2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

4.4 단백질의 변성과 접힘

변성, 서열이 구조를 결정, 접힘 경로, 샤페론, 접힘 질환.

9 SECTIONS표 5그림 20인쇄 지원

01

들어가기 | 단백질은 왜 접히며, 왜 때로는 구조를 잃는가?

변성 = 열·pH·요소·구아니디늄염·계면활성제가 고차 구조를 무너뜨려 활성 상실
활성은 구조가 완전히 무너지기 전에 먼저 소실되는 경우가 많음
가역적 변성(재생 가능)과 비가역적 응집을 구분
변성(구조 변화)과 단백질 분해(결합 절단)는 다른 현상
변성 요인별 영향: 가열(운동·자유에너지), 극단 pH(이온화·염다리), 요소(용매 상호작용), SDS(소수성 결합), 환원제(S–S 절단)

그림 4.4-1천연 구조(N), 변성 상태(U), 응집체(A)의 개념적 차이. 단백질 변성은 하나의 일정한 펼침 구조를 의미하지 않는다.

02

4.1 단백질 구조의 상실은 기능 상실을 초래한다

안핀센의 리보뉴클레이스 A 실험 = 변성 후 재생만으로 활성 회복 → 서열이 구조를 결정
가능한 이황화결합 배치 수가 많아도 실제로는 하나만 선택됨
네이티브 상태 = 접근 가능한 상태 중 열역학적으로 가장 안정한 상태
서열은 구조를 암호화하지만 접힘 경로까지 유일하게 정하지는 않음

그림 4.4-2열·pH·변성제·계면활성제·환원제가 단백질의 고차 구조에 영향을 주는 일반적 경로. 환원제는 특정 이황화결합까지 변화시킬 수 있다.

표 4.4-1변성 요인 · 주된 분자적 영향 · 관찰 가능한 결과 · 주의할 점

그림 4.4-3가역적 재접힘과 사슬 간 응집 경로의 차이. 가역성 여부는 단백질의 종류, 농도, 가열 시간과 조건에 따라 달라진다.

03

4.2 아미노산 서열이 3차 구조를 결정한다

레빈탈의 역설 = 모든 구조를 무작위로 시도하면 시간이 우주 나이를 초과
접힘 에너지 지형(funnel) = 많은 병렬 경로가 같은 네이티브 상태로 수렴
2차 구조가 먼저 형성되고 소수성 붕괴로 molten globule을 거침
열역학적 안정성(ΔG)과 접힘 속도(ΔG‡)는 별개
T_m = 접힌 분율이 50%가 되는 온도, 안정성의 지표

가능한 짝짓기 수 = (8 − 1)!! = 7 × 5 × 3 × 1 = 105

K_U = [U]/[N] ΔG_unfold = −RT ln K_U

F_N = [N]/([N] + [U]) = 1/(1 + K_U) = 1/(1 + e^(−ΔG_unfold/RT))

그림 4.4-4안핀센의 RNase A 실험을 단계별로 단순화한 개념도. 원래 8개 Cys가 4개 이황화결합을 형성하며, 산화·환원 조건은 실제 실험에서 중요하다.

그림 4.4-5교육용 가상 자료: 요소에 해당하는 변성제의 농도가 증가할 때 상대 효소 활성이 감소하는 모습을 모형화했다. 실제 RNase A 실측곡선이 아니다.

그림 4.4-6접힌 상태 N과 펼친 상태 U의 자유에너지 및 활성화 장벽을 나타낸 정성적 모형. 장벽의 높이는 평형분율과 별도로 반응 속도에 영향을 준다.

그림 4.4-7K의 2상태 모형에서 ΔG_unfold와 접힌 분율 F_N의 관계를 계산한 그래프. 양의 ΔG_unfold가 클수록 접힌 상태가 유리하다.

