Chapter 2 아미노산과단백질 생명과학의기초생화학
2 장의개요 2.1 단백질의구성단위아미노산 2.2 단백질의일차구조 : 폴리펩타이드 2.3 단백질의입체구조와기능의관계
아미노산과단백질의소개 1. 단백질은건조한세포무게의반을차지 2. 세포에서가장다양하고중요한기능 3. 게라두스뮬더 : 동물, 식물에서단백질추출 4. 베르첼리우스 ( 스웨덴 ): Protein 그리스어로 protios 첫째를차지한다 5. 단백질 달걀흰자의의미 일본 6. 고분자분자량 6,000 ~ 수백만 7. 구성성분 아미노산의공유결합 8. 아미노산의중합체 폴리펩타이드 9. 아미노산의순서 염색체의뉴클레오타이드의순서 독특한구조 특수기능
2.1 단백질의구성단위아미노산 아미노산의화학적성질 1. 자연에서모든단백질의아미노산은 L-α- 아미노산 2. α- 탄소에아미노그룹 (-NH 2 ) 과 R 그룹 3. 쌍극성 생리적인 ph 에서카복실그룹과아미노그룹의이온화 (Zwitter ion) 4. 두개의특징적인 pk a 값 5. 등전점 : 하전이 0 이되는 pk a 값 6. α- 탄소가대칭성을갖는다. 입체이성 D 형
그림 2-1. α-아미노산의삼차구조 (1) α-탄소가카이럴하므로정사면체가결합된모습 (2) (1) 의간단한표현
그림 2-2. 쌍극성아미노산 ( 쯔비터이온 ) 그림 2-3. L- 알라닌의두해리상태의구조
그림 2-4. 알라닌의적정곡선
그림 2-5. α- 아미노산의입체이성구조
아미노산의분류 1. 20 개아미노산 ( 자연에 100 여개 ) 폴리펩타이드에사용 2. 프롤린 하이드록시프롤린 / 세린, 타이로신 인산화 3. R- 그룹의특성에따라분류 : 1. 비극성아미노산, 2. 방향족 R- 그룹 3. 음하전의극성그룹 4. 양하전의극성그룹 5. 하전이없는극성 4. 필수아미노산 : 아이소루신, 루신, 발린, 트레오닌, 메싸이오닌, 페닐알라닌, 트립토판, 히스티딘, 아르지닌, 라이신 * 히스티딘 유아발육 / 아르지닌 요소회로에서모두소비
그림 2-6. 아미노산들의구조
1. 비극성아미노산 - 글리신 : 작은 R- 그룹회전에최소의입체장애 밀집된지역에들어맞음 - 알라닌 : 소수성인메틸그룹, -CH 3 을갖음 - 발린, 루신, 아이소루신 : 큰비극성 R- 그룹을갖음 소수성상호작용에관여 - 분해작용결핍 : 단풍나무시럽냄새오줌병 - 공모양의단백질에서주로안쪽에위치 단백질안정화에기여 - 페닐알라닌 : 분해결핍 페닐케톤뇨증 비편재화된 π 전자 자외선흡수, 이차구조형성의힘
- 방향족아미노산 : 280nm에서최대흡수 - Beer-Lambert의법칙 A = εc1 (c: 몰랄농도 ) 1: 용기의폭 (1cm) ε = 몰흡광계수 A = 흡광도 (280nm) - 흡광도의측정으로몰랄농도에서용액속의단백질의농도측정 - 트립토판 : 식물에서추출된약물질의전구체, 세로토닌 (serotonin) 멜라토닌 (melatonin) - 메싸이오닌 : 메틸그룹공여체 ( 에피네프린, 크레아틴, 멜라토닌합성시 )
2. 산성아미노산 - 아스파트산 : pk a = 3.86, 중성 ph 에서이온화 - 글루탐산 : pk a = 4.25 단백질표면에주로나타남 두개의음하전, 칼슘이온과강력하게결합 내부아마이드유도체 피롤리돈카복실산 면역글로뷸린의무거운사슬, 펩타이드의 N- 말단 아미노산
