4.3 단백질의 3차 및 4차 구조

α 나선과 β 판은 여러 단백질에 공통으로 등장한다. 그러나 어떤 단백질은 길고 질긴 섬유를 만들고, 다른 단백질은 한 사슬이 치밀하게 접힌 구상 형태를 가지며, 또 다른 단백질은 여러 사슬이 결합해 거대한 복합체를 구성한다. 구조의 계층적 조직과 아미노산 곁사슬의 배치는 단백질의 기능을 결정하는 주요 조건이다.

단백질의 3차 구조는 한 폴리펩타이드 사슬의 2차 구조·고리·비정형 영역을 포함한 전체 입체 배치다. 4차 구조는 둘 이상의 폴리펩타이드 사슬이 형성한 조립체의 배치다. 한 사슬이 두 도메인으로 나뉘어도 사슬이 하나라면 그 자체로 4차 구조가 되는 것은 아니다.

1. 섬유성 단백질과 구상 단백질의 특징을 비교한다

섬유성 단백질(fibrous protein)은 대체로 길게 뻗은 구조나 반복 단위가 모인 집합체를 형성해 인장력·탄성·보호 기능을 담당한다. 케라틴은 머리카락과 손톱, 콜라겐은 결합조직·힘줄·피부, 엘라스틴은 늘어났다 되돌아오는 조직의 성질과 관련된다. 다만 섬유성 단백질이 모두 불용성이거나 모두 동일한 2차 구조를 갖는다고 단정할 수는 없다.

2. α-케라틴은 coiled-coil과 이황화결합으로 강도를 얻는다

머리카락에 풍부한 α-케라틴의 중심 구조 중 하나는 두 α 나선이 서로 감긴 coiled-coil이다. 이 구조들이 단계적으로 조립되어 중간섬유를 이루고, 케라틴 사슬의 시스테인 잔기들 사이에 형성된 이황화결합은 기계적 성질을 변화시킨다. 수소결합이나 소수성 접촉 같은 비공유 상호작용도 함께 기여한다.

3. 콜라겐은 Gly-X-Y 반복과 삼중나선에 의해 강한 섬유를 만든다

콜라겐의 특징적인 서열은 (Gly-X-Y)n이다. X에는 프롤린, Y에는 4-하이드록시프롤린(Hyp)이 빈번하지만 예외도 있다. 글리신은 R기가 수소 원자 하나뿐이므로 세 사슬이 조밀하게 모이는 삼중나선 중심에 잘 들어간다. 세 사슬의 국소적 나선은 왼손 방향이며, 이들이 모인 초나선은 오른손 방향으로 감긴다.

콜라겐의 세 사슬이 합쳐진 삼중나선은 ‘여러 사슬의 조립’이라는 점에서 4차 구조의 특징을 보인다. 이후 콜라겐 분자들은 더 큰 섬유·망상조직으로 조립될 수 있다. 특정 글리신을 큰 곁사슬의 아미노산으로 바꾸면 공간적 충돌을 일으키고, 삼중나선 형성이 불리해질 수 있다.

퍼머넌트 웨이브는 케라틴의 시스테인 잔기 사이에 있는 이황화결합을 화학적으로 변화시키는 기술이다. 환원제가 이황화결합 일부를 절단하여 티올기(–SH)를 만들면 모발의 모양을 바꾸기 쉬워진다. 일정한 모양으로 고정한 뒤 과산화수소 등의 산화제를 이용해 이황화결합을 재형성하면 새로운 형태를 비교적 오래 유지할 수 있다.

이 반응식은 결합의 산화·환원 방향을 나타내는 개념적 반쪽 반응이다. 실제 제품에는 다양한 환원·산화제와 pH 조건이 사용되며, 모든 이황화결합이 동일하게 반응한다고 볼 수 없다. 약품 취급은 피부·눈 손상 위험이 있어 학생 실험으로 시행하지 않고 서열·도식 해석 활동으로 대체한다.

비타민 C(아스코르브산)는 콜라겐 생합성 과정에서 프롤린과 라이신 잔기를 수산화하는 효소의 정상 기능에 중요하다. 이 효소는 Fe²⁺, 2-옥소글루타르산, O₂를 이용하며 비타민 C는 효소에 필요한 환원 상태 유지에 기여한다. 하이드록시프롤린 등은 콜라겐 삼중나선의 안정성과 관련된다.

