단백질의 1차 구조

3. 표기법

단백질의 아미노산 서열은 N 말단에서 C 말단 순서로 표기하며, 20가지 표준 아미노산과 일부 변형 아미노산은 한 글자 또는 세 글자 약어로 나타낸다.^[8][9][10] 펩타이드 서열은 직접 분석하거나 DNA 서열로부터 추론할 수 있으며, 알려진 단백질 서열을 모아놓은 대규모 서열 데이터베이스가 존재한다.

22개의 아미노산과 모호한 아미노산의 표기법은 아래 표와 같다.

3. 1. 표준 아미노산

3. 2. 모호한 아미노산

4. 변형

폴리펩타이드는 비분지형 중합체이지만, 단백질은 이황화 결합으로 가교 결합될 수 있다. 1차 구조는 가교 결합 원자를 지정해야 하는데, 예를 들어 단백질의 이황화 결합에 관여하는 시스테인을 지정한다. 다른 가교 결합으로는 데스모신이 있다.

번역 후 변형(Post-translational modification)은 단백질의 기능, 위치, 상호작용 등을 조절하는 중요한 과정이다.

4. 1. 이성질화

4. 2. 번역 후 변형

• N-말단 변형: 아세틸화, 포르밀화, 파이로글루탐산 형성, 미리스토일화
• C-말단 변형: 아미노화, 글리코실포스파티딜이노시톨(GPI) 부착
• 곁사슬 변형: 인산화, 당화, 탈아미드화, 하이드록시화, 메틸화, 아세틸화, 황화, 프레닐화, 팔미토일화, 카복실화, ADP-리보실화, 유비퀴틴화, SUMO화

4. 2. 1. N-말단 변형

• '''아세틸화''' $\backslash mathrm\{-C(=O)-CH\_\{3\}\}$

• '''포르밀화''' $\backslash mathrm\{-C(=O)H\}$

• '''파이로글루탐산(Pyroglutamate)'''

• '''미리스토일화''' $\backslash mathrm\{-C(=O)-\backslash left(CH\_\{2\}\backslash right)\_\{12\}-CH\_\{3\}\}$

4. 2. 2. C-말단 변형

4. 2. 3. 곁사슬 변형

• 인산화: 단백질의 가장 중요한 화학적 변형 중 하나이다. 인산기가 세린, 트레오닌, 티로신 잔기의 곁사슬 하이드록시기에 부착되어 음전하를 띠고 비천연 아미노산을 생성한다. 이 반응은 인산화 효소에 의해 촉매되며, 역반응은 인산가수분해효소에 의해 촉매된다. 인산화된 티로신은 단백질 간 결합 도구로 작용하며, 세린/트레오닌 인산화는 음전하로 인해 구조적 변화를 유도한다.

• 당화: 당 Moiety가 세린/트레오닌의 곁사슬 하이드록시기 또는 아스파라긴의 곁사슬 아미노기에 부착된다. 용해도 증가, 복잡한 인식 등 다양한 기능을 수행한다.

• 탈아미드화: 아스파라긴 또는 아스파르트산 곁사슬이 다음 펩타이드 결합을 공격하여 석신이미드 중간체를 형성한다. 이 중간체의 가수분해는 아스파르트산 또는 β-아미노산, 이소(Asp)를 생성한다.

• 하이드록시화: 프롤린 잔기는 두 원자 중 하나에서, 라이신은 한 원자에서 하이드록시화될 수 있다. 하이드록시프롤린은 콜라겐 안정화에 중요 역할을 한다.

• 메틸화: 라이신과 아르기닌의 양전하 잔기들이 메틸화될 수 있다. 아르기닌 잔기는 핵산 인산 골격과 상호작용하며, 라이신 잔기는 단일, 이중, 삼중 메틸화될 수 있다. 메틸화는 곁사슬 양전하를 변화시키지 않는다.

• 아세틸화: 라이신 아미노기의 아세틸화는 N-말단 아세틸화와 화학적으로 유사하며, 단백질의 핵산 결합 조절에 사용된다.

• 황화: 티로신 잔기는 황화될 수 있으며, 골지체에서 발생한다. 황화 티로신은 세포 표면 케모카인 수용체 등 특정 인식에 사용된다.

• 프레닐화 및 팔미토일화: 소수성 이소프렌 및 팔미토일기는 시스테인 잔기에 추가되어 단백질을 세포막에 고정시킨다.

• 카복실화: 글루탐산 곁사슬에 추가 카복실산기를 부착하여 Gla 잔기를 생성, 칼슘 등 금속 이온 결합을 강화한다.

• ADP-리보실화: 큰 ADP-리보실기는 단백질 내 여러 유형 곁사슬로 전달, 이질적 효과를 가진다.

• 유비퀴틴화 및 SUMO화: 다양한 단백질이 C-말단에서 다른 단백질 라이신 곁사슬 암모늄기에 부착될 수 있다. 유비퀴틴은 단백질 분해 신호를 보낸다.

