16. 생물학 개론, 생명체의 분자, 단백질(Protein)

목차

 

 

 

 16. 생물학 개론, 생명체의 분자, 단백질(Protein) 

 

 

단백질(Protein)

 

   단백질이 대단히 중요한 분자라는 것은 이미 잘 알려진 일이다. 탄수화물이 저장 양분과 구조성 분자로의 기능을 갖는다면 단백질은 이와 비슷한 역할을 하는 동시에 그 외에도 다른 중요한 기능을 가지고 있다. 예를 들어 어떤 단백질은 화의 전달체나 호르몬을 이루거나 혈액 내의 산소 운반 기능을 하기도 한다. 또 다른 단백질은 수축성이 있어 운동을 일으키기도 하며, 체내에 침입하는 미생물을 방어하는 항체도 단백질이다.

   단백질 중 가장 중요한 것은 생물체의 화학반응을 진행시키는 효소일 것이다. 효소의 역할은 이미 언급한 바 있지만 특히 세포 내 촉매물질로서 생물학적으로 활성이 있다는 것을 강조하고자 한다. 촉매물질이란 화학 활성을 증가시킬 수 있는 물질로, 이것이 없이는 반응이 전혀 불가능한 경우도 있다. 세포의 화학반응을 배워감에 따라 생명 현상에 관여하는 효소의 신기로운 세포 내 역할에 감탄을 금치 못할 것이다. 효소는 나중에 소개하기로 하고, 우선 단백질의 일반적인 성질을 파악해 보자.

   먼저, 무엇을 단백질이라고 하는가? 단백질은 한 개 또는 두 개 이상의 폴리펩티드(polypeptide)로 이루어진 고분자이다. 폴리펩티드란 펩티드결합을 통하여 아미노산이 쇄상으로 연결된 분자를 말하며, 펩티드 결합은 효소에 의한 탈수 과정을 거쳐 형성된다. 폴리펩티드의 길이는 경우에 따라 대단히 길어 종종 수백 개의 아미노산을 포함하기도 한다. 아주 작은 경우로는 두 개의 아미노산으로 이루어진 디펩티드(dipeptide)를 들 수 있으며, 사슬의 길이가 짧은 경우 펩티드라고 부르기도 한다.

   폴리펩티드와 단백질의 구분은 때때로 불분명할 때도 있다. 대부분의 단백질은 보통 두 개 이상의 폴리펩티드로 되어 있고 생물학적인 기능을 나타내며 독특한 형태를 가지나 폴리펩티드도 활성을 나타내고 형태를 갖추기도 한다. 우선 여기에서는 폴리펩티드를 아미노산으로 이루어진 단순한 사슬로 간주하자.

   단백질은 분자량의 범위가 대단히 넓어 인슐린(insulin)의 경우 5700(55개의 아미노산)이나 어떤 효소는 700~800만(7~8만 개의 아미노산)의 분자량을 갖기도 한다. 그럼 단백질의 소단위 체인 아미노산을 살펴보자.

 

   아미노산(Amino Acid)

   아미노산은 단백질의 구성단위이다. 세포 내 단백질에서 발견되는 아미노산은 20가지이며, 이들 아미노산이 가지는 독특한 성질에 의하여 단백질의 구조와 기능이 결정된다. 단백질의 다양성에 비추어 20개의 아미노산이 적은 수로 생각될지도 모르나 이 글을 쓰는 데 사용된 모든 글자가 모두 합해 24개밖에 안 되는 모음과 자음으로 되어 있음을 기억할 필요가 있다. 실제로 아미노산류에 속하는 물질은 20가지보다 많으나 이들 이외의 아미노산은 20개의 1차 아미노산에서 유래한 2차 아미노산들이다.

 

아미노산의 분자 구조

 

   모든 아미노산의 기본 골격 구조는 중앙 탄소 또는 알파 탄소 아미노기(NH), 카르복시기(COOH) 및 곁가지인 R기(R group)가 결합된 형태이다. 위의 그림은 아미노산의 분자 구조, 이온화된 상태 및 입체 모형이다. 아미노산은 정상적인 생리적 조건에서 쉽게 이온화되는데, 이 경우 카르복시기는 양성자를 잃고(산의 성질), 아미노기는 양성자를 얻어(염기의 성질) 이온 상태에서 아미노산은 음전하 및 양전하를 모두 갖는다.

