지음. 두가지 모형이 효소와 그 기질분자가 결합하는데 사용되고 있음. 하나는 효소와 기질이 자물소외 열쇠모형(lock and key model)처럼 모양이 맞아 떨어져 있다는 것이고, 다른 하나는 기질 분자가 효소의 활성부위에 모양변화를 유도하여 아주 특이적인 상호결합을 갖게 함(유도 적합모형, induced fit model)

효소의 촉매능력은 매우 크다. 예를들면 탄산무수화효소 분자 하나가 1초에 기질분자 약 100,000개를 생성물로 전환시키는 것을 촉매할 수 있다. 

효소의 특징

1. 효소는 자신이 촉매한 반응과 결과로 어떤 화학적 변화도 겪지 않는다.

2. 효소의 활성부위에 기질이 결합하는 것은 단백질에 결합하는 리간드의 모든 특징들 즉 화학적 특이성, 친화성, 경쟁 그리고 포화성과 같은 성질을 갖는다.

3. 효소는 화학반응의 속도를 증가시키지만 효소가 없는 상황에서 결코 일어나지 않는 반응을 일어나게 만들지 않는다.

4. 일부 효소는 화학반응의 정, 역반응속도 모두를 증가시키지만 최종적으로 도달하는 화학적 평형값을 바꾸지 않는다. 그들은 단지 평형에 도달하는 속도를 증가시킨다.

5. 효소반응의 활성화 에너지를 낮추지만 반응과정에서 반응물에 더해지거나 방출되는 에너지의 순수한 양을 변화시키지는 않는다.

보조인자(cofactor)

많은 효소가 보조인자라 불리는 적은양의 다른 물질이 없으면 활동하지 않는다. 일부 경우에 보조인자는 망간, 철, 아연이나 구리와 같은 미량 금속임. 효소에 금속들 중 하나가 결합하게 되면 효소의 형태가 바뀌고 따라서 기질과 상호작용을 하게 됨. 이것은 다른자리 입체성조절의 한 형태임. 많은 양의 기질을 생성물로 변환시키는데 아주 적은 양의 효소분자가 필요하므로 이들 효소분자의 활성을 위해서는 매우 적은 양의 미량금속이면 충분함. 

다른 경우에 보조인자는 반응과정에서 기질 들 중 하나로 직접 참여하는 유기물 분자인 경우가 있는데 이 경우 보조인자는 조효소(coenzyme)임. 조효소를 필요로 하는 효소들은 몇개의 인자(예를들어 수소, 아세틸기 또는 메칠기)가 기질에서 제거되거나 더해지는 그런 반응을 촉매함. 

기질과 조효소를 서로 구별짓는 것은 조효소의 운명임. 예를들어 2개의 수소원자가 조효소로부터 다른 기질로 옮겨질 수 있음. 이 두번째 반응은 조효소를  원래의 형태로 전환시키므로 다시 2개의 수소원자를 더 받아들일 수 있게 됨. 이처럼 1개의 조효소 분자는 일부 분자조각을 하나의 반응에서 다른 반응으로 이동시킴으로써 몇번이고 재사용될 수 있음. 따라서 금속성 보조인자들의 예처럼 조효소들이 참여하는 효소반응을 유지하는 데에는 매우 적은 양만이 필요함. 

조효소는 비타민이라는 특별한 영양소의 몇몇 그룹에서 비롯됨. 예를들면 조효소는 NAD+( 니코틴아미드아데닌 뉴클레오티드)와 FAD(플라빈 아데닌 뉴클레오티드)는 각각 비타민 B에 속하는 니아신과 리보플라빈으로부터 유도되었음. 그들은 하나의 기질에서 다른 기질로 수소를 전달하므로 에너지 대사에서 중요한 역할을 수행한다는 것을 곧 알게될 것임. 

3. 효소-매개 반응의 조절

효소-매개 반응의 속도는 기질의 농도, 반응을 촉매하는 효소의 농도와 활성도에 따라 달라진다. 체온은 거의 일정하게 유지되기 때문에 온도의 변화는 대사반응의 속도를 변화시키는데 직접적으로 사용되지 않음. 그러나 열이 나거나 운동을 하는 동안 근육 조직 근처의 체온이 증가하는 온도의 증가는 그런 영향을 받는 조직에서 효소-매개 반응을 포함한 모든 대사물질 반응의 속도를 증가시킴. 

