레빈탈의 역설

3. 제안된 설명

사이러스 레빈탈은 1969년에 펼쳐진 펩타이드 사슬 내에 매우 많은 수의 자유도가 존재하여, 분자가 천문학적인 수의 가능한 입체구조를 갖는다고 언급했다. 그의 논문 중 하나에서는 10³⁰⁰으로 추정했다^[2] (종종 1968년 논문으로 잘못 인용됨^[3]). 예를 들어, 100개의 아미노산 잔기로 구성된 폴리펩타이드는 200개의 서로 다른 φ 및 ψ 결합 각도를 가지며, 각 잔기 내에 두 개씩 존재한다. 각 결합 각도가 3개의 안정적인 입체구조 중 하나를 가질 수 있다면, 단백질은 최대 3²⁰⁰개의 서로 다른 입체구조로 잘못 접힐 수 있다(가능한 모든 접힘 중복성을 포함하며, 각 잔기 사이의 펩타이드 연결 또는 측쇄의 입체구조는 고려하지 않음).

따라서 단백질이 가능한 모든 입체구조를 순차적으로 샘플링하여 올바르게 접힌 구조를 얻으려면, 정확한 네이티브 입체구조에 도달하는 데 우주의 나이보다 더 오랜 시간이 걸릴 것이다. 이는 입체구조를 빠르게(나노초 또는 피코초) 샘플링하더라도 마찬가지이다. 이 "역설"은 대부분의 작은 단백질이 밀리초 또는 심지어 마이크로초 규모로 자발적으로 접힌다는 것이다. 이 역설의 해결책은 단백질 구조 예측에 대한 계산적 접근 방식을 통해 확립되었다.^[4]

레빈탈 본인도 단백질이 자발적으로 짧은 시간 내에 접힌다는 것을 알고 있었다. 그는 단백질 접힘이 국소 상호 작용의 빠른 형성에 의해 가속화되고 유도되어, 펩타이드의 추가적인 접힘을 결정하며, 이는 안정적인 상호 작용을 형성하고 접힘 과정에서 핵생성 지점으로 작용하는 국소 아미노산 서열을 제안함으로서 역설을 해결할 수 있다고 제안했다.^[5] 실제로, 단백질 접힘 반응 중간체와 부분적으로 접힌 전이 상태가 실험적으로 감지되었으며, 이는 빠른 단백질 접힘을 설명한다. 이는 또한 깔때기형 에너지 풍경 내에서 지시되는 단백질 접힘으로 설명된다.^[6][7][8] 단백질 구조 예측에 대한 일부 계산적 접근 방식은 단백질 접힘의 메커니즘을 식별하고 시뮬레이션하려 했다.^[9]

레빈탈은 또한 가장 낮은 에너지가 운동학적으로 접근할 수 없다면 네이티브 구조가 더 높은 에너지를 가질 수 있다고 제안했다. 비유하자면, 언덕을 굴러 내려가는 바위가 기저에 도달하는 대신 골짜기에 걸리는 것과 같다.^[10]

레빈탈의 역설은 2024년 노벨 화학상의 과학적 배경 첫 페이지에서 인용되었다(계산적 단백질 설계 및 단백질 구조 예측에 대해 데이비드 베이커, 데미스 하사비스, 존 M. 점퍼에게 수여됨). 이는 천문학적인 수의 순열이 주어진 문제의 엄청난 규모를 보여주기 위한 것이었다.^[11]

3. 1. 모듈 방식 접힘 가설

4. 관련 개념

• 샤페론
• 접힘 깔때기
• 안핀센의 도그마
• 단백질 구조 예측
• 알파폴드

4. 1. 샤페론

4. 2. 접힘 깔때기

4. 3. 안핀센의 도그마

4. 4. 단백질 구조 예측

5. 현대적 의의

사이러스 레빈탈은 단백질이 매우 짧은 시간 안에 자발적으로 접힌다는 것을 알고 있었다. 그는 단백질 접힘이 국소 상호작용의 빠른 형성에 의해 가속화되고 유도되어, 추가적인 접힘을 결정한다고 제안했다. 이는 안정적인 상호작용을 형성하고 접힘 과정에서 핵생성 지점으로 작용하는 국소 아미노산 서열을 통해 가능하다.^[5] 실제로, 단백질 접힘 반응 중간체와 부분적으로 접힌 전이 상태가 실험적으로 관찰되었으며, 이는 빠른 단백질 접힘을 설명한다. 이는 깔때기형 에너지 풍경 내에서 단백질 접힘이 이루어진다는 것으로도 설명된다.^[6][7][8] 단백질 구조 예측에 대한 일부 계산적 접근 방식은 단백질 접힘의 메커니즘을 규명하고 모의실험하려 했다.^[9]

레빈탈은 또한 가장 낮은 에너지를 가진 구조에 도달하는 것이 불가능하다면, 실제 단백질 구조는 더 높은 에너지를 가질 수도 있다고 제안했다. 이는 마치 언덕을 굴러 내려가는 바위가 바닥에 도달하지 못하고 중간에 걸리는 것과 비유할 수 있다.^[10]

레빈탈의 역설은 2024년 노벨 화학상의 과학적 배경 첫 페이지에서 언급되었다(계산적 단백질 설계 및 단백질 구조 예측에 대해 데이비드 베이커, 데미스 하사비스, 존 M. 점퍼에게 수여됨). 이는 가능한 경우의 수가 천문학적으로 많다는 문제의 엄청난 규모를 보여주기 위한 것이었다.^[11]

참조

_[1] 서적 Lehninger principles of biochemistry https://www.worldcat[...] W.H. Freeman and Company ; Macmillan Higher Education 2017
_[2] 논문 How to Fold Graciously http://www-miller.ch[...]
_[3] 논문 Are there pathways for protein folding? http://www.biochem.w[...]
_[4] 논문 Levinthal's paradox 1992-01-01
_[5] 논문 What is paradoxical about Levinthal Paradox?
_[6] 논문 From Levinthal to pathways to funnels
_[7] 논문 On "Levinthal paradox" and the theory of protein folding
_[8] 논문 How does a protein fold? http://courses.theop[...]
_[9] 논문 The Levinthal paradox: yesterday and today
_[10] 논문 Into the fold
_[11] 웹사이트 https://www.nobelpri[...]
_[12] 논문 Loop fold structure of proteins: Resolution of Levinthal's paradox http://paradox.harva[...]
_[13] 논문 How to Fold Graciously http://www-miller.ch[...]
_[14] 논문 Are there pathways for protein folding? http://www.biochem.w[...]
_[15] 논문 Levinthal's paradox 1992-01-01
_[16] 논문 What is paradoxical about Levinthal Paradox? http://www.jbsdonlin[...]
_[17] 논문 From Levinthal to pathways to funnels
_[18] 논문 On "Levinthal paradox" and the theory of protein folding
_[19] 논문 How does a protein fold? http://courses.theop[...]
_[20] 논문 The Levinthal paradox: yesterday and today
_[21] 논문 Into the fold
_[22] 논문 Loop fold structure of proteins: Resolution of Levinthal's paradox
_[23] 논문 How to Fold Graciously http://www-miller.ch[...] 2010-12-13