표 4.4-2ΔG_unfold (kJ/mol) · K_U = [U]/[N] · F_N (298 K) · 해석

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4.3 폴리펩타이드는 여러 경로를 통해 빠르게 접힐 수 있다

분자 샤페론 = 잘못된 사슬 간 결합과 응집을 억제하고 격리된 환경 제공
Hsp70 = 기질을 결합·방출하며 반복 시도(ATP 사용)
Hsp60/샤페로닌 = 격리된 방에서 접힘 재시도(세균 GroEL/GroES)
PDI = 이황화결합 형성·교환 촉진 / PPIase = Pro 인접 펩타이드 결합의 cis/trans 이성질화
품질 관리 = 재접힘 + 제거(단백질분해)의 두 경로
샤페론은 최종 구조를 지정하지 않고 off-pathway 함정을 막음

F_N(t) = 1 − e^(−kt) t₁/₂ = ln 2 / k

그림 4.4-8접힘 깔때기 모형. 실제 자유에너지 지형은 많은 자유도를 가지며, 이 그림은 여러 경로와 낮은 자유에너지 방향의 경향을 2차원에 투영했다.

그림 4.4-9여러 경로를 통한 부분 접힘과 천연 구조 형성의 개념도. 어떤 단백질은 식별 가능한 중간체 없이도 접힌다.

그림 4.4-10k = 0.25 s⁻¹일 때의 교육용 1차 반응 모형. 가로축은 시간, 세로축은 접힌 분율이다.

그림 4.4-11ΔH_m = 210 kJ/mol, T_m = 335 K로 가정한 교육용 2상태 열변성 모형. 실제 실험곡선이 아니다.

05

4.4 몇 가지 단백질은 도움을 받아 접힌다

낭성 섬유증 = CFTR(F508del) 접힘·가공·막 수송 저하 → 기능 상실
α1-항트립신 결핍 = 변이 단백질 중합·분비 저하로 세포 내 축적
오접힘이 항상 같은 질병 경로를 만드는 것은 아님(기능 상실형 vs 독성 획득형)
알츠하이머 = Aβ·타우 응집과 복합적 병리

그림 4.4-12Hsp70 계열이 펼친 구간에 결합·방출하는 ATP 연계 주기의 개념도. 실제 보조 샤페론과 반응 단계는 더 복잡하다.

그림 4.4-13세균 GroEL/GroES의 ATP 의존적 결합·격리·방출 과정. 실제 단백질 복합체의 원자 구조를 재현하지 않은 개념도다.

표 4.4-3구분 · 대표 단백질 · 주요 기능 · ATP 필요성

그림 4.4-14단백질 이황화결합의 재배열(PDI)과 프롤린 주변 이성질화(PPIase)의 역할을 나타낸 개념도.

그림 4.4-15신생 단백질의 접힘·재접힘·분해 경로를 요약한 품질 관리 흐름도. 그림은 각 경로의 상대적 빈도를 의미하지 않는다.

06

4.5 단백질 접힘의 결함은 유전질환과 여러 질환의 분자적 기전이 될 수 있다

프리온 = PrP의 비정상 입체형태가 정상형을 같은 형태로 전환하며 증폭
핵산 없이 단백질 구조만으로 전파되는 예외적 기전
PRNP 유전자는 정상 PrP를 암호화하며, 구조 전파는 DNA 복제와 다름
산발형이 다수를 차지하고 유전형·의료 관련 전파도 존재
모든 응집체가 프리온은 아니며 응집과 구조 전파 능력을 구분해야 함

그림 4.4-16정상 CFTR과 F508del의 주요 차이를 나타낸 개념도. 세포막 도달·분해 비율은 유전형과 조건에 따라 달라진다.

그림 4.4-17세 가지 질환에서 단백질 구조 이상이 나타나는 서로 다른 방식. 질환의 복잡한 병리 전체를 재현한 그림은 아니다.

그림 4.4-18무정형 응집과 방향성을 가진 아밀로이드 섬유의 개념 비교. 실제 아밀로이드 구조는 단백질과 조건에 따라 달라진다.

