막관통 단백질

3. 토폴로지에 따른 분류

막관통 단백질은 막을 관통하는 횟수와 N-말단과 C-말단이 지질 이중층의 서로 다른 쪽에 위치하는 것을 기준으로 분류할 수 있다. 이러한 분류는 단백질이 소포체(ER) 막을 통과해야 하는 전위 및 ER-결합 번역 시에 특히 뚜렷하게 나타난다.^[9] I형 및 II형 막관통 단백질은 최종적으로 토폴로지가 반전되는데, I형 단백질은 N-말단이 세포 바깥쪽에, C-말단이 세포질 쪽에 있는 반면, II형 단백질은 C-말단이 세포 바깥쪽에, N-말단이 세포질 쪽에 있다. 그러나 최종 토폴로지만이 막관통 단백질 그룹을 정의하는 유일한 기준은 아니며, 막관통 도메인의 위치와 조립 메커니즘 또한 분류에 고려된다.^[10]

3. 1. 단일 통과(Single-pass) 막관통 단백질

3. 2. 다중 통과(Multi-pass) 막관통 단백질

4. 3차원 구조

X선 결정학, 전자 현미경, NMR 분광법으로 막단백질 구조를 결정할 수 있다.^[11] 막관통 나선 다발과 베타 배럴은 이러한 단백질에서 가장 흔한 3차 구조이다. 환형 지질 쉘에서 볼 수 있듯이, 지질 이중층에 부착된 막단백질 부분은 대부분 소수성 아미노산으로 구성된다.^[12]

상대적으로 유연하고 소수성 표면을 가지며 낮은 수준으로 발현되는 막단백질은 충분한 단백질을 얻고 결정을 성장시키는 것이 어렵다. 따라서 막단백질이 기능적으로 매우 중요함에도 불구하고, 구상 단백질보다 원자 해상도 구조를 결정하기가 더 어렵다.^[13] 2013년 1월 기준으로 전체 프로테옴의 20~30%를 막단백질이 차지하지만, 결정된 단백질 구조 중 막단백질은 0.1% 미만이었다.^[14] 이러한 어려움과 막단백질의 중요성 때문에 소수성 도표, 양성 내부 규칙 등 여러 방법을 기반으로 하는 단백질 구조 예측 방법이 개발되었다.^[15][16][17]

5. 안정성 및 폴딩

막관통형 α 나선 단백질은 막 내에서 완전히 '''언폴딩'''(unfolding; 펼침)되지 않기 때문에, 열 변성 연구를 통해 판단하면 매우 안정적이다. 하지만, 이러한 단백질은 막 내에서의 비자연적 응집, Molten globule|용융 글로불^영어 상태로의 이동, 비자연적 이황화 결합 형성, 또는 국소적으로 불안정한 주변 영역이나 비규칙적인 루프의 언폴딩 때문에 쉽게 '''미스폴딩'''(misfold; 잘못된 접힘)될 수 있다.

계면활성제 미셀 내의 막 단백질의 언폴드 상태는 열 변성 실험의 상태와 다르다. 이 상태는 접힌 소수성 α 나선과 계면활성제로 덮인 부분적으로 접히지 않은 세그먼트의 조합을 나타낸다. 예를 들어, 라우릴 황산 나트륨(SDS) 미셀 내의 「언폴드」된 세균 로돕신은 4개의 막관통형 α 나선이 접혀 있지만, 단백질의 나머지 부분은 미셀과 물의 계면에 위치하며, 다양한 유형의 비자연적 양친매성 구조를 취할 수 있다. 이러한 계면활성제 변성 상태와 네이티브 상태 사이의 자유 에너지 차이는 수용성 단백질의 안정성(10kcal/mol 미만)과 유사하다.

β 배럴 막관통형 단백질의 안정성은 화학적 변성 연구에 기초한 수용성 단백질의 안정성과 유사하다. β 배럴 막관통형 단백질 중에는 카오트로픽 시약이나 고온에서도 매우 안정적인 것이 있다. 이들의 생체 내(in vivo) 폴딩은 Skp와 같은 수용성 샤페론에 의해 촉진된다. 또한, β 배럴 막 단백질은 진화 과정에서 시트의 수가 증가하거나 2배가 되어도 같은 조상에서 유래한 것으로 생각된다. 몇몇 연구에서는 다른 생물 간의 거대한 서열 보존과 구조를 유지하고 폴딩을 돕는 아미노산도 보존되어 있다는 것이 밝혀졌다^[37]。

5. 1. 알파-나선 막관통 단백질

5. 2. 베타-배럴 막관통 단백질

6. 막관통 단백질의 기능

막관통 단백질은 세포막을 관통하며 다양한 생리적 기능을 수행한다. 주요 기능에는 수송, 채널, 효소, 수용체가 있다.