그림 2-7. γ- 카복실글루탐산 그림 2-8. 글루탐산과파이로글루탐산의구조
3. 염기성아미노산 - 라이신 : ε- 아미노그룹 pk a = 10.53 ε- 아미노그룹 바이오틴, 리포산, 바이타민 A 유도체레티나부착 콜라젠 δ- 탄소하이드록실화 당이부착. 일레스틴의 ε- 탄소산화되고아미노그룹제거 반응성알데하이드그룹 신축성물에불용성결합아미노산 데스모신과아이소데스모신 - 히스티딘 : 이미다졸염완충용액 효소의활성부위아미노산 금속과결합 히스티딘탈카복실화 히스타민 - 아르지닌 : δ- 탄소 구아니디늄그룹 두개의아미노그룹사이의공명안정 pk a =12.48 크레아틴합성에사용, 요소회로참여
4. 중성아미노산 - 세린 : 일차알콜 + 인산 에스터결합형성 인산화 활성도조절 pk a =13.6 - 트레오닌 : 네개의이성체 단백질에단지한개의 L- 트레오닌만존재 인산과반응
- 시스테인 : 약산성, pk a = 8.33 -SH 생리적인 ph 에서해리안됨 효소와기능성단백질의기능에필수적 납이나수은은 SH 그룹과반응 활성의상실 -SH 두개산화시스틴, -S-S- 단백질포개짐 - 타이로신 : 페놀의하이드록실그룹 pk a = 10.0 생리적 ph 에서이온화안됨. 하이드록실그룹 게스트린, 콜레스토사이토키닌 -SO 4 가붙는다. 단백질 kinase( 발암성유전자 ) 인산화 분해능력의결핍으로선천성유전병, 타이로시노시스, 타이로시니미아 타이록신, 카테콜아민, 멜라닌합성의전구체
- 아스파라진 : 당단백질의탄수화물가지사슬과 아마이드결합 - 글루타민 : γ- 아미노질소 퓨린과피리미딘뉴클레오타이드합성에사용 간에서요소로바뀌며, 신장에서암모니아로배출 뇨에서 H + 의중화 : 산염기의조절에관여
자연에나타나는다른아미노산 1. 콜라젠 : 4- 하이드록시프롤린과 5- 하이드록시라이신포함 2. 우유의카제인 : 인산세린 3. 대장균단백질합성에서 N-포밀메싸이오닌 시작단계의아미노산 4. 자연의아미노산중단백질에나타나지않음 호모세린, 오르니틴, β- 알라닌, 및 δ- 아미노뷰티르산
그림 2-10. 인산화된아미노산 그림 2-9. 하이드록실화된프롤린과라이신 그림 2-11. 포밀화된아미노산
그림 2-12. 단백질합성에사용되지않은아미노산들
2.2 단백질의일차구조 : 폴리펩타이드 펩타이드결합 1. 일차구조 (primary structure) 아미노산의수와순서 2. 아미노그룹과카복실그룹 펩타이드결합 이중결합성질 아마이드그룹의수소와카보닐그룹의 산소 단단한평면위에놓임 3. α-c 원자는펩타이드결합의 N 과 C 에연결되는단일결합 (Φ 와 Ψ) 회전이자유스럽다 4. 자유스런회전 α-c 원자의 R- 그룹 삼차구조형성에영향 5. 모든펩타이드결합은트렌스모양 6. 프롤린 : 피롤리돈의 NH 그룹이관여되는 펩타이드결합은트렌스와시스의두가지배열로일어남
그림 2-14. 단단한폴펩타이드의단위와펩타이드그룹을연결하는결합은큰각도의회전가능성을가짐
그림 2-15. Cα-N 결합의 Φ 회전각도와 Cα-C 결합의회전각도 Ψ
그림 2-16. 프롤린이포함된펩타이드결합의시스와트렌스구조
