단백질의 구조

단백질에 대한 화학적·생물학적 연구는 오래 전부터 이루어져 왔으나, 그 구조와 기능의 복잡성으로 인하여 비교적 최근에 와서 상세한 구조와 기능이 밝혀지기 시작하였다.

분자량은 5000~수억에 이른다. 분자량은 초원심분리기를 사용하여 침강계수에 따라 결정하거나 겔여과법(gel filtration), SDS-겔전기영동법으로 측정한다. 그 구성은 50% 정도의 탄소와 이 외에 산소, 질소, 수소, 황 및 미량의 회분으로 이루어져 있다. 일반적인 구조식은 RCH(NH₂)COOH이며 아미노산의 펩티드 결합에 의하여 연결되어 사슬을 형성한다. 아미노산 서열의 양끝을 N-말단과 C-말단이라고 하며, N-말단과 C-말단은 그 끝단에 각각 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)를 갖는다.

단백질을 구성하는 아미노산에는 20종이 존재하며 단백질의 종류는 이 20종의 아미노산이 몇 개, 그리고 어떤 순서로 연결되느냐에 따라 달라진다. 단백질의 구조는 1차·2차·3차·4차로 나누어진다. 20종의 아미노산이 수십 개 또는 수백 개가 펩티드 결합에 의하여 연결될 때 그 연결순서에는 무한히 많은 종류가 있을 수 있으므로, 단백질의 종류도 무수히 많을 수 있다.

단백질에서 이 아미노산의 배열순서를 1차구조라고 한다. 1차구조는 1955년 영국의 생어(Frederick Sanger)가 51개의 아미노산으로 이루어진 인슐린의 배열을 결정함으로써 확립되었다. 이 1차구조에 의하여 형성된 단백질 분자는 그 구성아미노산의 분자구조로 인하여 일정한 각도로 구부러지고 꼬여 특정형태를 갖추게 된다. 이 형태를 단백질의 2차구조라고 한다.

2차구조의 하나는 알파(α)나선 구조이다. 이것은 길다란 단백질 분자의 사슬이 나선형으로 꼬여 있는 것으로, 3.6개의 아미노산 분자가 나선의 한 바퀴를 돌게 된다. 즉. 10바퀴는 36개의 아미노산으로 구성된다. 이 나선에서 한 아미노산과 바로 다음 아미노산 사이의 수직거리는 0.15nm(1nm = 1×10^-9m)이며, 나선 한 바퀴의 수직거리는 0.54nm이다. 그리고 한 아미노산은 4개 아래의 아미노산과 (水素結合)으로 연결된다. 이 수소결합은 매우 약한 결합이지만 알파나선을 구성하는 모든 아미노산이 이 수소결합으로 서로 결합되어 있으므로 알파나선은 대단히 안정된 구조이다.

사람의 모발이나 손톱을 구성하는 단백질인 케라틴(keratin)이 이러한 구조를 가지고 있다. 그밖에도 많은 단백질이 그 구조의 일부에 알파나선구조로 되어 있다. 2차구조의 또 다른 하나는 병풍구조이다. 이는 사슬과 같이 긴 단백질 분자가 일정한 각도로 꺾여 좁은 종이를 접어 늘인 모양을 하고, 이런 사슬이 여러 개 서로 평행으로 늘어서서 각 사슬의 아미노산이 곁에 있는 다른 사슬의 아미노산과 수소결합을 형성한 구조이다. 이 구조는 전체적으로 보아 마치 반쯤 접어 놓은 병풍과 같은 모양이라 하여 병풍구조라고 부르며, 베타구조(β-structure:pleated sheet structure)라고도 한다.

2차구조는 1951년 미국의 폴링(Linus Pauling)이 처음으로 제안하였다. 명주실의 주성분인 피브로인(fibroin)이라는 단백질이 이 구조의 전형적인 예이다. 2차구조는 위에서 예를 든 알파와 베타의 두 구조처럼 규칙성이 있는 것도 있지만, 아무런 규칙성도 없이 아무렇게나 꼬여 있는 경우도 있다. 단백질 분자가 어떤 2차구조를 가지는가 하는 것은 전적으로 그 구성아미노산의 배열순서, 즉 1차구조에 의하여 결정된다.

2차구조를 가진 단백질은 다시 공간적으로 꼬이고 구부러지고 또 접혀서 특정 입체구조를 가지게 되는데, 이것을 3차구조라고 한다. 이때 폴리펩티드 사슬(polypeptide chain)이 접히는 과정을 단백질 접힘(protein folding)이라 한다. 자연에서 3차구조는 아미노산의 곁사슬 사이의 여러 비공유결합에 의한 소수성결합, 수소결합, 정전기적 인력, 이황화(-S-S-)결합에 의하여 알파나선구조나 베타병풍구조 등의 2차구조를 갖는 부분이 불규칙한 구조를 갖는 부분을 통하여 접혀 일정한 배치를 형성하며 생성된다. 세포의 원형질 속에 들어 있는 대부분의 효소들이 이 3차구조로 대부분 구형(球形)을 이룬다. 단백질이 갖는 특이적인 반응들은 그 분자 특유의 입체구조에 따른 것이다.

3차구조를 가진 단백질 분자들이 둘 또는 그 이상 모여서 하나의 집합체를 구성하여 그 집합체가 비로소 어떤 특정 생물학적 기능을 나타내는 경우가 있다. 이때 이 집합체는 4차구조를 가졌다고 한다. 이 집합체에서 개개의 구성 분자를 서브유닛(subunit)이라 하고, 서브유닛 4개가 모여 있으면 사중체(四重體)라고 한다. 사중체의 대표적인 예로서는 척추동물의 적혈구 속에 들어 있는 단백질로서 산소 운반 역할을 하는 (hemoglobin)을 들 수 있다. 이것은 알파서브유닛 2개와 베타서브유닛 2개가 결합하여 사중체를 형성한 경우이다. 4차구조 또한 3차구조와 같은 종류의 힘에 의하여 유지된다.