단백질_Protein

이미지출처_Levels of Protein Structure - Creative Biostructure

단백질은 생명체의 주요 구성 성분으로, 다양한 생리적 기능을 수행하는 고분자 화합물이다. 단백질은 아미노산(amino acid) 단위들이 펩타이드 결합(peptide bond)으로 연결된 폴리펩타이드(polypeptide) 사슬로 구성되며, 그 구조에 따라 다양한 생물학적 역할을 한다.

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1. 아미노산과 단백질의 기본 구조

A. 아미노산의 기본 구조

아미노산(Amino Acids)은 단백질의 기본 단위이며, 다음과 같은 구조적 특징을 가진다.

이미지출처_Why are the side chains or R-groups in amino acids unique? - Quora

• 중심 탄소(α-carbon): 모든 아미노산의 기본 골격을 이루는 탄소 원자이다.
• 아미노기(-NH₂): 염기성을 띠며, 단백질 합성 시 펩타이드 결합 형성에 관여한다.
• 카복실기(-COOH): 산성 특성을 가지며, 아미노산 결합 과정에서 중요한 역할을 한다.
• 수소 원자(-H): 단순한 수소 원자로 중심 탄소에 결합되어 있다.
• 측쇄(R-group): 아미노산의 성질을 결정하는 요소로, 친수성, 소수성, 전하 여부 등을 결정한다.

 
아미노산은 측쇄(R-group)의 특성에 따라 다음과 같이 분류된다.

이미지출처_R-Groups: Example, Types & Meaning ❘ Vaia

• 비극성 (소수성) 아미노산: 내부로 접혀 단백질 구조의 중심을 형성 (ex: 발린, 류신, 이소류신, 페닐알라닌)
• 극성 (친수성) 아미노산: 물과 잘 결합하여 단백질의 표면에 위치 (ex: 세린, 트레오닌, 아스파라긴, 글루타민)
• 산성 아미노산: 음전하를 띠며 용액에서 이온화됨 (ex: 아스파르트산, 글루탐산)
• 염기성 아미노산: 양전하를 띠며 수소 이온을 받아들일 수 있음 (ex: 라이신, 아르기닌, 히스티딘)

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B. 아미노산의 전하와 등전점

아미노산은 용액의 pH에 따라 서로 다른 이온화 상태를 가진다.

이미지출처_Isoelectric Point (pI) Analysis Service - Creative Proteomics

• 낮은 pH에서는 아미노산이 양이온(양전하, +) 형태로 존재한다.
• 높은 pH에서는 아미노산이 음이온(음전하, -) 형태로 존재한다.
• 특정 pH에서 아미노산의 전체 전하가 0이 되는 지점을 등전점(pI) 이라 하며, 이 pH에서 아미노산은 가장 낮은 용해도를 보이며 침전할 가능성이 크다.
• 등전점(Isoelectric Point, pI)은 아미노산의 R 그룹(측쇄)에 따라 다르며, 산성 아미노산은 낮은 pI 값을, 염기성 아미노산은 높은 pI 값을 가진다.

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C. 아미노산 간의 결합: 펩타이드 결합과 이황화 결합

이미지출처_Peptide Bond: Definition, Structure, Mechanism, and Examples

• 펩타이드 결합(Peptide Bond): 두 아미노산이 결합할 때 카복실기(-COOH)와 아미노기(-NH₂) 사이에서 물(H₂O)이 제거되며 형성되는 공유 결합이다. 펩타이드 결합은 단백질의 기본 골격을 형성하며, 단백질 1차 구조의 핵심적인 요소이다.

이미지출처_Disulfide bond formation in protein - ScienceQuery

• 이황화 결합 (S-S 결합, Disulfide Bond): 두 개의 시스테인(cysteine) 아미노산이 산화 반응을 통해 형성하는 공유 결합이다. 이 결합은 단백질의 3차 및 4차 구조를 안정화시키는 데 중요한 역할을 한다. 인슐린과 같은 단백질에서 이황화 결합은 기능 유지에 필수적이다.

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2. 단백질의 구조

단백질은 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 나뉘며, 각 단계에서 단백질의 기능과 안정성이 결정된다.
 

