단백질의조성과구조

Protein composition and structure

Chapter 2

- 단백질은 생명체에서 가장 다양한 고분자 물질이며, 생명현상에 있어 아

주 중요한 기능을 수행한다

= 촉매제 (효소, Catalysts)

= 대사물질의 운반 및 저장 (Transporter and store other molecules)

= 기계적 지지 (Mechanical support)

= 면역 (Immune protection)

= 운동 (Generate movement)

= 신경신호 전달

= 신호 조절 (성장 및 분화조절)

- 어떻게 다양한 기능을 수행하는가?

= 단백질은 아미노산의 선형중합체 임.

= 아미노산 작용기의 다양성: alcohol, thiol, thioether, carboxylic acid,

carbamide, and basic groups

= 단백질은 다른 단백질 또는 다른 생체 고분자 물질과 상호작용함.

= 단백질의 구조의 다양성: 경직성 단백질, 유연 단백질

- 주요내용

= 단백질의 구성: 20 amino acids (AAs)

= 단백질 1차 구조

= 단백질 2차 구조

= 단백질 3차 구조

= 단백질 4차 구조

= 단백질의 1차 구조가 3차 구조를 결정함

아미노산 (Amino acids) : 단백질의 기본단위

- amino acids: a-carbon, amino group, carboxylic group, hydrogen atom,

and a distinctive R-group.

- Side chain: R-group of amino acid

- L- and D-amino acid

= Chiral carbon:

2.1 단백질의구성성분: 20 가지아미노산

1) L-amino acids가 단백질에서 발견됨

- 왜 L-amino acids만 발견되는지 모름

- 중성 pH에서 쌍극성 이온 (Zwitterion (dipolar ions))

= pKa of carboxylic acid group: 2.0

= pKa of amino group: 9.0

2) Amino Acids

- 아미노산은 side chains의 성질에 따라 분류함.

= size, shape, charge, hydrogen bonding capacity, hydrophobic character,

chemical reactivity

2-1) 소수성 amino acids

- Simple amino acids: Glycine (Gly, G) and Alanine (Ala, A)

- 탄화수소성 amino acids: Valine, Leucine, Isoleucine, Methionine, and Proline

= Hydrophobic side chain: 단백질 구조에서 소수성 효과를 냄

= Val, Leu, Ile : branch chained amino acids

= Met: thioether group

= Proline: side chain connects

the a-carbon and amino group

ring 구조에 의한 단백질 구조에

영향을 줌

- 방향족 amino acids: Phenylalanine, Tyrosine, and Tryptophan

= Aromatic ring: benzene ring structure

= Phenylalanine: hydrophobic

= Tyrosine: hydroxyl group

(reactive group)

= Tryptophane: indole group (two ring structure with amine group)

2-2) 극성 amino acids: Serine, Threonine, Asparagine, Glutamine, and

Cysteine. (Hydrophilic)

= Serine and Threonine: hydroxyl group.

= Asparagine and Glutamine: carboxamide group.

= Cysteine: sulfhydryl (thiol) group.

2-3) 극성 전하를 띈 amino acids: Lysine, Arginine, Histidine, Glutamic acid,

Aspartic acid (Hydrophilic)

= Acidic amino acid: Glutamic acid, Aspartic acid.

= Basic amino acid: Lysine (primary amine group), Arginine (Guanidium

group), Histidine (imidazol group).

Ionization of imidazol ring in Histidine

pKa=6.0

3) 왜 단백질에는 20개의 amino acid만 존재할까?

- Diversity: 단백질의 다양한 기능을 수행할 작용기로 작동함.

- Availability: 생명체가 탄생하기 이전에 존재하고 있었음.

- Low reactivity: 반응성이 높은 amino acid는 다른 화합물로 전환되었음.

- Proteins: linear polymers formed by linking the a-carboxyl group of AA

and a-amino group of other AA. (Peptide bond)

- Peptide bond: Dehydro-condensation reaction

- 펩티드 결합의 형성은 에너지를 요구하는 과정임.

2.2 일차구조: 아미노산은펩티드결합에의해 polypeptide 사슬을형성

1) Polypeptide: 펩티드 결합에 의해 연결된 아미노산 중합체

- 잔기 (Residues): Each amino acid in polypeptide

- Polypeptide는 방향성을 가짐 (same as nucleic acids)

= N (amino)-terminal: Beginning of a polypeptide.

= C (carboxyl)-terminal: End of a polypeptide

= 주사슬 (Main chain; backbone): peptide bond and a-Carbon chain

= 곁사슬 (Side chain): 아미노산의 곁사슬 (R-group)

= 펩티드결합은 수소결합을 할 수 있는 능력이 있음: hydrogen acceptors

(carbonyl carbon)과 hydrogen donor (N-H 결합)

수소결합은 단백질의 구조를 안정화 시킴.

2) 단백질의 분자량

- 일반적인 단백질은 50에서 2000개의 아미노산으로 구성됨

- Largest protein: titin (27,000 AAs)

- 아미노산의 평균 분자량: 110 g/mol

= Polypeptide molecular weight: 5500 – 220,000 g/mol

- Unit of molecular weight: Dalton (Da)

= 1 달톤은 수소 원자량과 같음

3) 이황화결합 (Disulfide bond):

- Bond between thiol (sulfhydryl)

group of cystein

- Cystine: two linked cystein

residues by disulfide bond.

1. 단백질의 amino acid 순서는 유전자에 의해 결정된다.

- Insulin: 최초로 아미노산 순서가 결정된 단백질임 (Fredrick Sanger)

- 단백질 1차 구조 (Primary sequence of proteins): 단백질의 amino acid 서열

= 유전정보에 의해 결정됨

Insulin maturation andits sequence

- 단백질의 1차 구조의 정보가 필요한 이유?

• 각 단백질의 작용기전을 규명

• 각 단백질의 3차 구조를 밝힘: 단백질의 생리학적 기능에 중요함

• 질병의 분자병리학적 원인 규명: 돌연변이를 규명

• 진화역사를 분자수준에서 연구할 수 있음

2. Polypeptide chain은 유연성이 있지만 입체형태는 제한됨.

- peptide bond의 중요한 특성:

= peptide bond은 평면구조이다.

peptide bond에 연결된 6개 원자는 한 평면 위에 존재한다.

Why??

= 펩타이드 결합은 2중 결합의 특성을 가짐

Length of C-N of peptide bond: 1.32 Å

cf) C-N: 1.49 Å , C=N; 1.27 Å

= peptide bond은 전하를 갖지 않음: 따라서 아미노산 중합체가 구형단백질을

형성할 수 있도록 함.

- Peptide 결합에서 작용기의 공간배치

= Peptide bond는 평면구조이며, 부분 이중결합임

= 분자의 작용기는 두 가지 공간배치가 가능함

trans:

cis:

= 단배질의 대부분의 펩타이드 결합은 trans 형임.

cis 형 공간배치는 구조적 방해 (Steric hindrance)가 일어남.

= Proline은 cis 형을 만들 수 있음

Common peptideconfiguration

Proline peptideconfiguration

- polypeptides의 배향구조 (conformation)

= a-carbon의 양쪽은 단일결합

회전이 가능함

= 회전각

Φ (phi):

Ψ (psi):