표 4.4-4사례 · 관련 단백질 · 주요 분자 사건 · 핵심 학습 개념

07

[별도설명 4-6] 잘못된 단백질 접힘에 의한 죽음: 프리온 병

어떤 신호가 어떤 현상을 보여주는지 구분: 탁도(응집), CD(2차 구조), 형광(국소 환경), DSC(열역학)
열변성 곡선에서 접힌 분율이 50%가 되는 온도가 T_m
가역성과 열적 평형을 점검해야 신뢰할 수 있는 ΔG 산출 가능

그림 4.4-19정상 PrP와 병적 입체형태가 관련된 전환·응집의 개념 모형. 분자 구조의 특정 원자 좌표를 표시한 그림은 아니다.

표 4.4-5질문 · 과학적으로 구분할 사항

08

4.6 접힘과 변성을 정량적으로 연구한다

탐구 활동 = 교재 수록 탐구로, 본 웹 교재에서는 제외

F_N = (Y_obs − Y_U)/(Y_N − Y_U) [두 상태 신호가 선형 혼합된다고 가정]

그림 4.4-20접힘·변성 실험에서 자주 사용하는 측정법과 각 방법이 주로 보고하는 변화를 구분했다.

09

교재 참고 문헌 및 자료 검증 기준

참고 문헌·자료 검증 기준 = 본 웹 교재에서는 제외

참조 자료 · References

**표 4.4-1**변성 요인 · 주된 분자적 영향 · 관찰 가능한 결과 · 주의할 점
변성 요인	주된 분자적 영향	관찰 가능한 결과	주의할 점
가열	상태 간 자유에너지와 분자 운동 변화	활성 감소, 탁도 증가	열변성과 응집은 구분해야 함
강한 pH 변화	곁사슬의 이온화·염다리 변화	용해도 또는 활성 변화	단백질의 pH 최적 조건은 다름
요소·구아니디늄염	단백질·용매 상호작용 재분배	접힘 상태 분율 변화	농도와 시간의 영향 존재
SDS 등 계면활성제	소수성 표면에 결합·구조 붕괴	SDS-PAGE에서 사슬 분리	막단백질은 조건이 다를 수 있음
환원제	Cys-Cys 이황화결합 환원	특정 단백질의 안정성 감소	모든 단백질에 S-S가 있는 것은 아님

**표 4.4-2**ΔG_unfold (kJ/mol) · K_U = [U]/[N] · F_N (298 K) · 해석
ΔG_unfold (kJ/mol)	K_U = [U]/[N]	F_N (298 K)	해석
+10.0	0.0177	0.983	접힌 상태 크게 우세
+5.0	0.133	0.883	접힌 상태 우세
0.0	1.000	0.500	두 상태 같은 분율
−2.5	2.742	0.267	펼친 상태 우세

**표 4.4-3**구분 · 대표 단백질 · 주요 기능 · ATP 필요성
구분	대표 단백질	주요 기능	ATP 필요성
Hsp70 계열	DnaK·Hsp70·BiP	부분 접힘 사슬의 결합·방출·응집 방지	일반적으로 주기 조절에 필요
샤페로닌	세균 GroEL/GroES, 일부 Hsp60	격리된 공간에서 접힘 재시도	일반적으로 필요
PDI	단백질 이황화 이성질화효소	이황화결합 형성·교환 촉진	반응과 재생 체계에 따라 다름
PPIase	펩티딜프롤릴 이성질화효소	Pro 인접 펩타이드 결합의 cis/trans 이성질화	효소마다 다름

**표 4.4-4**사례 · 관련 단백질 · 주요 분자 사건 · 핵심 학습 개념
사례	관련 단백질	주요 분자 사건	핵심 학습 개념
낭성 섬유증의 일부 유형	CFTR (예: F508del)	접힘·가공·막 수송 저하	기능 상실·품질 관리
α1-항트립신 결핍의 일부 유형	α1-항트립신	변이에 따른 중합·분비 저하	오접힘·세포 내 축적
알츠하이머병	Aβ·타우	응집과 다양한 세포 손상 경로의 관련성	비정상 응집·복합적 병리
프리온 질환	PrP	비정상 접힘 구조의 전환 증폭	구조 의존적 자기 증폭

