4.1 단백질 구조의 개관

단백질의 아미노산은 강한 공유결합인 펩타이드 결합으로 이어진다. 그러나 사슬의 어느 부분이 어디에 위치할지, 서로 멀리 떨어진 잔기들이 어떤 각도로 접촉할지는 주로 여러 비공유 상호작용과 물의 영향을 받는다. 개별적으로 작은 효과도 수백·수천 개가 함께 작용하면 특정 구조가 다른 구조보다 열역학적으로 유리해질 수 있다. 이 단원은 “접힌 단백질은 언제, 왜 안정한가?”라는 질문을 다룬다.

1. 공유결합이 사슬을 만들고, 비공유 상호작용이 접힘을 선택한다

1차 구조는 N-말단에서 C-말단까지 이어지는 아미노산 잔기의 순서와 공유결합적 연결을 뜻한다. 2차 구조는 사슬의 국소적 반복 형태(α 나선, β 구조 등), 3차 구조는 한 사슬 전체의 입체적 배치, 4차 구조는 여러 폴리펩타이드 사슬의 회합을 가리킨다. 모든 단백질이 반드시 네 가지 수준을 모두 갖는 것은 아니다. 하나의 사슬만으로 기능하는 단백질은 4차 구조가 없을 수 있다.

입체형태(conformation)는 공유결합의 절단 없이 결합 회전과 분자 내부 운동을 통해 바뀔 수 있는 공간 배치를 말한다. 반면 아미노산 서열이나 이황화결합의 연결 상태를 바꾸려면 공유결합 변화가 필요할 수 있다. 이 구분은 단백질의 가역적 접힘과 화학적 변형을 구별하는 기초가 된다.

2. 단백질은 정지된 조각상이 아니다

수용액의 단백질은 열운동에 의해 곁사슬·고리·도메인 위치가 지속적으로 변하는 분자 집합이다. 특정 조건에서 가장 우세한 구조군을 흔히 본래 상태(native state)라고 부른다. 실제로 하나의 정확한 좌표가 아니라 여러 비슷한 입체형태들의 집합(native ensemble)으로 생각하는 것이 더 적절하다. 또한 어떤 단백질은 생리적 조건에서도 일정한 한 가지 접힘 구조를 취하지 않으며, 이것을 내재적 무질서 단백질 또는 무질서 영역이라고 한다.

1. 수소결합: 주사슬과 곁사슬 사이의 방향성 있는 상호작용

수소결합은 대체로 전기음성도가 큰 원자에 결합된 수소가 다른 전자쌍 제공 원자와 상호작용할 때 나타난다. 단백질에서는 펩타이드 주사슬의 C=O와 N–H, 그리고 일부 극성 곁사슬이 수소결합을 형성한다. 수소결합은 결합 길이뿐 아니라 공여체–수소–수용체의 방향에 민감하기 때문에 특정 입체배열을 선호하게 한다.

단백질 내부의 수소결합이 생기면 무조건 큰 안정화가 나타난다고 단정할 수는 없다. 접히기 전 같은 작용기는 물과 수소결합하고 있었을 수 있다. 따라서 단백질 내부 결합의 이득과 단백질–물 상호작용의 손실을 함께 비교해야 한다. 물과 접촉하지 않는 내부에서 충족되지 않은 극성 작용기는 오히려 불리할 수 있다.

2. 정전기적 상호작용: 전하, pH, 염 농도의 영향

양전하를 띤 Lys, Arg 등의 곁사슬과 음전하를 띤 Asp, Glu 등의 곁사슬은 인력에 의해 염다리(salt bridge)를 형성할 수 있다. 반대로 같은 부호의 전하끼리는 반발한다. His의 양전하 비율이나 Asp·Glu의 음전하 비율은 pH와 미세환경에 따라 달라진다. 물의 높은 유전율과 전해질 이온에 의한 전하 차폐는 정전기적 상호작용을 변화시킨다.

염 농도가 높으면 항상 단백질이 불안정해지는 것은 아니다. 특정 염다리를 약화할 수 있지만, 같은 전하 사이의 반발을 줄이거나 용매화 상태를 바꾸어 오히려 안정화하기도 한다. 따라서 “염 ↑ → 안정성 ↓”처럼 일방향 규칙으로 외우지 않아야 한다.