   20개의 아미노산을 구별해 주는 부분은 R 기이다. 이들 R기의 성질에 따라 아미노산을 배열한 것으로, 여기에서는 특히 극성의 유무 및 전하의 존재 유무를 강조하고 있다. 곁가지의 극성은 결국 물과 수소결합이 이루어질 수 있는 경향을 의미한다. 만약 R기가 이온화되면 전하를 띠게 되는데, 바로 이와 같은 성질이 특히 생물학자들에게는 흥미 있는 점이다. 세포가 거의 물로 이루어져 있다는 사실을 기억하라.

   아미노산의 첫 번째 그룹은 비극성, 비전하성을 띤 8개의 아미노산이다. 이들 아미노산의 R 기는 주로 탄화수소로 되어 있어서 수소결합을 만들거나, 이온화할 가능성이 없으므로 세포 내의 생리적인 조건하에서 이들끼리 모여 밀집된 덩어리를 형성한다.

   7개의 아미노산으로 이루어진 두 번째 그룹의 아미노산들은 극성 R 기를 가지나, 이들이 이온화하지 않으므로 전하를 갖지 않는다. 이 극성 R기들은 물과 수소결합을 이루므로 여기에 속하는 아미노산들은 친수성을 띠며, 이들 아미노산은 비극성 아미노산에 비하여 물에 대한 용해도가 높다.

   나머지 5개 아미노산의 R기들은 수용액 상태에서 이온화하므로 양전하 또는 음전하를 띤다. 특히 아르기닌, 히스티딘, 리신의 R기들은 아미노기를 포함하고 있어 이들 아미노산은 한 분자 내에 두 개의 아미노기를 갖는다(한 개는 알파 탄소에, 또 한 개는 R기에). 이 때문에 두 번째 아미노기가 이온화할 때 양성자를 포획하여 양전하를 띠게 된다. R기가 전하를 갖는 나머지 두 개의 아미노산은 아스파르트산(aspartic acid)과 글루탐산(glutamic acid)인데, 이들은 R기에 카르복시기를 포함하고 있어 이온화하면 양성자를 잃어 음전하를 띤다.

   극성 아미노산의 하나이지만 비전하성 아미노산인 시스테인은 독특한 성질을 갖는다. 이 아미노산은 설프히드릴기(sulfhydryl group, -SH)를 갖는데, 어떤 조건하에서는 이웃하는 시스테인 -SH 간에 공유결합이 생겨 디설피드 결합(disailde linkage)을 이루기도 한다.

 

R1 - SH + HS - R2 → R1 - S - S - R2

 

   위에서 보여 주고 있는 디설피드 결합(-S-S-)이 단백질의 구조에 얼마나 중요한가는 곧 배우게 될 것이다.

 

   폴리펩티드와 단백질

 

펩티드 결합의 형성

 

   폴리펩티드는 아미노산의 카르복시기가 다음 아미노산의 아미노기와 탈수 결합에 의하여 연결되고, 이 두 번째 아미노산의 카르복시기는 세 번째 아미노산의 아미노기와 탈수 결합을 이루면서 형성된 것이다. 이와 같은 카르복시-아미노 결합을 펩티드 결합(peptide bond)이라고 하며, 폴리펩티드는 그 분자 구조상 한쪽 끝에 아미노 말단 또는 N-터미널(첫 번째 아미노산의)을 다른 쪽 끝에 카르복시 말단 또는 C-터미널 갖는다. 폴리펩티드의 구조는 관례상 왼쪽 끝에 아미노 말단을, 오른쪽 끝에 카르복시 말단을 표시한다.

 

   단백질 체제의 수준(Levels of Protein Organization)

   단백질은 그 체제의 수준을 세 가지 또는 네 가지로 나누어 생각해 볼 수 있는데, 대부분의 경우 적어도 세 가지의 체제 수준을 가졌다고 말할 수 있다. 그중 1차 수준은 폴리펩티드를 이루는 아미노산들의 수, 종류, 연결된 순서에 따라 결정된다. 앞으로 소개되겠지만, 아미노산의 순서(amino acid sequence)는 유전적으로 결정되기 때문에, 각 단백질은 독특한 아미노산의 수와 배열 방식을 나타낸다.

