단백질의 2차 구조(α-나선, β-병풍 구조)가 수소 결합에 의해 안정화된다고 하는데, 그 원리는 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 분자간의 결합에서 가장 중요한 것 중 하나가 수소 결합이고 이 수소 결합은 다른 분자 간의 힘에 비해서는 그 결합력이 상대적으로 세기 때문에 결합이라는 이름을 붙였다고 알고 있는데요, 단백질의 2차 구조(α-나선, β-병풍 구조)가 수소 결합에 의해 안정화된다고 하는데, 그 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 단백질의 2차 구조인 α-나선과 β-병풍 구조는 펩타이드 골격에서 형성되는 수소 결합에 의해 안정화됩니다. 이때 단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결된 선형 고분자로, 펩타이드 결합은 부분적인 이중결합 성격을 가지기 때문에 C=O와 N–H가 같은 평면 위에 고정됩니다. 이로 인해 단백질의 주사슬은 –N–Cα–C–가 반복되는 형태를 가지며, 이 과정에서 카보닐기의 C=O와 아마이드기의 N–H는 모두 수소 결합을 형성할 수 있는 중요한 요소라고 볼 수 있습니다.

먼저 α-나선 구조에서는 아미노산들이 오른손 나선 형태로 배열되며, 각 잔기의 C=O는 네 개 뒤에 위치한 잔기의 N–H와 수소 결합을 형성하는데요, 이렇게 규칙적인 결합이 나선 전체에 반복적으로 형성되면서 나선 구조가 단단히 고정됩니다. 다음으로 β-병풍 구조에서는 사슬이 일직선으로 펴진 후 서로 나란히 배열되며, 인접한 가닥 사이에서 한쪽의 C=O와 다른 쪽의 N–H가 수소 결합을 이루게 됩니다. 이때 평행 배열과 역평행 배열이 가능하며, 특히 역평행 배열은 결합이 더 직선적이어서 안정성이 높습니다. 즉, 수소 결합은 C=O 산소의 부분 음전하와 N–H 수소의 부분 양전하 간의 전기적 인력에 기반하며, 방향성이 있어 특정한 각도에서 가장 안정하게 형성되는 것인데요, 개별 결합의 힘은 약하지만 다수의 수소 결합이 규칙적으로 누적되면서 단백질의 2차 구조 전체가 매우 안정해집니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

단백질의 2차구자가 수소결합으로 인해 안정화 되는 이유는 수소결합이 규칙적으로 만들어지기 때문입니다.

이 수소결합은 NHOC 의 펩타이드 결합에서 규칙적으로 형성됩니다. 이 펩타이드 결합이 규칙적이고 반복적으로 나타나기에 구조적으로 안정성을 주게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)