3. 반데르발스 상호작용: 작지만 누적되는 근거리 인력

전자 구름의 순간적인 변화에 따른 분산력 등은 서로 가까운 원자 사이에 약한 인력을 만든다. 반대로 지나치게 가까워지면 전자 구름의 겹침 등으로 강한 반발이 나타난다. 단백질 내부가 적절한 거리로 조밀하게 채워졌을 때 많은 원자 쌍의 상호작용이 누적되어 안정성에 기여한다. 방향이 없는 단순한 “붙는 힘”이 아니라 원자 배치·입체적 충전(packing)의 문제와 연결된다.

여기서 ε은 퍼텐셜 우물의 깊이, σ은 퍼텐셜이 0이 되는 거리이다. r이 r_min보다 작아지면 반발이 급격히 커지고, 멀어질수록 인력은 약해진다. 실제 단백질에서는 물, 전하, 분자 구조에 따른 다른 퍼텐셜도 고려한다.

4. 소수성 효과: 비극성 곁사슬과 물이 함께 결정하는 자유에너지

Val, Leu, Ile, Phe 등의 비극성 곁사슬이 물과 넓게 접촉하면 주변 물 분자들의 배치와 분자 간 상호작용에 영향을 준다. 수용성 구상 단백질에서는 비극성 표면을 접촉·매몰해 물과의 접촉 면적을 줄이는 구조가 유리해지는 경우가 많다. 이를 소수성 효과라고 한다. 소수성 효과는 두 비극성 원자 사이에 새로운 특수 결합이 생긴 결과가 아니라 단백질과 물을 함께 포함한 계의 자유에너지 변화이다.

“물 분자가 무조건 더 질서 있게 배열되기 때문에”라는 한 가지 이유만으로 모든 소수성 효과를 설명할 수는 없다. 용질 크기·온도·압력·농도에 따라 엔탈피와 엔트로피의 기여가 달라진다. 단백질 내부는 소수성 곁사슬의 매몰뿐 아니라 불필요한 빈 공간을 최소화하는 조밀한 충전도 중요하다.

5. 강한 예외: 이황화결합은 비공유 상호작용이 아니다

두 시스테인 잔기의 티올기(–SH)가 산화되면 –S–S– 이황화결합을 만들 수 있다. 이것은 전자쌍을 공유하는 공유결합으로, 수소결합이나 염다리와 구별해야 한다. 세포 밖 단백질과 일부 세포 구획의 단백질에서 구조 고정에 중요한 역할을 하지만 모든 단백질에 반드시 존재하지는 않는다. 환원 조건에서는 이황화결합이 끊어질 수 있다.

6. 네 종류의 상호작용을 비교한다

1. 같은 아미노산도 위치와 환경에 따라 다르게 작용한다

수용성 구상 단백질은 비극성 곁사슬을 내부에 모으고 극성 곁사슬을 물 쪽으로 두는 경향이 있다. 그러나 효소의 활성부위·단백질 내부의 수소결합망처럼 중요한 예외가 많다. 막관통 단백질의 경우 지질의 비극성 꼬리와 접하는 부분에 소수성 곁사슬이 배치되는 것이 흔하므로, “소수성 잔기는 항상 단백질 내부”라는 표현은 틀리다.

접힘으로 형성되는 내부의 극성 작용기들은 주사슬 또는 다른 곁사슬과 수소결합할 수 있다. 단백질의 표면과 내부를 구분할 때에도 곁사슬 종류 하나만으로 판단하지 말고 실제 3차원 구조·용매 접근성·주변 잔기를 함께 보아야 한다.

2. 여러 약한 상호작용은 서로 협동하지만, 단순히 개수만 더할 수는 없다

특정 구조에서 수소결합과 반데르발스 접촉이 다수 형성되어도 그것만으로 접힘의 자발성을 결정할 수 없다. 단백질 사슬이 접히면 가능한 공간 배열 수가 줄어드는 불리함이 있고, 용매 분자들의 배치와 수화 변화도 나타난다. 하나의 접촉을 없애면 주변 접촉과 물의 배열까지 함께 바뀌므로 결합 에너지를 독립적으로 모두 더한 값은 일반적으로 실제 접힘 자유에너지와 일치하지 않는다.

