Protein structure and function

 

 

 

의약화학에서 단백질을 공부해야 하는 이유는 무엇일까, 사실 단백질에 관해서 이야기하자면 아마 너무 다양한 주제로 이야기할 수 있을 것이다. 신약개발에서는 drug의 주요 target은 protein이라는 관점에서 drug가 protein에 작용하는 방식을 알기 위해서 protein의 구조를 이해해야 한다. protein은 1차, 2차, 3차, 4차 구조를 가진다. 

 

 

 

Primary structure

 

 

Protein의 1차 구조는 protein을 구성하는 개별 아미노산들이 펩티드 결합을 통해 서로 연결된 순서이다. 사람에게 일반적으로 발견되는 20가지 일반적인 아미노산은 밑에 표로 정리되어 있다.

 

 

• Synthesized in the human body

Amino acid	Codes (Three-letter)	Codes (One-letter)
Alanine	Ala	A
Arginine	Arg	R
Asparagine	Asn	N
Aspartic acid	Asp	D
Cysteine	Cys	C
Glutamic acid	Glu	E
Glutamine	Gln	Q
Glycine	Gly	G
Proline	Pro	P
Serine	Ser	S
Tyrosine	Tyr	Y

 

 

• Essential to the diet

Amino acid	Codes (Three-letter)	Codes (One-letter)
Histidine	His	H
Isoleucine	Ile	I
Leucine	Leu	L
Lysine	Lys	K
Methionine	Met	M
Phenylalanine	Phe	F
Threonine	Thr	T
Tryptophan	Trp	W
Valine	Val	V

 

 

 

 

 

 

 

Protein의 펩티드 결합은 공명 구조를 가진다. 그림에서 원래 C-N의 single bond라면 자유롭게 회전이 가능하다. 하지만 공명 구조로 인해 single bond보다는 더 강한 부분적으로 double bond를 가지므로 평면성을 가져 쉽게 회전하지 못하게 된다. (특정한 위치에서만 회전이 가능하다.) 

 

 

펩티드 결합에는 가능한 두 가지 입체구조가 있다. 일반적으로 단백질에서 존재하는 건 trans conformation이다. cis conformation는 residue간의 steric clash를 일으킬 수 있다. 하지만 Proline residue 옆에 위치한 펩티드 결합에서는 cis conformation이 가능하다. 

 

 

 

 

Secondary structure

 

 

 

https://www.open.edu/openlearn/scien...-section-1.3.1 .

 

α-helix

α-helix는 protein이 감겨서 주사슬을 이루는 펩티드 결합 사이에 수소 결합을 형성할 수 있을 때 생성된다. 그림과 같이 나선의 축 형태로 곁사슬이 나선에서 직각 방향으로 뻗어 입체적 충돌이 적고 구조가 안정적이다. 

 

 

 

https://www.open.edu/openlearn/scien...-section-1.3.2

β-pleated sheet

β-pleated sheet는 protein 사슬이 여러 겹으로 층을 이룬 형태이다. 그림처럼 펩티드 사슬 사이엔 수소 결합이 존재하는데, β-pleated sheet 사슬들은 서로 antiparallel(반대 방향) 또는 parallel(같은 방향)으로 배열될 수 있다.

 

추가로 β-turn라는 것이 존재한다. β-turn은 폴리펩티드 사슬이 갑자기 방향을 바꿔서 반대쪽으로 진행할 수 있게 한다. Protein의 형태가 더 구형일 때 β-turn은 중요하다. 급격한 꺾임이라고 생각하면 된다. 

 

 

 

Tertiary structure

• Protein의 3차 구조는 protein 전체의 삼차원적 형태를 말한다.
• 구조 단백질은 정돈되고 정렬된 느낌의 형태를 가지지만 효소나 수용체 같은 구형 단백질은 접혀서 더 복잡한 구조를 형성한다.
• Protein은 불리한 interaction을 최소화하고 유리한 interaction을 극대화하기 위해 비틀리고 접히면서 가장 안정한 형태인 3차 구조(conformation)을 형성한다.

 

Intermolecular bonds의 원리와 protein의 interaction의 원리는 동일하다. 그저 protein의 3차 구조의 결합은 동일한 분자 내에서 일어나므로 intramolecular bonds라고 부른다는 용어적인 차이가 있다.

 

Th e formation of a disulphide covalent bond between two cysteine side chains.

 

Covalent bonds—disulphide links

• Cysteine은 protein 3차 구조에서 공유 결합을 형성할 수 있는 티올기 residue를 포함한다.
• 두 개의 residue가 가까이 위치하며 산화 반응을 통해 covalent bond가 형성된다.
• Protein의 1차 구조에서는 2개의 cysteine이 멀리 떨어져 있을 수 있지만, protein이 folding하면 가까워진다.

 

Ionic bonding between an aspartate side chain and a lysine side chain.

Ionic or electrostatic bonds

• 이온 결합, 또는 salt bridge는 aspartic acid나 glutamic acid와 같은 산성 residue의 carboxylate ion과 lysine, arginine, histidine과 같은 염기성 residue의 aminium ion 사이에서 형성될 수 있다. 
• 분자 내 결합 중 가장 강력한 결합이다. 

 

Hydrogen bonding between amino acid side chains.

 

Hydrogen bonds

• 부분 전하를 띠는 원자들 간의 상호작용이다.
• Serine, threonine, aspartic acid, glutamic acid, glutamine, lysine, arginine, histidine, tryptophan, tyrosine, asparagine 등 의 아미노산 곁사슬 사이에서 형성될 수 있다. 

 

 

Van der Waals interactions between amino acid side chains.

 

Van der Waals and hydrophobic interactions

• 수소 결합보다 약한 interaction이다. 
• Protein 내에 두 소수성 region에서 일어날 수 있다. 
• Alanine, valine, leucine, isoleucine, phenylalanine, proline과 같은 아미노산은 서로 소수성 곁사슬을 가지며, 반데르발스 interaction할 수 있다.
• Methionine, tryptophan, threonine, tyrosine은 극성 작용기를 가지지만 곁사슬에 소수성 특성을 띠고 있어서 반데르발스 interaction할 수 있다. 

 

 

 

 

Reference

• Medicinal chemistry, fifth edition, GRAHAM L. PATRICK