폴리펩타이드 1. 단백질은한개이상의폴리펩타이드사슬이포함 2. 단위아미노산 : 아미노산잔기 (residue) 3. N-말단잔기 (N-terminal residue) 과 C-말단잔기 (C-terminal residue) 4. 단백질은 N-말단에서 C-말단으로합성 5. N-말단은왼쪽에, C-말단은오른쪽에표기
기능성올리고펩타이드 1. 열개이하의아미노산으로구성된펩타이드 2. 홀몬, 항생제, 독소및대사중간물질 3. 글루타싸이온 : 트라이펩타이드, 적혈구세포의산화에의한손상의방지 4. 난포자극분비홀몬 (FSH-RH), 황체형성홀몬분비홀몬 (LH-RH) 스테로이드합성자극 5. 바소프레신 ( 외부혈관억제혈압증가 ) 옥시토신 ( 평활근의수축 ) 6. 항생제, 그라마시딘, 타이로시딘, 페니실린 7. 합성펩타이드 - 아스파탐 (L- 아스파틸 - 페닐알라닐 - 메틸에스터 ) 설탕의 200 배단맛
그림 2-17. 글루타싸이온의구조
그림 2-18. 옥시토신, 바소프레신, 타이로시딘의구조
그림 2-19. 페니실린의구조
폴리펩타이드의아미노산순서의결정 1. N- 말단과 C- 말단아미노산의잔기확인 2. 이황화그룹이있으면절단 3. 서로포개지지않는가능한한적은수의조각으로제한된절단 4. 이조각들의분리 5. 대략 20~30 개의잔기로연결된펩타이드에서아미노산의순서결정 => 아미노산순서분석기에의한순서분석
1. 아미노산의 N 말단과 C- 말단의확인 - 덴실화된폴리펩타이드 높은온도의산성용액에서 펩타이드결합가수분해 - N- 말단잔기 강한형광을가지므로표준물질과비교 확인 매우적은양의시료사용 - 한개의폴리펩타이드사슬 한개의 N- 말단잔기 폴리펩타이드의수 - 인슐린 : 덴실화된글리신과페닐알라닌의 두개의펩타이드
그림 2-20. 덴실클로라이드반응
2. 수소결합및이황화그룹의절단 - 이황화결합을파괴시키는 β- 머캅토에탄올을요소와 구아니듐하이드로클로라이드와같이단백질처리 이황화결합은시스테인잔기가됨 원래의단백질모양이파괴됨 - 폴리펩타이드사슬일직선으로펼쳐지게됨 - 자유로운황화수소그룹이아이오도아세트산처리 산소에의한재산화로이황화결합의재형성막음
그림 2-21. 머캅토에탄올, 요소, 구아니듐하이드로클로라이드
그림 2-22. 아이오도아세트산을사용하여설퍼하이드릴그룹의반응을차단시킴
3. 서로포개지지않은폴리펩타이드의절단 - 폴리펩타이드내에제한된수의메싸이오닌 (2.3%) 포함 사이아노젠브로마이드 (CNBr) 의처리 큰조각을얻음 C- 말단쪽의메싸이오닌 - 트립신처리 : C- 말단쪽의아르지닌또는라이신 - 라이신의변형 : C- 말단쪽의아르진 - 카이모트립신
그림 2-23. 사이아노젠프로마이드에의한절단
4. 가수분해된폴리펩타이드조각의분리 - 순수한상태로폴리펩타이드조각들의분리 ( 아미노산의순서분석기사용 ) - 젤여과방법 (gel filtration), 다공성고분자 ( 큰분자먼저, 적은분자지연 ) - 고성능액체크로마토그래피 (HPLC) 사용
그림 2-24. 젤여과크로마토그래피법에의한단백질분자의크기에따른분리
5. 전체펩타이드순서맞추기 그림 2-25. 성분펩타이드의순서의포개짐을분석하여전체펩타이드아미노산의순서를얻게된다.
