단백질은 어떤 원리로 모양이 만들어지고 기능을 하게되나요?
DNA에서 mRNA를 전사해서 단백질을 번역한다는데,
단백질은 아미노산을 순서대로 붙여서 만드는 걸로 알고 있거든요?
이 경우 선형으로 아미노산이 붙을 텐데 단백질은 다양한 입체구조를 띠기 때문에 효소처럼 특정한 기능을 하잖아요.
그런데 단백질은 어떻게 모양이 잡히고, 또 기능을 하게 되는 건가요?
단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 만들어지는데, 이렇게 형성된 폴리펩타이드 사슬은 다양한 물리화학적 상호작용을 통해 고유한 입체 구조를 형성하게 됩니다. 이 과정을 단백질 접힘(protein folding)이라고 합니다. 단백질의 아미노산 서열에 따라 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용, 반데르발스 힘 등이 작용하여 안정적인 3차 구조를 형성하게 되는데, 이 구조야말로 단백질의 기능을 결정하는 핵심 요소입니다. 특정 모양으로 접힌 단백질은 효소로서 기질과 결합하여 반응을 촉매하거나, 수용체로서 신호 전달에 관여하기도 하며, 구조 단백질로서 세포나 조직의 형태를 유지하는 등 다양한 생물학적 기능을 수행하게 됩니다. 이렇게 단백질의 아미노산 서열이 결정되면, 자발적인 접힘 과정을 통해 고유한 입체 구조를 형성하고, 이를 바탕으로 특정한 기능을 수행하게 되는 것입니다.
단백질의 모양이 잡히는 것은 단백질을 만들어지고 난 뒤에 원자나 분자의 종류에 따라서 접히게 됩니다
공유 결합이나 반대르 발스 힘 등으로 인해서 원자들의 자연적인 인력과 척력에 의해서 단백질이 접히게 되고이 과정에서 단백질이 기능을 하게 됩니다.
단백질의 형성과 기능은 세포 내에서 일어나는 복잡하고 정교한 과정으로, 유전자 발현에서 시작됩니다. 먼저, DNA의 특정 유전자가 전사되어 mRNA가 생성됩니다. 이 mRNA는 세포질로 이동하여 리보솜에 의해 단백질로 번역됩니다. 이 과정에서 mRNA의 코돈은 tRNA에 의해 대응되는 아미노산으로 번역되고, 리보솜은 이 아미노산들을 선형으로 연결하여 폴리펩타이드 사슬을 형성합니다. 하지만 이 선형의 폴리펩타이드 사슬은 단순히 직선형으로 존재하는 것이 아니라, 특정한 입체 구조를 형성해야 기능을 할 수 있습니다. 이 구조는 1차 구조에서 2차 구조로, 그리고 3차 구조로 접히면서 점차 복잡해집니다. 1차 구조는 아미노산의 순서를 나타내고, 2차 구조는 폴리펩타이드 사슬이 알파 나선이나 베타 병풍과 같은 패턴으로 접히는 것을 의미합니다. 3차 구조에서는 2차 구조들이 더욱 복잡하게 접히고 꼬이면서 단백질의 전체적인 입체 구조를 형성합니다. 이러한 구조는 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용, 반 데르 발스 힘, 이황화 결합 등의 다양한 화학적 상호작용에 의해 안정화됩니다. 단백질이 기능을 할 수 있는 이유는 바로 이 입체 구조에 있습니다. 효소와 같은 단백질은 특정 기질과 결합하여 화학 반응을 촉매하는데, 이는 효소의 활성 부위가 기질에 맞는 특정한 입체 구조를 가지고 있기 때문입니다. 수용체 단백질은 신호 분자와 결합하여 세포 내 신호 전달을 개시하고, 운반체 단백질은 세포막을 통해 특정 물질을 운반하며, 구조적 단백질은 세포나 조직의 구조를 형성합니다.
네, DNA에 저장된 유전정보가 mRNA를 통해 단백질로 발현이 되는데요, 이 단백질은 크게 1, 2, 3, 4차구조를 가지고 있습니다. 우선 유전정보에 따라 만들어진 아미노산의 폴리펩티드 일차서열을 1차구조라고 합니다. 이 폴리펩티드에서 아미노산의 아미노기와 카르복실기 간의 수소결합을 통해 알파나선이나 베타병풍이라는 부분적인 입체구조를 가진 것을 2차구조라고 하고요. 이후 아미노산이 아미노기와 카르복실기 외에 가지고 있는 곁사슬 R그룹의 특성에 따라 이온결합, 소수성상호작용, 이황화결합 등을 형성하는데 이를 통한 전체 입체구조를 3차구조라고 합니다. 이후 헤모글로빈과 같이 여러 개의 단백질 간에 결합을 형성한 복합체를 4차구조라고 하는 것입니다.