막 단백질

3. 종류

막 단백질은 세포막과의 결합 방식에 따라 크게 두 가지로 분류된다.

• 내재성 막 단백질: 막에 영구적으로 부착되어 있으며, 도데실황산나트륨 등의 계면활성제나 비극성 용매를 사용해야 분리할 수 있다. 막 관통 단백질과 일회 막 관통 단백질이 여기에 속한다.
• 외재성 막 단백질: 소수성 상호작용이나 정전기적 상호작용 등 공유 결합 이외의 힘으로 일시적으로 결합하며, 고농도 염을 포함한 극성 용매로 분리할 수 있다.

3. 1. 내재성 막 단백질 (Integral Membrane Proteins)

• 막 관통 단백질 (Integral polytopic proteins): 적어도 한 번 막을 가로지르는 내재성 막 단백질이다. 이러한 단백질은 서로 다른 막횡단 토폴로지를 가질 수 있으며,^[4][5] 두 가지 구조 중 하나를 가진다.
• 모든 유형의 생물막에 존재하는 helix bundle 단백질.
• 그람 음성 세균의 세균 외막과 미토콘드리아 및 엽록체의 외막에서만 발견되는 beta barrel 단백질.^[6]
• 내재성 단일체 단백질 (Integral monotopic proteins): 막의 한쪽 면에만 부착되고 전체를 가로지르지 않는 내재성 막 단백질이다.

• 막 수용체 단백질은 세포의 세포질 내부 환경과 세포 외부 공간 외부 환경 사이의 신호를 전달한다.
• 수송 단백질은 분자와 이온을 막을 가로질러 이동시킨다. 이들은 수송체 분류 데이터베이스에 따라 분류될 수 있다.
• 막 효소는 산화환원효소, 전이효소 또는 가수분해효소와 같은 많은 활성을 가질 수 있다.^[3]
• 세포 부착 분자는 세포가 서로를 식별하고 상호 작용할 수 있게 한다. 예를 들어, 면역 반응에 관여하는 단백질이 있다.

3. 2. 외재성 막 단백질 (Peripheral Membrane Proteins)

3. 3. 기타 막 관련 단백질

4. 막 단백질의 구조 생물학

막 단백질의 구조 연구는 X선 결정 구조 분석, 핵자기 공명(NMR), 전자 현미경 등 다양한 방법을 통해 이루어진다. 막 단백질은 일반적인 단백질과 달리 구조 분석이 매우 어렵다. 특히 X선 결정 구조 분석법을 사용할 때 막 단백질을 결정화하는 과정이 까다롭다. 이를 위해 계면활성제를 사용하여 막 단백질을 가용화해야 하는데, 이 조건 설정과 계면활성제 존재 하에서의 결정화는 매우 섬세한 작업이 필요하다.^[24]

지질 큐빅상법(LCP법)이나 HiLiDe법, Bicelle법 등은 막 단백질 결정화에 유용한 방법으로 주목받고 있다. 특히 지질 큐빅상법은 1996년 Landau와 Rosenbusch에 의해 제안되었으며^[24], Kobilka 등의 그룹이 β2 아드레날린 수용체와 G 단백질의 복합체를 이 방법으로 결정화하여 구조를 해석한 사례는 큰 성과로 꼽힌다.^[25]

이화학연구소의 요코야마 시게유키 등은 2009년에 대장균 유래의 CECF법의 무세포 단백질 합성계를 이용하여 막 단백질을 합성하는 방법을 개발했다.^[26] 이후, 계면활성제에 의한 가용화를 거치지 않고 시료를 고농도로 생성할 수 있는 가용성 막 절편법(S-MF법)이 개발되었다.^[27]

X선 결정 구조 해석법 외에도 분자동력학법을 비롯한 컴퓨터 시뮬레이션이나 하이드로패시 분석을 통해 구조 정보를 얻을 수 있다. 막 단백질 가용화에 성공하여 안정적으로 정제할 수 있다면, 전자 스핀 공명법 등으로도 구조 정보를 얻을 수 있다. 전자 스핀 공명법에서는 스핀 라벨이라고 불리는 반응성이 낮은 라디칼을 막 단백질에 도입하여 라디칼 간 거리를 얻고, 이를 통해 저분해능이지만 입체 구조를 결정할 수 있다.

4. 1. X선 결정 구조 분석

4. 2. 핵자기 공명 (NMR)

5. 게놈과 막 단백질

게놈은 특정 생물종이나 유기체의 유전 정보를 모두 포함하는 DNA 세트이다. 많은 유전자에서 전체 유전체의 20~30%가 막 단백질을 암호화하는 것으로 추정된다.^[9][10][11] 예를 들어, ''대장균''의 약 4,200개 단백질 중 약 1,000개가 막 단백질로 추정되며, 이 중 600개가 막에 존재한다는 것이 실험적으로 확인되었다.^[12] 인간의 경우, 현재 인간 게놈의 30%가 막 단백질을 암호화한다고 추정된다.^[13] 막 단백질은 다양한 생물학적 과정에서 중요한 역할을 수행하며, 게놈 연구를 통해 막 단백질의 기능과 진화를 이해할 수 있다.