2.3 단백질의입체구조와기능의관계 - 평면구조 (configuration): 1. 원자의절대적인배열, 주어진원자주위의공간에서치환그룹의배치 2. 이성체는한개나그이상의공유결합을파괴하지않고서로상호변환될수없다. - 입체구조 (conformation): 1. 어떤공유결합을파괴없이변환가능한그룹의삼차배열 2. 에테인의가려진이성체, 비틀어진이성체 3. 단백질은무한한수의입체구조 생물학적인조건에서제한된수의안정한입체구조 4. 원래의형태 삼차구조의파괴 변성
그림 2-26. 에테인이성체의구조
단백질의종류와기능 1. 섬유상단백질 : 폴리펩타이드의횡적인연결. α-케라틴 ( 머리카락, 손톱 ) 은세개의오른쪽으로도는 α-나선의폴리펩타이드로구성. 피부의콜라젠, 뼈, 연골은많은양의글리신 (25%), 프롤린, 하이드록시프롤린 (25%) 들때문에 α-나선이없음. 왼쪽으로도는세개의나선 ( 트로포콜라젠 ). 2. 구형단백질 : 물에잘녹고, 최소공간을차지하는집약된구조 효소나항체처럼생체계에서대부분을차지하는중요한생체고분자
그림 2-27. 케라틴에서세개의 α- 나선코일의모형
그림 2-28. 트로포콜라젠의삼중나선의모형
이차구조의형성 1. α- 나선 (helix) 의구조 : 오른쪽으로도는 수소결합 2. β - 병풍구조 (β-pleated sheet): 비단 3. β- 회전 (turn) 4. 무질서코일 (random coil): 수소결합지역이잘못되거나결핍됨.
1. α- 나선구조 1. 오른쪽으로도는 α- 나선 시계반대방향 2. 각펩타이드결합의 -NH, -CO 사이의수소결합 안정화 ( 첫번째잔기의아미노프로톤과네번째잔기의카보닐산소사이에서얻어짐 ) 3. 한번회전에 3.6 개아미노산, 0.54nm 4. 불안정성 : 비슷한하전을띤 R- 그룹 (Asp. His, Glu, Lys, Arg) 정전기적인반발 β- 탄소근처의잔기들의큰치환때문 (Ile, Thr) 가지사슬수소결합이나이온결합의형성때문
그림 2-29. α- 나선의평균크기
2. β- 병풍구조 - 잔기사이의거리 : 0.35nm - 근처폴리펩타이드의사슬의 NH 와 CO 그룹사이의 수소결합에의해서안정화 - 평행과비평행 ( 실크의섬유는비평행의 β- 병풍구조 ) - 아밀로이도시스 (amyloidosis) 주된구조가 β- 병풍구조 - β- 파이브릴로시스 (β-fibrillosis) 이차구조가잘못축적됨 - 아밀로이드 (amyloid): 뒤틀린 β- 병풍구조의집합체 - 아밀로이드퇴적 만성적인부종, 일종의암, 뇌의 질병 ( 알츠하이머 ) - 실험쥐 : 수소결합붕괴시약다이메틸설폭사이드 아밀로이드감소
그림 2-30. β- 병풍구조의평행과비평행한수소결합의구조
3. 무질서한코일 다른잔기와펩타이드사슬간의상호작용같은정리된계속적인모양을갖지못하는경우 4. β- 회전 폴리펩타이드사슬이집약된분자로만들어지게되는원인 ( 공또는타원체모양의구형단백질 ). 네개의아미노산잔기 머리핀구조를형성
5. 초이차구조의성분 - 이차구조와삼차구조의중간구조 : 초이차구조또는구조의요소 (motif) - 구형단백질 : α- 나선과 β- 병풍구조의다양한비율과조합 - 초이차구조 : βαβ 요소 두 β- 병풍구조사이에 α- 나선이들어있음 β- 머리핀구조 β- 병풍구조가역평행으로진행함으로써머리핀모양 αα- 요소 두개의 α- 나선이비스듬히반대방향으로진행 그리스열쇠요소 네가닥의 β- 머리핀이역평행으로포개짐 β- 장벽의요소 : 연장된 β- 병풍구조가원통모양구조
그림 2-31. 초이차구조의종류
삼차구조및관련결합력 분자가스스로선호하는낮은에너지상태를탐색한다. 단백질은일차아미노산의순서가이차및삼차구조에영향을주게된다. 1. 폴리펩타이드사슬간의견인력과반발력의힘의균형 포개짐 (folding) 2. 아미노산가지사슬들간의견인력 : 공유결합, 이온결합, 수소결합, Van der Waals 견인력, 소수성기의상호작용 3. 반발력 : 정전기적인반발력, Van der Waals 반발력
그림 2-32. 단백질의삼차구조를안정화시키는공유결합및여러가지의상호작용
1. 견인력 - 공유결합 : 펩타이드결합, 이황화결합 배위결합 : 두원자에의해서동등하지않은, 전자쌍의공여로만들어지는화학결합 전이금속, 유기리간드들사이에서의 상호작용이중요. - 이온결합 : 반대하전을갖는두그룹사이의정전기적인 견인력에의해일어남.