장기간 비타민 C가 부족하면 잇몸 출혈, 상처 회복 지연, 피부와 혈관의 결합조직 이상 등의 괴혈병 증상이 나타날 수 있다. 역사적으로 장기간의 항해에서 신선한 식품을 공급받지 못하는 상황은 위험 요인이었다. 대학생의 편중된 식사도 영양 결핍의 위험을 높일 수 있다. 이 대목은 식품 선택의 생화학적 의미를 설명하는 교육 사례다.

구상 단백질(globular protein)은 주사슬이 치밀하게 접혀 나타나는 하나 또는 여러 도메인의 공간 배치를 갖는 경우가 많다. 효소의 활성 부위, 수용체의 리간드 결합 홈, 항체의 항원 인식 표면은 곁사슬의 정확한 입체적 배열과 전하 분포에 의해 기능이 정해진다. 따라서 동일한 아미노산의 양을 가진 단백질도 서열과 구조가 다르면 기능이 크게 달라질 수 있다.

대부분의 수용성 구상 단백질에는 소수성 곁사슬이 내부에 상대적으로 많이 존재하고 극성 곁사슬이 외부에 많이 나타나는 경향이 있다. 그러나 활성부위의 소수성 포켓, 막단백질의 외부 표면과 같은 예외가 있으므로 “소수성은 반드시 내부”라는 규칙으로 외우지 않아야 한다.

단백질 자료 은행(Protein Data Bank, PDB)은 실험으로 결정된 생체고분자 구조의 원자 좌표와 관련 자료를 보존·공유하는 공개 구조 저장소다. <RCSB PDB> 웹사이트에서 구조를 검색하면 단백질 서열, 결합 리간드, 사용된 구조 결정법, 일부 해상도 지표, 소단위 구성, 생물학적 조립체 등의 정보를 확인할 수 있다.

단, PDB 구조는 측정값과 구조 모형의 조합이다. 하나의 좌표 파일이 수용액에서 가능한 모든 입체형태를 나타내지는 않는다. 또한 결정의 비대칭 단위(asymmetric unit)는 생체 내에서 실제 기능을 수행하는 생물학적 조립체(biological assembly)와 반드시 같지 않다.

존 켄드루 연구진이 수행한 향유고래 마이오글로빈의 X선 결정구조 분석은 단백질 구조 연구의 초기 이정표다. 향유고래 마이오글로빈은 일반적으로 아미노산 153개로 이루어진 하나의 폴리펩타이드 사슬이며, 주로 α 나선이 차지하고 헴(heme)을 품는 소수성 포켓이 형성된다. 헴의 철 이온은 산소와 가역적으로 결합할 수 있다.

헴 철과 결합하는 근위 히스티딘(proximal His, F8)과 산소 결합 부근의 원위 히스티딘(distal His, E7)은 서로 다른 역할을 한다. 근위 히스티딘은 헴 철에 배위결합하고, 원위 히스티딘은 결합 주머니의 공간 배치와 산소 결합 환경에 영향을 준다. 단백질이 미세하게 움직이기 때문에 산소가 주머니에 드나들 수 있다.

단백질은 α 나선이 우세한 전체 α형, β 가닥이 우세한 전체 β형, α 나선과 β 판이 함께 배열된 α/β형과 α+β형 등 다양한 폴드를 가진다. ‘폴드(fold)’는 2차 구조 요소의 배치와 연결 방식까지 반영한 전체적인 구조적 틀을 가리킨다. 비슷한 폴드가 서로 다른 서열에서 나타날 수 있고, 폴드가 유사해도 생리 기능은 달라질 수 있다.

모티프(motif)와 도메인(domain)은 같은 말이 아니다

초2차 구조 모티프는 β–α–β, β 헤어핀, 그리스 키처럼 반복적으로 나타나는 국소 구조의 배열이다. 도메인은 한 사슬 안에서 비교적 독립적으로 접히거나 기능을 수행할 수 있는 구조 단위를 뜻한다. 큰 단백질은 여러 도메인으로 구성될 수 있으며, 하나의 도메인 안에 여러 모티프가 나타날 수 있다. 모티프는 항상 독립적으로 접히는 단위가 아니다.