   단백질의 2차 수준은 폴리펩티드가 합성되는 즉시 자연적으로 이루어지는데 폴리펩티드들이 알파나선 (alpha helix; 우회전성 코일)이라고 불리는 코일 형태를 이룬 것이다. 폴리펩티드에서 이 같은 코일 구조가 가능한 것은 각 아미노산의 알파 탄소에 연결되어 있는 탄소나 질소 결합이 유연하여 회전이 가능하기 때문이다. 실제로 코일이 만들어지는 것은 폴리펩티드 내에서 이루어지는 수소결합 때문이다. 수소결합은 이중결합을 한 산소와 -NH기 사이에서 형성된다. 각 아미노산이 수소결합에 참여하지만 실제 결합 인력은 한 아미노산의 산소와 그로부터 4위치(4개의 아미노산) 떨어져 있는 아미노산의 -NH기 사이에 작용하게 된다. 알파 나선 속의 수소결합 하나하나는 대단히 약하지만 수많은 수소결합에 의하여 폴리펩티드는 상당한 안정성을 갖는다.

   알파나선 구조 외의 또 다른 종류의 2차 구조는 지그재그형 접힘인데 베타판(beta sheet)이라고 불리기도 한다. 이 경우 폴리펩티드는 코일을 이루지는 않고 펼쳐진 형태를 띠는데, 이와 같은 구조는 이웃하는 폴리펩티드 간의 수소결합에  의한다. 알파 나선에서와 같이 이중결합을 한 산소와 =NH 사이에 수소결합이 생기는데, 폴리펩티드가 나란히 배열되면 접힌 판(병풍 구조)의 구조를 하여 베타 병풍 구조(beta pleated sheet)라고 불린다. 베타판은 실크와 같은 구조 단백질에서 나타나며, 많은 단백질에서는 이 구조가 체제상의 최종 수준이 되기도 한다.

   단백질의 3차 수준은 폴리펩티드가 고도의 특이성을 갖고 접힘으로써 이루어진다. 즉, 폴리펩티드에 연결된 여러 가지 R기가 인력으로 인해 다시 구부러지거나 접히면서 3차 체제를 이루는 것이다. 아미노산의 R 기는 각기 독특한 결합 특성을 가지고 있으므로 각 단백질의 3차 체제는 대단히 독특하다.

   이와 같은 단백질의 접힘을 가져오는 요인으로는 네 가지가 있다. 첫째는 이웃하는 극성 R기들이 서로 수소결합을 하는 경우로 -OH와 -N기 사이에 이루어진다. 둘째는 이온 인력(ionic attraction)으로 반대 전하를 띤 R기 사이에 작용하는 인력인데, 어떤 아미노산들은 R기에 여분의 산성 또는 아미노기를 가지고 있어 이들이 pH에 따라 음전하 또는 양전하를 가질 수 있음을 기억할 필요가 있다. 세 번째는 비극성 아미노산의 경우로 이들이 가까이 있게 되면 소수성 상호 작용이 일어나 서로 뭉치면서 물을 배척하게 된다. 위에 언급한 인력 하나하나는 대단히 미약하나 이것이 폴리펩티드 전체에서 반복되어 나타나면 대단히 큰 영향력을 갖는다.

   네 번째 상호작용은 공유결합으로서 이것은 결합력이 매우 강하다. 공유결합은 가까이 존재하는 두 개의 시스테인의 -SH기가 수소를 잃고 디설피드 결합(-S-S-)을 함으로써 형성된다. 물론 시스테인을 갖지 않은 폴리펩티드의 경우 다른 형태의 분자 간 인력에 의해 3차 구조를 이루게 된다. 파마약은 머리카락 단백질인 케라틴(keratin)의 디설피드 결합과 직접적인 관계가 있는 것으로 이 화학 물질에는 케라틴의 디설피드 결합을 끊어주는 물질이 있어 케라틴 분자를 완전히 펴는 작용을 한다. 그리고 두 번째 약에는 디설피드 결합을 새로이 형성케 해 주는 물질이 들어 있어 만일 적절한 곳에 이러한 결합이 형성된다면 보기 좋은 머리 모양을 만들게 될 것이다.