A. 1차 구조

1차 구조(Primary Structure)는 아미노산 서열(sequence)로 정의되며, 유전 정보(DNA)에 의해 결정된다. 각 아미노산은 펩타이드 결합으로 연결되어 일직선의 폴리펩타이드 사슬을 형성한다. 1차 구조는 단백질의 최종 기능을 결정하는 중요한 요소로, 단 하나의 아미노산 변형이 단백질 기능에 큰 영향을 미칠 수 있다.

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B. 2차 구조

 
2차 구조(Secondary Structure)는 폴리펩타이드 사슬이 수소 결합(hydrogen bond)에 의해 규칙적으로 접히면서 형성되는 구조이다.
 

• 알파 나선(α-helix): 폴리펩타이드가 나선 형태로 말려 있는 구조로, 수소 결합에 의해 안정성이 유지된다. 헤모글로빈과 같은 단백질에서 주요한 구조적 요소이다.
• 베타 병풍(β-sheet): 폴리펩타이드 사슬이 평행 또는 반평행(antiparallel) 형태로 배열되며, 수소 결합으로 안정화된다. 단백질의 강도와 유연성에 기여한다.

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C. 3차 구조

 
3차 구조(Tertiary Structure)는 단백질이 더욱 접혀 특정한 3D 형태를 이루는 과정이다. 이는 단백질의 기능을 결정하는 중요한 단계이며, 다양한 화학적 결합이 관여한다.
 

• 이온 결합: 전하를 띤 아미노산 간의 정전기적 상호작용.
• 소수성 상호작용: 비극성 아미노산이 수용액 내에서 내부로 모이는 현상.
• 수소 결합: 극성 아미노산 간의 약한 화학 결합.
• 이황화 결합: 시스테인 잔기 간의 공유 결합으로 단백질 구조를 안정화.

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D. 4차 구조

 
4차 구조(Quaternary Structure)는 두 개 이상의 폴리펩타이드 사슬이 결합하여 단백질의 최종 기능적 구조를 형성하는 단계이다. 대표적인 예로 헤모글로빈(hemoglobin)이 있다. 단백질의 4차 구조는 기능적 단위로 작용하며, 단백질 복합체의 협력적인 작용을 가능하게 한다.

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단백질 구조_Protein Structure

 

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3. 단백질 변성과 응집

 

A. 단백질 변성

이미지출처_Protein Denaturation

 
단백질 변성(Protein Denaturation)이란 단백질의 고차 구조(2차, 3차, 4차 구조)가 파괴되어 본래의 기능을 잃는 현상이다. 변성이 일어나면 단백질은 정상적인 입체 구조를 유지하지 못하고, 비활성화된 상태로 존재하게 된다.
 

변성을 유발하는 요인

• 물리적 요인: 고온(heat), 초음파, 강한 교반(shaking)
• 화학적 요인: 강산(strong acid), 강염기(strong base), 유기 용매(ethanol, acetone), 중금속(mercury, lead)
• 소금 농도 변화: 특정 조건에서 이온이 단백질 간 결합을 방해해 구조를 붕괴시킬 수 있음

변성된 단백질의 상태

1. Misfolded protein (오접힘 단백질): 단백질이 비정상적인 구조로 접혀 기능을 상실한 상태.
2. Denatured protein (변성 단백질): 완전히 펼쳐진 단백질로, 정상적인 구조를 잃고 기능을 수행할 수 없음.
3. Refolded protein (재접힘 단백질): 특정 조건에서 변성된 단백질이 원래 구조로 복원될 수도 있음 (ex. 단백질 샤페론(chaperone)의 도움을 받아 복원)

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B. 단백질 응집

이미지출처_Protein aggregation - Wikipedia

 
단백질 응집(Protein Aggregation)이란 단백질이 변성된 후 여러 개의 변성 단백질이 뭉쳐 비가역적으로 침전되는 현상을 의미한다. 응집은 질병과도 관련이 있으며, 대표적인 예로 알츠하이머병(Alzheimer’s disease), 파킨슨병(Parkinson’s disease) 등의 신경퇴행성 질환이 있다.

 

 

단백질 응집의 과정

1. 단백질이 변성되면서 비정상적인 구조를 형성
2. 변성된 단백질이 서로 결합하여 올리고머(oligomer)를 형성
3. 응집체(aggregate)로 커지면서 가용성을 잃고 침전됨

 

응집 방지 방법

• 단백질 샤페론(chaperone)이 단백질이 정상적으로 접히도록 돕는다.
• 세포 내 특정 단백질 분해 기전(ubiquitin-proteasome system)이 변성된 단백질을 제거한다.