• 수송: 세포막을 통해 이온, 당, 아미노산, 대사물질 등 다양한 물질을 운반한다. ABC 수송체는 다양한 물질을 세포 안팎으로 수송하고, 미토콘드리아 운반체 단백질은 미토콘드리아 대사에 필요한 물질을 수송한다. 주요 촉진체 슈퍼패밀리(MFS)에는 글리세롤-3-인산 수송체, 락토스 투과 효소 등이 있으며, 저항성 결절-세포 분열(RND) 슈퍼패밀리는 다제 내성을 유발하는 수송체를 포함한다.
• 채널: 특정 이온이나 분자가 세포막을 통과하는 통로를 제공한다. 전압 개폐 이온 통로는 막 전압 변화에 따라 열리고 닫히며, 아쿠아포린은 물을 선택적으로 통과시킨다.
• 효소: 세포막에서 일어나는 특정 화학 반응을 촉매한다. 메탄 모노옥시게나제는 메탄 산화 반응을, 롬보이드 프로테아제는 막 단백질 절단 반응을 촉매한다.
• 수용체: 세포 외부 신호 분자를 감지해 세포 내 신호 전달 경로를 활성화한다. T 세포 수용체는 면역 반응에 중요하며, 글리코포린 A는 적혈구 막에 존재하며 다양한 기능을 한다.

6. 1. 수송 (Transporters)

• 세균 로돕신 유사 단백질 (로돕신 포함, 옵신 참조)
• 세균 광합성 반응 중심 및 광계 I과 II
• 광 수확 복합체 (bacteria) 및 엽록체
• 막관통 시토크롬 b 유사 단백질: 조효소 Q - 시토크롬 c 환원효소(시토크롬 bc1); 시토크롬 b6f 복합체; 호흡성 질산염 환원효소; 숙신산 - 조효소 Q 환원효소(푸마르산 환원효소); 그리고 숙신산 탈수소효소. 전자 전달 연쇄 참조.
• 시토크롬 c 산화효소는 세균과 미토콘드리아에서 유래한다.
• 양성자 또는 나트륨 이동 F형 및 V형 ATPase
• P형 칼슘 ATPase(다섯 가지 다른 형태)
• 칼슘 ATPase 조절인자 포스포람반 및 사르코립인
• ABC 수송체
• 일반적인 분비 경로(Sec) 전위체(전단백질 전이효소 SecY)
• 미토콘드리아 운반체 단백질
• 주요 촉진제 슈퍼패밀리(글리세롤-3-인산 수송체, 락토스 투과효소, 다약제 수송체 EmrD)
• 저항-결절-세포 분열(다약제 유출 수송체 AcrB, 다약제 내성 참조)
• 이염기산/아미노산:양이온 공수송체(양성자 글루탐산염 공수송체)
• 일가 양이온/양성자 역수송체(나트륨/양성자 역수송체 1 NhaA)
• 신경전달물질 나트륨 공수송체
• 암모니아 수송체
• 약물/대사체 수송체(소형 다약제 내성 수송체 EmrE - 구조는 오류로 인해 철회됨)

6. 2. 채널 (Channels)

• 전압 개폐 이온 통로, 예: 칼륨 통로 KcsA 및 KvAP, 내향 정류 칼륨 이온 통로 Kirbac
• 대전도 메카노 감수성 채널, MscL
• 소전도 메카노 감수성 이온 통로 (MscS)
• CorA 금속 이온 수송체
• 리간드 개폐 이온 통로 신경 전달 물질 수용체 (아세틸콜린 수용체)
• 아쿠아포린
• 염소 통로

6. 3. 효소 (Enzymes)

• 메탄 모노옥시게네이스
• Rhomboid protease
• 이황화 결합 형성 단백질(DsbA-DsbB 복합체)

6. 4. 수용체 (Receptors)

• T 세포 수용체 복합체의 서브유닛^[19]
• T 세포 수용체 막관통형 이량체화 도메인^[19]
• 사이토크롬 c 아질산염 환원 효소 복합체^[19]
• 사이토크롬 c 아질산 레덕타아제 복합체^[19]
• Glycophorin|글리코포린^영어 A 이량체^[19], ^[38]
• 이노바이러스(사상 파지) 주요 외피 단백질^[19]
• 이노바이러스(섬유상 파지) 주요 코트 단백질^[38]
• 필린^[19],^[38]
• 폐 계면활성제 관련 단백질^[19],^[38]
• 모노아민 산화 효소 A 및 B^[19],^[38]
• 지방산 아미드 가수 분해 효소^[19],^[38]
• 사이토크롬 P450 산화 효소^[19]
• 시토크롬 P450 옥시다아제^[38]
• 미네랄 코르티코이드 | 코르티코스테로이드 11β-탈수소 효소^[19]
• 코르티코스테로이드 11β-탈수소 효소^[38]
• Signal peptide peptidase|신호 펩티드 펩티다아제^영어[19], ^[38]
• 황산 스테릴 설포히드로라제^[19]
• 스타닌^[19]
• 스토마친 상동체에 특이적인 막 프로테아제^[38]

참조

_[1] 논문 Environment Polarity in Proteins Mapped Noninvasively by FTIR Spectroscopy 2012
_[2] 웹사이트 Membrane Proteins https://www.ncbi.nlm[...] Garland Science 2002
_[3] 서적 Medical cell biology https://books.google[...] Academic Press
_[4] 서적 Essential bioinformatics https://books.google[...] Cambridge University Press
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_[9] 문서 Harvey Lodish etc.; Molecular Cell Biology, Sixth edition, p.546
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