- 수소결합 : 두개의전기음성적인원자들사이의수소원자의공여로일어남 단백질에서공유할수있는수소원자를갖는그룹 : -N-H( 펩타이드질소, 이미다졸및인돌 ), SH( 시스테인 ), OH( 세린, 트레오닌, 타이로신, 하이드록시프롤린 ), -NH 2, NH 3+ ( 아르지닌, 라이신, 글루타민 ), - CONH2( 카바미노, 아스파라진, 글루타민 ) 수소원자를공유할수있는그룹 : -COO - ( 아스파트산, 글루탐산, α- 카복실산 ), -S-CH 3 ( 메싸이오닌 ), -S-S-( 이황화그룹 ), =C=O( 펩타이드와에스터연결 )
- Van der Waals 견인력 한분자에서고정된쌍극자가다른분자의쌍극자를유발 고정된쌍극자의양하전의끝은전자그룹을끌어들이려하고, 한편음하전의끝은서로밀어내려고한다. 상호작용의세기 1/r 6 비극성가지사슬들간의견인력 - 소수성상호작용 : 비극성가지사슬 ( 방향족고리, 탄화수소그룹 ) 서로붙게되는원인. π 전자는다른 π 전자들과서로포개지는능력이견인력으로작용.
2. 반발력 - 정전기적인반발력 : 이온성힘의반발 - Van der Waals 반발력 : 서로매우짧은거리의원자들사이에서작동. 전자구름의상호반발에의해서유도된쌍극자때문에나타난다.
삼차구조의결정 - 1950 년대 X 선결정구조연구 : - 단백질의 α- 나선 β- 병풍구조, 핵산 DNA 이중나선의구조 마이오글로빈 : 죤켄드류 (John Kendrew) 헤모글로빈 : 막스페루츠 (Max Perutz) - X- 선조사 굴절의모양 ( 무거운원자 - 더진한색 ) - 납이나우라늄사용, X- 선굴절모양의비교 - 해상도 6Å 400, 1.4Å 25,000
그림 2-33. 단백질결정에 X- 선을통과시킨굴절의모양
그림 2-34. 마이오글로빈의 X- 선회절의모양
그림 2-35. 콩단백질인콘카나발린 A 의삼차구조전자밀도지도
1. 마이오글로빈 - 근육에서산소보관, 세포를통하여산소를운반 : 153 개의아미노산을갖는한개의폴리펩타이드사슬과철을포함하는분자인힘 (heme) - 힘분자의유기화학성분인폴피린 : 네개의피롤고리 - 여덟개의구역의 α- 나선, 다섯개의비나선구조구역존재 - 힘 : 분자의바깥쪽, His F7 힘의평면 - 가역적인산소부착 Fe 2+ 일때 - 물분자여섯번째배위 : Fe 2+ Fe 3+ ( 산화 ) 페릭마이오글로빈은산소결합불능
그림 2-36. 프로토폴피린 IX 와철을포함한힘 (heme) 그룹
그림 2-37. 마이오글로빈의삼차구조
2. 라이보뉴클리에이스 - 124 개의아미노산, 한개폴리펩타이드, 네개의이황화결합 - β- 머캅토에탄올, 요소, 구아니딘염산염 : 효소능력의상실 - 공기의노출 설퍼하이드릴그룹의재산화 : 여덟개의시스테인잔기가네개의이황화그룹을만들수있는 105 가지다른분자내부의이황화그룹을의형성가능 - 자발적으로효소가생물학적인활성을갖도록재건된다. 유전자코드에의해서지정된라이보뉴클리에이스의아미노산의순서는열역학적으로선호되는효소의원래입체구조를구성하는데필요한정보를제공하고있음을알수있음.