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4. 단백질 분리 및 정제

단백질 연구나 산업적 활용을 위해 단백질을 분리하고 정제하는 과정이 필요하다. 단백질 분리 및 정제(Protein Separtion and Purification)는 단백질의 성질(전하, 크기, 용해도 등)을 이용하여 수행된다.단백질은 전하, 분자량, 용해도, 친화성 등의 차이를 이용하여 분리할 수 있다.
 

1. 전기영동 (Electrophoresis)
   • 전기장을 이용해 단백질을 이동시키는 방법.
   • SDS-PAGE(폴리아크릴아미드 겔 전기영동)를 사용하면 단백질의 크기별 분리가 가능하다.
2. 크기 배제 크로마토그래피 (Size Exclusion Chromatography)
   • 다공성 젤을 이용해 단백질의 크기 차이를 이용하여 분리하는 방법.
   • 작은 단백질은 젤의 미세한 구멍을 통과하면서 이동 속도가 느려지고, 큰 단백질은 빠르게 용출된다.
3. 이온 교환 크로마토그래피 (Ion Exchange Chromatography)
   • 단백질의 전하 차이를 이용하여 분리하는 방법.
   • 양이온 교환(음전하를 띠는 단백질을 분리) 또는 음이온 교환(양전하를 띠는 단백질을 분리) 방식으로 나뉜다.
4. 친화 크로마토그래피 (Affinity Chromatography)
   • 특정 단백질만 선택적으로 결합하는 리간드(ligand)를 사용하여 분리하는 방법.
   • 예: 항체-항원 결합을 이용한 정제.
5. 등전점 초점화 (Isoelectric Focusing)
   • 단백질의 등전점(pI)을 이용하여 특정 pH에서 정지시키는 방법.
   • 단백질이 자신의 등전점에서 전하가 0이 되어 더 이상 이동하지 않음.

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단백질 분리정제_Protein Purification

 

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5. 단백질의 번역 후 변형 (Post-Translational Modifications)

• 단백질의 기능을 조절하는 주요 변형으로는 인산화(phosphorylation), 당화(glycosylation), 메틸화(methylation), 아세틸화(acetylation), 이황화 결합 형성(Disulfide bond formation), 유비퀴틴화(Ubiquitination) 등이 있음.
• 세포 신호 전달과 대사 조절에서 중요한 역할을 수행함. 예를 들어, 인슐린과 같은 단백질 호르몬은 특정 아미노산의 번역 후 변형을 통해 활성화된다.

이미지출처_Post-Translational Modifications

 
단백질 번역 후 변형(PTM)은 세포 내에서 단백질이 합성된 이후 다양한 화학적 변형을 겪어 기능, 구조, 안정성, 상호작용 등을 조절하는 과정이다. 이 변형은 단백질의 생물학적 활성을 조절하며, 다양한 세포 기능에 관여한다.

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A. 단백질 번역 후 변형의 주요 역할

1. 단백질 활성 조절: 효소의 활성화/비활성화 조절.
2. 단백질의 수명 조절: 분해 신호를 부여하여 단백질의 반감기를 조절.
3. 세포 내 위치 지정: 특정 세포소기관으로 단백질을 이동시킴.
4. 단백질-단백질 상호작용 조절: 단백질이 다른 단백질과 결합할 수 있도록 함.

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B. 주요 번역 후 변형 종류

번역 후 변형은 단백질의 특정 아미노산에 공유 결합 형태로 화학적 변형이 추가되는 방식으로 이루어진다.
 

1) 인산화 (Phosphorylation)

이미지출처_Protein Phosphorylation – Definition, Mechanism, Example, & Function

• 특징: 단백질의 세린(Ser), 트레오닌(Thr), 티로신(Tyr) 잔기에 인산기(PO₄³⁻)가 결합하는 과정.
• 효소: 단백질 키나아제(protein kinase) 가 인산을 첨가, 단백질 인산가수분해효소(protein phosphatase) 가 제거.
• 역할:
  • 세포 신호전달에 핵심적인 역할 (ex. MAP kinase 신호전달 경로).
  • 효소 활성 조절 (ex. 글리코겐 대사 조절).
  • 세포 분열 및 생장 조절.