   단백질의 3차 구조와 접힘을 또 다른 관점에서 보면 폴리펩티드의 구부러짐이나 접힘은 실제로 알파 나선이 형성되지 않은 유연한 연결부위(flexible linker region)에서 일어나게 되는데, 이와 같은 부위에는 흔히 프롤린(proline)이 위치한 다. 이 아미노산은 독특한 환상의 아미노기를 가지고 있어 나선이 형성되지 못한다. 이러한 연결 부위에 의해서 폴리펩티드의 특정 부위가 서로 가까이 위치할 수 있다. 한 개의 폴리펩티드로 이루어진 단백질의 경우 3차 수준이 최종 체제인 셈이다.

   어떤 구형 단백질(globular protein)은 4차 수준(quatermary level)을 이루고 있다. 이 수준에서는 두 개 이상의 폴리펩티드가 결합하여 단백질을 이룬다. 이와 같은 이유 때문에 4차 단백질은 대단히 큰 분자이다. 이러한 분자 중에는

산소 운반 혈액 단백질인 헤모글로빈(hemoglobin)이 있다. 이 단백질은 2쌍의 폴리펩티드가 3차 구조에서 소개한 바 있는 아미노산간의 인력에 의하여 결합한 것이다. 이 두 쌍의 폴리펩티드는 알파와 베타(알파 나선 및 베타 판구조와는 관계없음)로 불리며 산소를 운반하는 역할을 하는 4개의 헴기(heme group)를 가지고 있다. 

   위에서 충분히 소개한 바와 같이 각 단백질은 특유의 3차원적인 형태를 하고 있고 이 형태가 단백질의 기능과 밀접한 관계를 나타낸다. 그러나 이와 같은 분자 형태와 기능은 변성(denaturation)에 의해 쉽게 없어지기도 한다. 변성을 일으키는 중요한 요인 중의 하나는 열(heat)인데, 열에 의하여 어떠한 결합은 파괴되고 새로운 결합이 무작위적으로 생기며 이와 같은 현상은 비가역적인 것이 특징이다. 열을 가하여 ‘프라이’된 계란을 원래 상태로 되돌이킬 수 없는 것이 바로 이러한 이유이다. 다른 변성 요인으로 강한 산 또는 알칼리 및 그 외 화학물질들이 있다. 저온에 의해서 단백질이 변성되기도 하며 동물체에서 노폐물로 배설되는 요소(urea)도 변성을 일으킬 수 있는 물질이다. 그러나 위와 같은 물질에 의한 변성 효과는 일시적이며 가역적으로 단백질의 형태와 기능은 본래대로 되돌아올 수도 있다.

 

   복합 단백질과 보결 분자단

 

헴기, heme group

 

   아미노산만으로 이루어진 폴리펩티드가 단백질을 이룬 경우 이를 단순 단백질 (simple protein)이라고 하며, 아미노산 이외의 물질이 공유결합 또는 다른 형태의 결합을 통하여 폴리펩티드에 결합되어 이루어진 경우는 복합 단백질(conjugated protein)이라고 한다. 이와 같은 아미노산 이외의 부분을 보결 분자단(prosthetic group ; 예를 들어 목발이나 돋보기 등을 prosthesis라고 부르는 것과 같은 의미임)이라고 한다. 복합 단백질에는 당단백질(glycoprotein ; 이 경우 보결 분자단은 탄수화물), 색소 단백질(chromoprotein ; chromo는 색깔을 의미. 그러므로 이 경우 보결 분자단은 색소임), 지질 단백질(lipoprotein ; 보결 분자단은 지용성 물질임) 등이 있다. 또한 헤모글로빈 분자도 복합 단백질 중의 하나로 보결분자단으로서 철 원자를 포함하는 헴기(heme group)를 갖는다. 이 경우 헴은 진한 색소를 띠고 있으므로 헤모글로빈은 일종의 색소 단백질이지만 색깔 자체는 헤모글로빈의 기능과 하등의 관계가 없으며 혈액의 붉은색은 우연한 현상이다.