구조생물학 연구는 관찰되는 신호로부터 분자의 3차원 모형을 추론한다. X선 결정학에서는 결정의 회절 자료로부터 전자밀도 지도를 얻어 원자 모형을 구축한다. 용액 NMR은 핵스핀의 공명 정보와 원자 간 거리 제약 등을 활용한다. 단일입자 저온전자현미경(cryo-EM)은 급속 냉동된 시료의 다수 2차원 입자 영상으로부터 3차원 밀도 지도를 재구성한다.

X선 결정학은 결정화가 필요하다는 제약이 있고, NMR에는 시료 크기·농도·동역학 관련 제약이 있다. cryo-EM은 큰 복합체에서 특히 유용하지만 모든 시료가 높은 해상도로 재구성되는 것은 아니다. 또한 계산 구조 예측은 실험을 보완할 수 있지만, 예측 좌표와 실험 관찰을 동일하게 취급하지 않아야 한다.

구조 분해능을 표현할 때 자주 사용하는 1 Å(옹스트롬)는 0.1 nm다. 같은 방식으로 산출된 구조에서 분해능 값이 작을수록 대체로 더 미세한 구조를 해석할 수 있으나, 구조 모형의 정확성은 국소 품질·측정법·검증 지표까지 함께 평가해야 한다.

모든 단백질이 하나의 안정된 3차 구조만 갖는 것은 아니다. 내재적으로 무질서한 단백질(IDP)이나 무질서 영역(IDR)은 특정 조건에서 하나의 고정된 입체구조보다 여러 입체형태가 공존하는 상태를 나타낼 수 있다. 이러한 영역은 세포 신호 전달, 다양한 결합 상대 인식, 전사 조절 등에서 중요한 기능을 담당한다.

일부 무질서 영역은 결합 상대를 만나며 질서화되지만, 결합한 상태에서도 상당한 유연성을 유지하는 경우가 있다. PDB 구조에 특정 구간의 좌표가 누락되었다고 해서 해당 구간이 반드시 생체 내에서 무질서하다는 직접 증거가 되는 것은 아니다. 결정화·측정·모델링상의 이유로도 좌표가 빠질 수 있다.

반복되는 모티프와 폴드를 비교하면 새로운 단백질의 구조적 특징을 분류할 수 있다. 모티프는 짧은 구조 배치이고, 도메인은 더 큰 접힘 단위이며, 폴드는 전체적인 위상학적 연결 방식이다. 서열 유사성, 구조 유사성, 기능의 공통점을 함께 살펴야 하며 구조의 닮음만으로 공통 조상이나 동일 기능을 단정해서는 안 된다.

소단위(subunit) 두 개가 모이면 이합체(dimer), 네 개가 모이면 사량체(tetramer)라고 한다. 같은 종류의 사슬로 이루어지면 동종 복합체(homo-oligomer), 다른 사슬 종류가 섞이면 이종 복합체(hetero-oligomer)라고 한다. 조립체는 소단위 간 수소결합·염다리·소수성 접촉 등으로 안정화되며, 일부 복합체에는 공유결합도 존재할 수 있다.

단백질 복합체 형성은 안정성·조절·기능의 분업에 이점을 준다. 그러나 복합체의 크기가 크다고 효소 반응 속도나 안정성이 반드시 커지는 것은 아니다. 헤모글로빈 HbA는 두 개의 α 사슬과 두 개의 β 사슬로 이루어진 이종 사량체의 대표 사례다. 산소 결합의 협동성은 5.1단원에서 자세히 다룬다.

소단위의 질량을 계산할 때의 조건

공유결합 형성에 따른 질량 변화나 보조인자 질량 등을 무시하는 단순 모형에서는 복합체의 총질량을 소단위 몰질량의 합으로 추정할 수 있다. 예를 들어 각각 17 kDa, 17 kDa, 26 kDa인 세 단백질 사슬이 하나씩 결합한 삼량체의 사슬 질량 합은 60 kDa다. 실제 생체복합체는 금속·핵산·지질 등의 구성요소를 가질 수 있으므로 전체 입자 질량과 단백질 사슬 질량 합을 구분해야 한다.