그림 2-38. 라이보뉴클리에이스 A 의일차구조
그림 2-39. 라이보뉴클리에이스 A 의변성및재현
3. 사차구조 - 두개이상의동등한또는다른폴리펩타이드 사슬을포함하는기능성단백질이갖는입체구조 - 두개이상의단위체 올리고머 (oligmer) - 여러단위체 : 촉매활성조절이효율적 - 단위체는비공유성힘에의해서서로결합
단백질의포개짐 1. 포개짐의원리 타입 I. 1. 아미노산의순서에따라 α- 나선과 β- 병풍구조의형성 2. 먼거리의상호작용으로 α- 나선들이접근하여초이차구조의형성 3. 완전한단위체로전체적인포개짐 타입 II. 1. 폴리펩타이드의자발적인붕괴 2. 비극성잔기의소수성상호작용의조정에의해집약된공모양의구조를만들게됨 3. 용융된공 (molten glubule)
2. 포개짐에관여하는효소나단백질 분자샤페론 (chaperon): - 부분적으로포개졌거나잘못포개진폴리펩타이드와상호작용 - 정확한포개짐의경로를선택하거나포개짐이일어나도록미세한환경을조절하는기능 - Hsp70, 분자량 70,000 (heat shock protein) - 소수성잔기가많아서부적절한응집을막는폴리펩타이드지역에결합 - 아직포개지지않은폴리펩타이드를보호하는기능 - 세포막을통하여이동되기전까지포개짐을억제하는기능. - 대장균에서얻은 DnaK(Hsp70) 과 DnaJ(Hsp40) - 샤페로닌 (chaperonin): 대장균에서 GroEL/GroES 라부르는샤페로닌체계가필요
그림 2-40.
그림 2-41. 단백질포개짐과정에서샤페론의역할
이성화반응을촉매하는두개의효소 1. 단백질 - 이황화 - 이성화효소 (protein disulfide isomerase, PDI) 는이황화결합의상호교환및뒤섞음을촉매시키는효소 PDI 는부적절한이황화결합의횡적인연결로얻어지는포개짐의중간체를제거하는반응의촉매를수행 2. 펩타이드프롤린시스 - 트렌스이성화효소 (peptide proline cis-trans isomerase, PPI) 프롤린펩타이드결합의시스와트렌스이성체를서로변화시키는촉매효소
3. 단백질의변성 삼차구조의파괴로생물학적인기능을상실 ( 온화한변성은가역적 ) 하게된상태 1. 용해도의감소 2. 내부구조의변화또는펩타이드사슬의붕괴와상관없이펩타이드사슬의배열의변형 3. 대칭성의감소로나선구조의상실 4. 화학반응성의증가 : 이온화, 설퍼하이드릴그룹 5. 단백질가수분해효소에의한가수분해가능성의증가 6. 원래의생물학적인기능의상실또는감소 7. 결정형성능력의상실
단백질의분리및취급할때변성이되지않도록주의해야할열가지의규칙 1. 이온의세기 : 용액의 ph 2. 온도 : 수소결합파괴 3. 용액의희석 : 친수성의증가 4. 금속이온 : 정전기적인상호작용 5. 수소결합의형성촉진제 : 요소또는포름알데하이드 6. 계면활성제 : 공기접촉시산화유발 7. 유기용매 : 소수성의상호작용 8. 산화및환원제 : 시스테인의이황화결합 9. 물리적인충격또는높은에너지 10. 반응성화합물 : 아미노산변형화합물