1. 접힘에는 엔탈피와 엔트로피의 경쟁이 있다

단백질 접힘은 단백질만 고립시켜 생각하는 과정이 아니라 물·이온까지 포함한 계의 열역학적 변화이다. 일정한 온도와 압력에서 자발적인 방향을 판단하는 기본량은 깁스 자유에너지 G이다. 접힌 상태 N과 펼쳐진 상태 U가 평형일 때, 두 상태의 상대적 자유에너지에 의해 각 상태의 분율이 결정된다.

단백질 사슬이 접힐 때에는 여러 입체형태를 취할 수 있는 자유가 줄어들므로 사슬 자체의 형태 엔트로피는 보통 감소한다. 한편 수화수의 배치·단백질 내부 접촉·용매 상호작용은 유리하거나 불리하게 작용할 수 있다. ΔG°fold가 음수라면 해당 조건에서 접힌 상태 N이 U보다 열역학적으로 유리하다. 이 기호를 펼침 반응으로 정의하면 ΔG°unfold는 양수가 된다.

2. “접히는 속도”와 “접힌 상태의 안정성”은 다르다

자유에너지의 두 상태 간 높이 차이는 평형 상태에서의 상대적 안정성을 설명한다. 그러나 실제 접히는 속도는 전이 상태와 에너지 장벽, 경로, 중간상태, 분자 충돌 등에 크게 좌우된다. 어떤 단백질은 안정한 구조를 갖더라도 접히는 데 시간이 오래 걸릴 수 있다. 일반적인 단백질의 접힘은 단순히 펼쳐진 상태와 접힌 상태 두 개만 오가는 과정보다 복잡하다.

3. 펼침 자유에너지와 평형상수의 관계

설명을 위한 두 상태 모형에서는 U ⇌ N 평형을 가정한다. 펼침 반응 N → U의 평형상수를 K_u=[U]/[N]로 놓으면 다음 관계가 성립한다. 엄밀하게는 활동도를 사용하며, 매우 묽은 이상적인 용액에서는 농도비로 근사할 수 있다.

R은 기체상수 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹, T는 절대온도(K)이다. ΔG°unfold가 클수록 펼치기 어려운 조건이므로 접힌 분자 비율이 높아진다. 이 식은 단백질이 두 상태 사이에서 가역적 평형을 이룬다는 가정 아래 적용한다. 응집 또는 여러 중간상태가 중요하면 그대로 적용할 수 없다.

예제 4-1 | 접힌 분자 비율 계산

25.0°C에서 어떤 단백질의 표준 펼침 자유에너지가 ΔG°unfold=+12.0 kJ/mol이라고 하자. K_u와 접힌 상태의 비율을 구한다. R=0.008314 kJ·mol⁻¹·K⁻¹을 사용한다.

이 계산 결과는 분자 100개 중 약 99개가 접힌 상태에 있다는 평형 예측이다. 실제 단백질마다 ΔG°unfold와 상태 정의, 가역성이 다르므로 단순한 일반값으로 사용하지 않는다.

4. “작은” 자유에너지 차이가 안정성을 지탱한다

단백질 내부에는 많은 접촉이 존재하지만 접힘으로 얻는 유리한 효과와 펼침에서 얻는 엔트로피의 이득 등이 상쇄되므로 두 상태 간 순자유에너지 차이는 생각보다 작을 수 있다. 예를 들어 실온에서 일부 작은 구상 단백질의 펼침 자유에너지는 수십 kJ/mol 정도이다. 그렇다고 단백질의 원자 사이 개별 결합이 모두 약하다는 뜻은 아니다. 구조를 유지하는 큰 상호작용의 합과 경쟁하는 효과가 상당 부분 상쇄된 결과다.