기질의 농도는 세포밖으로부터 기질의 공급을 변화시키는 여러 요인들로 인해 변할 수 있음. 예를들면 장관으로부터 기질 흡수의 속도나 식이요법의 변화로 인해 혈액내 기질 농도가 변할 수 있음. 세포내 기질 농도 역시 기질을 사용하는 세포 반응에 의해 낮아지거나 기질이 합성되는 다른 반응에 의해 높아지는 등 변할 수 있음. 기질 논도가 한층 더 증가하더라도 일정하게 유지도는 최대 속도에 도달할때까지는 그림 3-34에서 보여주듯이 기질 농도가 증가하면 호소-매개 반응의 속도는 증가함. 최대속도는 효소가 기질로 포화되었을때 도달하게 되는데 다시말하면 모든 효소분자의 활성부위가 기질분자에 의해 채워졌을때임. 

2) 효소농도 Enzyme Concentration

효소를 포화시키는 농도를 포함하여 어떠한 기질농도에서도 효소가 매개하는 반응의 속도는 효소농도가 증가함에따라 증가될 수 있음. 대부분의 대사반응에서 기질 농도는 반응을 촉매하는데, 이용되는 효소의 농도보다 훨씬 많음. 그러므로 만약에 효소분자의 수가 두배로 늘어난다면 기질과 결합할 수 있는 활성부위가 두배로 늘어날 것이며 결과적으로 두배의 기질분자가 생성물로 변화할 것임. 

어떤 반응은 일부세포에서 다른 세포내에서보다 훨씬 빠르게 진행되는데 이는 이 세포에 더 많은 효소가 존재하기  때문임. 효소의 농도를 변화시키기 위해서는 효소의 합성속도나 효소의 분해속도가 변해야 함. 효소는 단백질이기 때문에 이것은 바로 단백질의 합성과 분해속도를 변화시키는 것을 의미함. 

3) 효소활성도 Enzyme Activity

효소-매개 반응의 속도는 기질이나 효소의 농도에 의해 변화되지만 효소 활성도에 의해서도 바뀔 수 있음. 효소 활성도는 효소의 다른 자리입체성 조절 또는 공유결합 조절에 의해 효소의 활성부위가 바뀔때 달라짐. 이런 조절작용은 결합부위가 기질을 생성물로 변환시키는 속도를 바꾸거나 결합부위 기질 친화력을 바꾸기도 하는데, 어떤 경우에는 두가지 다 바꾸기도 함. 

그림 3-36은 기질이나 효소 농도의 변화없이 효소 활성부위 친화력을 증가시켜 나타나는 효과를 보여줌. 기질농도가 포화상태보다 적게 주어진 상황에서 효소 결합부위의 증가된 친화력으로 인해 기질에 결합된 활성부위의 수가 증가하게 되고 결국 반응속도가 증가하게 되는 것임. 효소 활성도 조절을 통한 대사의 조절은 매우 복잡한 과정인데 많은 경우 효소 활성도가 하나 이상의 작용인자에 의해 변할 수 있기 때문임. 그림

다른자리 입체성으로 효소활성를 변화시키는 조절분자들은 세포 반응의 다른 생성물일 수 있음. 결과적으로 대사의 전체적인 속도는 다양한 대사 요구조건들을 충족시키도록 맞춰져 있음. 반면에 효소 활성도의 공유결합적 조절은 세포가 받아들이는 여러 종류의 화학신호물질(예를들어 호르몬)에 의해 활성을 갖게 되는 단백질 인산화효소에 의해 이루어짐. 그림 3-38은 효소 매개반응ㅇ의 속도를 조절하는 것을 요약함. 

4. 다효소 반응 Multienzyme Reactions

특별한 생성물의 형성을 가져오는 일련의 효소-매개 반응을 대사경로(metabolic pathway)라고 함. 예를들어 포도당을 이산화탄소와 물로 전환시키는 19가지 반응은 포도당 이화작용에 해당하는 대사경로임. 각 반응을 거치면서 기질의 구조는 조금씩 변화하게 됨. 일련의 조그만 변화들이 각 반응에 의 해 쌓이면서 포도당과 같은 복잡한 화학구조가 이산화탄소와 물이라는 비교적 단순한 구조로 전환되는 것임. 

.... 가능한 조절 지점의 변경과 조합, 그리고 몸에서 일어나는 수천가지 반응을 고려할때 전체 결과는 경이로움. 효소 수준에서 많은 대사과정을 조절하는 세부적인 설명은 이 책의 범위를 벗어남. 우리는 단지 세포가 에너지를 얻기위한 대사의 총괄적인 특징 그리고 탄수화물, 지방, 단백질이 분해되고 합성되는 주요 대사만 다룸. 

세포의 에너지 전달과정

- 중요한 장이라 새로운 글로 작성...

[정혜]

고맙습니다

[유량]

도웅받고갑니다^^

[문형철]

1월 31일 두번째 정리중... 사고의 확장과 통합 중...

[문형철]

2020년 다시 탐구 중!!