4. 3. 분열 및 결찰

• 단순한 가수 분해는 치환된 아미노기가 새로운 N 말단이 되는 폴리펩타이드 사슬을 분할한다. 이는 글리코실아스파라기나제의 성숙에서 볼 수 있다.^[1]
• β-제거 반응 역시 사슬을 분할하지만, 새로운 N 말단에서 피루보일 그룹이 생성된다. 이 피루보일 그룹은 일부 효소, 특히 S-아데노실메티오닌 탈카르복실화 효소와 같은 탈카르복실화 효소에서 공유 결합된 촉매 보조 인자로 사용될 수 있다.^[1]
• 분자 내 트랜스에스테르화는 ''분지된'' 폴리펩타이드가 생성된다. 인테인에서 새로운 에스터 결합은 곧 C 말단 아스파라긴에 의한 분자 내 공격으로 끊어진다.^[1]
• 분자 간 트랜스에스테르화는 한 폴리펩타이드에서 다른 폴리펩타이드로 전체 세그먼트를 전송할 수 있으며, 이는 헤지호그 단백질 자체 처리에서 볼 수 있다.^[1]

5. 2차 및 3차 구조와의 관계

생물학적 중합체의 1차 구조는 대부분 3차원 형태(3차 구조)를 결정한다. 단백질 서열은 2차 구조의 세그먼트 또는 막 관통 영역과 같은 국소 특징을 예측하는 데 사용될 수 있다. 그러나 단백질 접힘의 복잡성은 현재 그 서열만으로 단백질의 3차 구조를 예측하는 것을 어렵게 한다. 유사한 서열 상동성(예: 동일한 단백질 계열의 구성원)의 구조를 알면 상동성 모델링에 의해 3차 구조를 매우 정확하게 예측할 수 있다.

6. 역사

단백질이 α-아미노산의 선형 사슬이라는 주장은 1902년 카를스바트에서 열린 제74차 독일 과학자 및 의사 협회 회의에서 두 과학자에 의해 거의 동시에 제기되었다. 프란츠 호프마이스터는 단백질의 뷰렛 반응 관찰을 바탕으로 오전에 이 주장을 제기했고, 몇 시간 후 에밀 피셔가 펩타이드 결합 모델을 뒷받침하는 풍부한 화학적 세부 정보를 제시했다. 1882년 프랑스 화학자 E. 그리마우에 의해 단백질이 아미드 결합을 포함한다는 주장이 처음 제기되었다.^[6]

이러한 데이터와 단백질을 프로테아제로 소화하면 올리고펩타이드만 생성된다는 후기 증거에도 불구하고, 단백질이 아미노산의 선형, 비분지 중합체라는 생각은 즉시 받아들여지지 않았다. 윌리엄 애스버리와 같은 일부 과학자들은 공유 결합이 그렇게 긴 분자를 함께 유지할 만큼 강하지 않다고 의심했다. 그들은 열적 교반이 그러한 긴 분자를 파괴할 것이라고 우려했다. 헤르만 슈타우딩거는 고무가 거대분자로 구성되어 있다고 주장했을 때 1920년대에 유사한 편견에 직면했다.^[6]

따라서 여러 가지 대체 가설이 등장했다. '''콜로이드 단백질 가설'''은 단백질이 더 작은 분자의 콜로이드 집합체라고 주장했다. 이 가설은 테오도르 스베드베르크의 초원심분리 측정으로 단백질이 잘 정의되고 재현 가능한 분자량을 가지고 있다는 것과, 아르네 티셀리우스의 전기 영동 측정으로 단백질이 단일 분자임이 밝혀지면서 1920년대에 반증되었다. 두 번째 가설인 사이클롤 가설은 도로시 린치에 의해 제시되었으며, 선형 폴리펩타이드가 C=O + HN $\backslash rightarrow$ C(OH)-N의 화학적 사이클롤 재배열을 거쳐 골격 아미드기를 가교하여 2차원 "직물"을 형성한다고 제안했다. 에밀 아브데르할덴의 '''디케토피페라진 모델'''과 1942년 트로엔스고르드의 '''피롤/피페리딘 모델'''과 같이 단백질의 다른 1차 구조가 다양한 연구자들에 의해 제안되었다. 이러한 대체 모델들은 프레더릭 생어가 인슐린의 서열을 성공적으로 분석하고, 막스 페루츠와 존 켄드루가 미오글로빈과 헤모글로빈의 결정 구조를 결정함으로써 최종적으로 반증되었다.

7. 다른 분자의 1차 구조

단백질 외에 RNA, DNA, 다당류와 같은 다른 생물학적 중합체도 1차 구조를 갖는 것으로 간주될 수 있다. 그러나 이는 단백질에 대한 용어 사용에 비해 드물게 사용된다. RNA는 광범위한 2차 구조를 가지며, 염기의 선형 사슬은 DNA에서와 마찬가지로 일반적으로 서열로 지칭된다.

참조

_[1] 서적 Advances in Protein Chemistry
_[2] 학술지 Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains 2002-02-20
_[3] 학술지 A One-Letter Notation for Amino Acid Sequences* 1968-07-01
_[4] 서적 The cell: a molecular approach ASM Press
_[5] 학술지 AC2: An Efficient Protein Sequence Compression Tool Using Artificial Neural Networks and Cache-Hash Models 2021-04
_[6] 학술지 Early theories of protein structure 1979-05
_[7] 서적 인용 The arrangement of amino acids in proteins
_[8] 서적 인용 The arrangement of amino acids in proteins
_[9] 저널 인용 Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains 2002-02-20
_[10] 저널 인용 A One-Letter Notation for Amino Acid Sequences* 1968-07-01
_[11] 서적 인용 The cell: a molecular approach ASM Press