6. 질병과 막 단백질

막 단백질은 현대 제약 의약품의 50% 이상에서 생물학적 표적으로 작용한다.^[1] 심혈관 질환, 알츠하이머병, 낭성 섬유증 등이 막 단백질과 관련된 대표적인 질병이다.^[13]

7. 막 단백질의 정제

막 단백질은 모든 생물체에서 중요한 역할을 하지만, 단백질 과학자들에게 막 단백질 정제는 역사적으로나 현재나 여전히 매우 어려운 과제이다. 2008년에는 150개의 고유한 막 단백질 구조가 공개되었고,^[14] 2019년까지 50개의 인간 막 단백질 구조만 밝혀졌다.^[13] 이와 대조적으로, 전체 단백질의 약 25%가 막 단백질이다.^[15] 막 단백질의 소수성 표면은 구조적, 기능적 특성 분석을 어렵게 만든다.^[13][16] 세제는 막 단백질을 수용성으로 만들기 위해 사용될 수 있지만, 세제가 단백질 구조와 기능을 변화시킬 수도 있다.^[13] 또한, 특정 소수성 아미노산을 친수성 아미노산으로 바꾸는 단백질 서열 조작을 통해 막 단백질을 수용성으로 만들 수 있다. 이때 전체 전하를 변경하면서 2차 구조를 유지하도록 주의해야 한다.^[13]

친화성 크로마토그래피는 막 단백질 정제의 가장 좋은 해결책 중 하나이다. 폴리히스티딘 태그는 막 단백질 정제에 널리 사용되는 태그이며,^[17] 로1D4 태그도 대체 태그로 성공적으로 사용되었다.^[18][19]

8. 관련 데이터베이스

다음은 막 단백질의 구조, 기능, 분류 등에 대한 정보를 제공하는 주요 데이터베이스들이다.

참조

_[1] 논문 How many drug targets are there? 2006-12
_[2] 논문 Mapping the human membrane proteome: a majority of the human membrane proteins can be classified according to function and evolutionary origin 2009-08
_[3] 논문 The substitution of Arg149 with Cys fixes the melibiose transporter in an inward-open conformation 2013-08
_[4] 논문 Membrane-protein topology 2006-12
_[5] 서적 Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments https://books.google[...] John Wiley and Sons 2010-11-13
_[6] 논문 Assembly of β-barrel proteins into bacterial outer membranes 2014-08
_[7] 논문 Charged residues next to transmembrane regions revisited: "Positive-inside rule" is complemented by the "negative inside depletion/outside enrichment rule" 2017-07
_[8] 논문 Structure of the alternative complex III in a supercomplex with cytochrome oxidase 2018-05
_[9] 논문 SCOP2 prototype: a new approach to protein structure mining 2014-01
_[10] 논문 Dissecting the Structure of Membrane Proteins http://www.genengnew[...] 2015-10-01
_[11] 논문 Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes https://pdfs.semanti[...] 2001-01
_[12] 논문 Global topology analysis of the Escherichia coli inner membrane proteome 2005-05
_[13] 논문 Elucidating the Structure of Membrane Proteins Future Science
_[14] 논문 Overcoming the challenges of membrane protein crystallography 2008-10
_[15] 논문 Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes https://pdfs.semanti[...] 2001-01
_[16] 논문 Membrane proteins: always an insoluble problem? 2016-06
_[17] 논문 Genetic Approach to Facilitate Purification of Recombinant Proteins with a Novel Metal Chelate Adsorbent 1988-11
_[18] 논문 Expression, surface immobilization, and characterization of functional recombinant cannabinoid receptor CB2 2013-10
_[19] 논문 Large-scale production and study of a synthetic G protein-coupled receptor: human olfactory receptor 17-4 2009-07
_[20] 문서 JST科学技術用語日英対訳辞書
_[21] 논문 Amphitropic proteins: regulation by reversible membrane interactions (review)
_[22] 웹사이트 Crystallography Department, Birkbeck College - Peptaibol Database http://www.cryst.bbk[...] 2007-12-18
_[23] 웹사이트 Orientations of Proteins in Membranes (OPM) database http://opm.phar.umic[...] 2007-12-18
_[24] 간행물 Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 Dec 10;93(25):14532-5.
_[25] 간행물 Nature. 2011 Jul 19;477(7366):549-55.
_[26] 간행물 Protein Sci. 2009 Oct 18(10) 2160-71.
_[27] 간행물 Sci Rep. 2016 Jul 28 6 30442.