 
2) 당화 (Glycosylation)

이미지출처_Glycosylated Protein - an overview ❘ ScienceDirect Topics

• 특징: 단백질의 아스파라긴(Asn), 세린(Ser), 트레오닌(Thr) 잔기에 당(sugar)이 결합.
• 종류:
  • N-연결 당화 (N-linked glycosylation): 아스파라긴(Asn)에 결합, 주로 소포체에서 발생.
  • O-연결 당화 (O-linked glycosylation): 세린(Ser) 또는 트레오닌(Thr)에 결합, 주로 골지체에서 발생.
• 역할:
  • 단백질의 안정성 증가.
  • 단백질의 세포 표면 신호전달.
  • 면역반응과 세포 인식에 기여 (ex. 혈액형 결정).

 
3) 아세틸화 (Acetylation)

이미지출처_Acetylation - Explain Acetylation, Reaction of acetylation with Mechanism, Examples and FAQs on Acetylation

• 특징: N-말단 아미노산 또는 리신(Lys) 잔기에 아세틸기(-COCH₃)가 추가됨.
• 효소: 히스톤 아세틸전이효소(HAT) 가 첨가, 히스톤 탈아세틸화효소(HDAC) 가 제거.
• 역할:
  • 히스톤 단백질의 아세틸화는 DNA의 구조를 변화시켜 유전자 발현을 조절.
  • 단백질의 안정성 증가.
  • 세포 신호전달 과정에 영향.

 
4) 메틸화 (Methylation)

이미지출처_DNA 메틸화 - 나무위키

• 특징: 아르기닌(Arg)과 리신(Lys) 잔기에 메틸기(-CH₃)가 추가됨.
• 효소: 메틸전이효소(Methyltransferase).
• 역할:
  • 유전자 발현 조절 (히스톤 단백질 메틸화 → 전사 활성화 또는 억제).
  • 단백질-단백질 상호작용 조절.

 
5) 이황화 결합 형성 (Disulfide Bond Formation)

이미지출처_Formation and transfer of disulphide bonds in living cells ❘ Nature Reviews Molecular Cell Biology

• 특징: 시스테인(Cys) 잔기 두 개가 산화되어 이황화 결합(-S-S-)을 형성.
• 역할:
  • 단백질의 3차 및 4차 구조를 안정화 (ex. 인슐린, 항체 단백질).
  • 산화환원 반응에서 중요한 역할.

 
6) 유비퀴틴화 (Ubiquitination)

이미지출처_Ubiquitination Screening

• 특징: 단백질 분해 신호로, 유비퀴틴(ubiquitin)이라는 작은 단백질이 리신(Lys) 잔기에 결합.
• 효소: 유비퀴틴 연결 효소(E1, E2, E3).
• 역할:
  • 단백질을 프로테아좀(proteasome)으로 보내 분해.
  • 세포 내 단백질 품질 관리 역할 수행.

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C. 번역 후 변형의 중요성

• 번역 후 변형은 단백질 기능을 조절하는 핵심 메커니즘이다.
• 세포 내 단백질이 언제, 어디서, 어떻게 작용할지를 결정하는 중요한 과정이다.
• 변형 이상이 발생하면 암, 신경퇴행성 질환(알츠하이머병, 파킨슨병), 면역 질환 등이 발생할 수 있다.

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<출  처>
 

Levels of Protein Structure - Creative Biostructure

 

Why are the side chains or R-groups in amino acids unique?

 

R-Groups: Example, Types & Meaning | Vaia

 

Isoelectric Point (pI) Analysis Service - Creative Proteomics

 

Peptide Bond: Definition, Structure, Mechanism, and Examples

 

Disulfide bond formation in protein - ScienceQuery

 

Protein Digestion and Absorption – Human Nutrition

 

Protein post-translational modifications and regulation of pluripotency in human stem cells | Cell Research
 
Glycosylated Protein - an overview | ScienceDirect Topics
 

Acetylation - Explain Acetylation, Reaction of acetylation with Mechanism, Examples and FAQs on Acetylation

 

DNA 메틸화

 
Formation and transfer of disulphide bonds in living cells | Nature Reviews Molecular Cell Biology
 

Ubiquitination Screening