   단백질의 보결분자단은 흔히 그 단백질의 기능을 결정한다. 많은 효소의 촉매 기능은 효소에 부착된 비교적 작은 분자의 보결 분자단인 보조인자(cofactor)에 의한 것이다. 이 경우 보조인자 자체나 효소의 나머지 부분은 독립적으로는 촉매 기능이 전혀 없다. 보결 분자단은 단순한 금속일 경우도 있으나 어떤 것들은 비타민으로 이루어져 있다.

 

   결합 단백질(Binding Protein)

 

헴기와 헤모글로빈

 

   위에 소개한 바와 같이, 단백질은 효소나 구조적 물질 이외에 다양한 기능을 갖는데, 이러한 기능은 단백질 자체가 이루는 독특한 구조나 형태와 관련 있다. 이와 같은 독특한 구조나 형태가 다른 물질과의 결합을 가능하게 해 주기 때문이 다. 예를 들어 헤모글로빈은 폐에서 산소와 결합한 후 산소를 필요로 하는 조직에다 이를 내려놓고, 다시 탄산가스와 결합한 후 반대로 이를 폐에서 유리시킨다. 이외의 결합 단백질로는 철과 결합하는 '트랜스페린(transferrin)’과 헤모글로빈과 결합하는 ‘합토글로빈(haptoglobin)’이 있으며, 계란 흰자는 중요한 비타민의 하나인 비오틴(biotin)과 결합하는 아비딘(avidin)이 있어 계란에 침범한 곰팡이는 비오틴 결핍에 의하여 죽게 된다.

   단백질의 또 다른 중요 기능으로는 항체의 일부로서 다른 분자들과 결합하는 기능을 들 수 있다. 외부에서 유래하는 이물질이나 분자를 불활성화 또는 파괴시키기 위하여 백혈구에서 단백질이 합성되기도 한다.

   이외에도 배 발생 시 결합 단백질의 상호작용을 통하여 각 세포들이 이웃하는 세포들을 인식할 수 있다는 증거도 있다. 또한 세포 표면의 결합 단백질은 우리로 하여금 냄새를 맡고 맛을 인식하게 해 준다.

 

   구조 단백질(Structural Protein)

   구조 단백질은 생물체의 물리적인 형태를 유지하는데 중요하다. 이들 단백질은 세포 내 단백질(intracellular protein)인 경우도 있지만 세포외 단백질(extracellular protein) 일 수도 있다. 척추동물의 경우, 흔한 세포외 단백질로써 콜라겐(collagen), 엘라스틴(elastin) 및 케라틴(keratin)을 들 수 있다. 이들은 긴 섬유성 분자로 여러 개가 모여 커다란 섬유를 이룬다. 콜라겐은 힘줄, 인대, 근육의 외피 등과 같은 결체 조직의 주성분이며 사람의 경우 전체 단백질의 약 25%를 이룬다.

   엘라스틴은 신축성이 강한 것에서 유래한 명칭으로, 이 섬유에 의하여 결체 조직이 수축성을 갖는데 귀 조직이나 피부 등의 신축성이 그 예이다. 귀에는 특히 엘라스틴이 많아 귀를 잡아당기더라도 놓으면 즉시 원형태로 돌아간다. 피부를 잡아당기는 것으로 나이를 짐작할 수도 있는데, 예를 들어 피부를 잡아당겼다가 놓았을 때 바로 수축되어 돌아가면 아직 젊다는 것이고, 그렇지 않으면 늙었음을 의미한다. 이것은 피부의 엘라스틴이 신축성을 잃었기 때문이며 늙으면 누구나 생기게 되는 눈밑 혹은 얼굴, 목의 주름은 모두 같은 이유이다.

   케라틴은 피부 외층, 새의 깃털 및 발가락, 손톱, 뿔 및 비늘 등을 이루는 단백질로 콜라겐이나 엘라스틴과는 달리 세포 내 단백질이다.