**표 4.4-5**질문 · 과학적으로 구분할 사항
질문	과학적으로 구분할 사항
프리온에도 유전자가 있는가?	PrP 단백질을 암호화하는 PRNP 유전자가 존재한다. 단백질 구조의 전파 자체는 DNA 복제와 다르다.
모든 CJD가 유전성인가?	아니다. 산발형이 다수이며 유전형·의료 관련 전파 등 여러 유형이 존재한다.
모든 단백질 응집체가 프리온인가?	아니다. 응집과 구조적 전파 능력을 구분해야 한다.
학교에서 실제 프리온 실험을 하는가?	아니다. 감염성 시료를 사용하지 않고 그림·자료 기반으로만 분석한다.

천연 구조(N), 변성 상태(U), 응집체(A)의 개념적 차이. 단백질 변성은 하나의 일정한 펼침 구조를 의미하지 않는다. — 그림 4.4-1천연 구조(N), 변성 상태(U), 응집체(A)의 개념적 차이. 단백질 변성은 하나의 일정한 펼침 구조를 의미하지 않는다.

열·pH·변성제·계면활성제·환원제가 단백질의 고차 구조에 영향을 주는 일반적 경로. 환원제는 특정 이황화결합까지 변화시킬 수 있다. — 그림 4.4-2열·pH·변성제·계면활성제·환원제가 단백질의 고차 구조에 영향을 주는 일반적 경로. 환원제는 특정 이황화결합까지 변화시킬 수 있다.

가역적 재접힘과 사슬 간 응집 경로의 차이. 가역성 여부는 단백질의 종류, 농도, 가열 시간과 조건에 따라 달라진다. — 그림 4.4-3가역적 재접힘과 사슬 간 응집 경로의 차이. 가역성 여부는 단백질의 종류, 농도, 가열 시간과 조건에 따라 달라진다.

안핀센의 RNase A 실험을 단계별로 단순화한 개념도. 원래 8개 Cys가 4개 이황화결합을 형성하며, 산화·환원 조건은 실제 실험에서 중요하다. — 그림 4.4-4안핀센의 RNase A 실험을 단계별로 단순화한 개념도. 원래 8개 Cys가 4개 이황화결합을 형성하며, 산화·환원 조건은 실제 실험에서 중요하다.

교육용 가상 자료: 요소에 해당하는 변성제의 농도가 증가할 때 상대 효소 활성이 감소하는 모습을 모형화했다. 실제 RNase A 실측곡선이 아니다. — 그림 4.4-5교육용 가상 자료: 요소에 해당하는 변성제의 농도가 증가할 때 상대 효소 활성이 감소하는 모습을 모형화했다. 실제 RNase A 실측곡선이 아니다.

접힌 상태 N과 펼친 상태 U의 자유에너지 및 활성화 장벽을 나타낸 정성적 모형. 장벽의 높이는 평형분율과 별도로 반응 속도에 영향을 준다. — 그림 4.4-6접힌 상태 N과 펼친 상태 U의 자유에너지 및 활성화 장벽을 나타낸 정성적 모형. 장벽의 높이는 평형분율과 별도로 반응 속도에 영향을 준다.

K의 2상태 모형에서 ΔG_unfold와 접힌 분율 F_N의 관계를 계산한 그래프. 양의 ΔG_unfold가 클수록 접힌 상태가 유리하다. — 그림 4.4-7K의 2상태 모형에서 ΔG_unfold와 접힌 분율 F_N의 관계를 계산한 그래프. 양의 ΔG_unfold가 클수록 접힌 상태가 유리하다.

접힘 깔때기 모형. 실제 자유에너지 지형은 많은 자유도를 가지며, 이 그림은 여러 경로와 낮은 자유에너지 방향의 경향을 2차원에 투영했다. — 그림 4.4-8접힘 깔때기 모형. 실제 자유에너지 지형은 많은 자유도를 가지며, 이 그림은 여러 경로와 낮은 자유에너지 방향의 경향을 2차원에 투영했다.