5. 온도에 따라 단백질의 안정성도 달라진다

단순 교육용 모형으로 펼침 엔탈피 ΔH°unfold=+160 kJ/mol, 펼침 엔트로피 ΔS°unfold=+0.500 kJ·mol⁻¹·K⁻¹가 온도에 무관하다고 가정하면, ΔG°unfold(T)=160−0.500T가 된다. ΔG°unfold=0이 되는 T=320 K(약 46.9°C)에서 두 상태 비율이 50%씩이다. 이런 전이 중간 온도를 이 상태 모형의 T_m이라고 한다. 실제 단백질은 열용량 변화 ΔC_p가 있어 값이 단순 선형으로 변하지 않을 수 있고, 가열 중 비가역적 응집이 일어나면 평형 T_m 해석에 한계가 있다.

1. 온도, pH, 이온 강도, 용매, 산화·환원 환경

온도 변화는 분자들의 운동, 수화, 사슬의 형태 엔트로피와 상호작용 균형을 바꾼다. pH는 산성·염기성 곁사슬의 양성자화 상태를 변화시키고, 이온 강도는 정전기적 인력과 반발을 함께 차폐한다. 요소(urea)·구아니디늄염과 같은 변성제는 용매화와 단백질 상호작용을 변화시켜 펼침을 유도할 수 있다. 이황화결합이 중요한 단백질에서는 산화·환원 상태도 영향을 준다. 그러나 이들 변화의 방향과 크기는 단백질별로 다르다.

2. 변성(denaturation)과 응집(aggregation)은 다르다

변성은 원래의 입체구조 일부 또는 상당 부분이 무너지는 현상을 뜻한다. 응집은 여러 단백질 분자가 서로 회합하여 큰 입자·침전물 등을 형성하는 과정이다. 변성이 응집을 유발할 수 있지만 모든 변성은 응집을 수반하는 것은 아니며, 모든 응집이 동일한 메커니즘으로 발생하는 것도 아니다. 달걀 흰자가 가열되면서 하얗게 굳는 현상에는 단백질 구조 변화와 분자 간 회합·응집이 함께 관여한다. 따라서 우유·난백의 탁도만 관찰하여 두 상태 평형의 펼침 자유에너지나 T_m을 직접 결정했다고 주장하면 안 된다.

3. 아미노산 치환이 안정성에 미치는 영향

서열 변화가 항상 단백질을 불안정하게 하거나 안정화하는 것은 아니다. 내부에 매몰된 소수성 잔기를 전하를 띤 잔기로 바꾸면 불리한 수화·전하 환경이 만들어질 수 있다. 반면 표면에서 서로 가까운 같은 부호의 전하 중 하나를 중성화하면 반발이 줄어들 수 있다. 치환의 실제 효과는 주변 구조·용매 접근성·pH·결합 파트너 등 맥락에 따라 달라진다.

4. 약한 상호작용과 단백질의 기능 사이의 균형

단백질은 가능한 한 접힘 에너지가 낮아지는 방향으로만 진화한 것은 아니다. 효소 활성부위는 반응 기질과 결합하기 위해 특정한 전하와 빈 공간을 유지해야 하므로 안정성에는 불리할 수 있다. 여러 구조를 오가는 유연성은 분자 인식과 신호 전달에 필요하다. 결국 생물학적으로 유리한 구조는 단순히 가장 단단한 구조가 아니라 기능을 수행할 수 있는 안정성과 운동성을 함께 갖춘 구조일 수 있다.

1. 구조를 직접 보거나 간접적으로 추정한다

X선 결정학, 핵자기공명(NMR), 극저온 전자현미경(cryo-EM) 등은 구조에 관한 직접적 정보를 제공한다. 원형이색성(CD)과 형광분광법 등은 구조 변화의 단서를 제공할 수 있다. 시차주사열량계(DSC)는 시료를 가열하면서 흡열 신호를 측정해 전이를 분석한다. 다만 각 방법의 신호만으로 모든 단백질의 한 가지 입체구조를 완벽하게 알 수 있는 것은 아니며, 조건과 해석 모형의 한계를 고려한다. 구체적인 구조 결정법은 4.3 단원에서 다룬다.