여러 경로를 통한 부분 접힘과 천연 구조 형성의 개념도. 어떤 단백질은 식별 가능한 중간체 없이도 접힌다. — 그림 4.4-9여러 경로를 통한 부분 접힘과 천연 구조 형성의 개념도. 어떤 단백질은 식별 가능한 중간체 없이도 접힌다.

k = 0.25 s⁻¹일 때의 교육용 1차 반응 모형. 가로축은 시간, 세로축은 접힌 분율이다. — 그림 4.4-10k = 0.25 s⁻¹일 때의 교육용 1차 반응 모형. 가로축은 시간, 세로축은 접힌 분율이다.

ΔH_m = 210 kJ/mol, T_m = 335 K로 가정한 교육용 2상태 열변성 모형. 실제 실험곡선이 아니다. — 그림 4.4-11ΔH_m = 210 kJ/mol, T_m = 335 K로 가정한 교육용 2상태 열변성 모형. 실제 실험곡선이 아니다.

Hsp70 계열이 펼친 구간에 결합·방출하는 ATP 연계 주기의 개념도. 실제 보조 샤페론과 반응 단계는 더 복잡하다. — 그림 4.4-12Hsp70 계열이 펼친 구간에 결합·방출하는 ATP 연계 주기의 개념도. 실제 보조 샤페론과 반응 단계는 더 복잡하다.

세균 GroEL/GroES의 ATP 의존적 결합·격리·방출 과정. 실제 단백질 복합체의 원자 구조를 재현하지 않은 개념도다. — 그림 4.4-13세균 GroEL/GroES의 ATP 의존적 결합·격리·방출 과정. 실제 단백질 복합체의 원자 구조를 재현하지 않은 개념도다.

단백질 이황화결합의 재배열(PDI)과 프롤린 주변 이성질화(PPIase)의 역할을 나타낸 개념도. — 그림 4.4-14단백질 이황화결합의 재배열(PDI)과 프롤린 주변 이성질화(PPIase)의 역할을 나타낸 개념도.

신생 단백질의 접힘·재접힘·분해 경로를 요약한 품질 관리 흐름도. 그림은 각 경로의 상대적 빈도를 의미하지 않는다. — 그림 4.4-15신생 단백질의 접힘·재접힘·분해 경로를 요약한 품질 관리 흐름도. 그림은 각 경로의 상대적 빈도를 의미하지 않는다.

정상 CFTR과 F508del의 주요 차이를 나타낸 개념도. 세포막 도달·분해 비율은 유전형과 조건에 따라 달라진다. — 그림 4.4-16정상 CFTR과 F508del의 주요 차이를 나타낸 개념도. 세포막 도달·분해 비율은 유전형과 조건에 따라 달라진다.

세 가지 질환에서 단백질 구조 이상이 나타나는 서로 다른 방식. 질환의 복잡한 병리 전체를 재현한 그림은 아니다. — 그림 4.4-17세 가지 질환에서 단백질 구조 이상이 나타나는 서로 다른 방식. 질환의 복잡한 병리 전체를 재현한 그림은 아니다.

무정형 응집과 방향성을 가진 아밀로이드 섬유의 개념 비교. 실제 아밀로이드 구조는 단백질과 조건에 따라 달라진다. — 그림 4.4-18무정형 응집과 방향성을 가진 아밀로이드 섬유의 개념 비교. 실제 아밀로이드 구조는 단백질과 조건에 따라 달라진다.

정상 PrP와 병적 입체형태가 관련된 전환·응집의 개념 모형. 분자 구조의 특정 원자 좌표를 표시한 그림은 아니다. — 그림 4.4-19정상 PrP와 병적 입체형태가 관련된 전환·응집의 개념 모형. 분자 구조의 특정 원자 좌표를 표시한 그림은 아니다.

접힘·변성 실험에서 자주 사용하는 측정법과 각 방법이 주로 보고하는 변화를 구분했다. — 그림 4.4-20접힘·변성 실험에서 자주 사용하는 측정법과 각 방법이 주로 보고하는 변화를 구분했다.