2. 자료의 성격: 관찰, 측정, 모형을 구분한다

단백질 구조와 관련된 그래프를 읽을 때에는 (가) 실험에서 직접 측정한 값인가, (나) 문헌에서 인용한 값인가, (다) 식과 가정으로 생성한 모형 값인가를 구분해야 한다. 예를 들어 “난백 탁도”는 가열 중 응집 현상을 살펴볼 수 있지만 “접힌 분자 10%”라는 결론을 내리려면 추가적인 평형 측정과 검증이 필요하다. 문헌의 단백질별 T_m을 서로 비교할 때에도 pH·염·단백질 농도·측정 속도가 같았는지 확인해야 한다.

탐구 1 | 접촉 지도로 단백질의 구조를 해석한다 (자료 분석·40분)

목적: 아미노산 서열에서 떨어진 두 잔기가 공간에서는 가까울 수 있음을 이해하고, 접촉 개수만으로 안정성을 판정할 수 없는 이유를 토론한다. 준비물: 그림 4-10, 격자 활동지, 색연필, 스프레드시트(선택).

• 그림 4-10에서 대각선에 가까운 접촉(서열상 인접)과 대각선에서 먼 접촉(서열상 원거리)을 구분한다.
• 원거리 접촉이 많은 구조와 적은 구조의 차이를 예측하고, 단백질과 물의 접촉을 그림에 어떻게 표시할지 제안한다.
• 접촉 수를 높여도 구조가 반드시 안정해지지 않는 경우(전하 반발, 사슬 엔트로피 손실 등)를 최소 두 가지 기술한다.

탐구 2 | 온도와 난백의 탁도 변화 (실험·70분)

목적: 단백질을 가열할 때 나타나는 거시적 변화와 그로부터 추론할 수 있는 분자적 사건의 한계를 구별한다. 준비물: 희석 난백액, 투명 시험관, 항온수조 또는 온도 제어가 가능한 수욕, 온도계, 보호안경, 일회용 피펫, 스마트폰 측정 장치(선택).

• 동일한 희석 난백액을 25, 40, 55, 70, 85°C 수욕에 같은 시간(예: 5분) 동안 유지한다. 시료 온도가 목표 온도에 충분히 접근했는지 확인한다.
• 모든 시료를 같은 조명·용기·배경에서 관찰하고 탁도(가시적 순위 또는 투과광의 상대 세기)를 측정한다. 조건별 3회 이상 반복한다.
• 시료를 상온으로 식힌 뒤 혼탁이 유지되는지 확인한다. 변성, 응집, 용해도 변화 중 어떤 현상과 일치하는지 논의한다.
• 강한 산·염기나 고온 열원은 학생에게 직접 취급시키지 않고, 난백 알레르기와 화상 위험을 관리한다. 시료는 먹지 않고 실험 후 폐기한다.

탐구 3 | 단백질 접힘의 자유에너지 계산 (수리 모델링·40분)

목적: 평형상수와 ΔG°unfold를 연결하고, 온도 또는 돌연변이에 따른 접힌 분자 비율의 변화를 정량적으로 해석한다. R=0.008314 kJ·mol⁻¹·K⁻¹, T=298.15 K를 사용한다.

• 스프레드시트 A열에 ΔG°unfold = −5, 0, 4, 8, 12, 16, 20(kJ/mol)을 입력한다.
• B열의 계산식으로 =EXP(-A2/(0.008314*298.15))를 입력해 K_u를 구한다.
• C열에 =1/(1+B2)를 입력해 접힌 상태의 비율 f_N을 구하고 그래프를 그린다.
• 변이 후 ΔG°unfold가 12→8 kJ/mol로 감소한 사례를 비교하고 안정성이 감소한 이유를 자유에너지 관점에서 설명한다.

탐구 4 | 단백질 전하와 용매 환경을 설명하는 모형 만들기 (40분)

주어진 가상 단백질에는 음전하 Asp 4개와 양전하 Lys 4개가 표면에 있다. pH 변화로 두 잔기 종류의 양성자화가 바뀔 수 있다는 점을 고려해, 전하 사이의 인력·반발 변화를 논의한다. 단순히 전하 개수만 세어 실제 단백질의 접힘 상태를 확정하지 말고, 미세환경·물의 유전율·염의 차폐·소수성 상호작용 등 모형의 빠진 요소를 보고서에 명시한다.