Protein folding, 단백질 접힘

1차원적인 아미노산 사슬이 생기면, 이제 2차 3차 구조를 통해서 3차원적인 단백질 덩어리를 만들어야 한다. 1차원적인 아미노산 서열로부터 형성되는 3차구조는 항상 동일하다. 즉, 고유한 3차구조를 갖는다. Anfinsin이라는 화학자가 이것을 증명하여 노벨 화학상을 수상한다. 어떤 모양으로 접힐까? 가장 자유 에너지 (free energy)가 낮아지는 방향으로 생성된다 (thermodynamic hypothesis).

 

그런데, 아미노산 하나가 취할 수 있는 모양이 대략 10개 정도의 형태 혹은 결합 포인트가 가능하면 100개의 아미노산으로 이루어진 단백질의 가능한 조합은 10^100개가 되어, 우주가 사라질 때까지 계산해도 가장 자유에너지가 낮은 조합을 찾기 어렵다. 이것을 protein folding problem이라고 한다. 어떻게 생물들은 필요한 단백질 구조에 맞는 아미노산 서열을 찾아냈을까? 이것이 지적 설계론자들의 강력한 무기이기도 하다. 생물들은 그 많은 조합 중, 정확히 에너지가 가장 낮은 상태를 찾아내어 결합한다. 그러나 사실 그 과정에 오류도 많이 발생하기에 이를 도우기 위한 여러 단백질(샤페론)들이 필요하다.

 

https://fold.it/portal/new_user 사이트에 가면 foldit이라는 재미있는 게임이 있다. 나도 사실 룰은 잘 모른다. 그런데, 프로그램을 다운 받으면 특정한 아미노산 서열들을 끌어당겨서, 여기 붙이고 저기 붙이고 하여 3차원 구조를 만든다. 가장 에너지가 낮게 만들면 성공하는 것이다. 그 사이트를 만든 목적이 게임을 하면서 노벨상을 받을 수 있게 하겠다는 것이다. 즉, 계산으로는 도저히 유용한 단백질 합성이 불가능하니, 인간의 직관, 집단 지성의 힘을 빌려서 신물질을 개발하겠다는 것이다.

 

양자 역학을 백날 공부해도, 상대성이론을 백날 공부해도 사실, 이렇게 조금만 시스템의 복잡도가 증가하면 해석이 불가능하다. 인간들은 선형 시스템, 간단한 미분 방정식만 겨우 풀 수 있는데 비래서, 세상의 많은 문제들은 비선형 방정식, 다수의 입자들 간의 상호 작용에 있기 때문이다. 사실 내가 빨리 정리하고 하산하려는 이유 중 하나도 이것이다. 인간들이 아는 것은, 그 수많은 천재들이 그렇게 노력했건만, 불행히도 우주의 본질을 아는 데는 턱도 없이 부족하다는 것이다.

 

단백질의 주재료는 아미노산이다. 아미노산은 아래 그림과 같이 아미노기와 카르복실기가 결합된 형태이다. 아민은 NH2, 카르복실은 COOH형태이다. 이들이 결합하면 H2O 즉 물이 빠져나가면서 아래 그림과 같이 펩티드 결합을 생성한다.

단백질의 주재료는 아미노산이다. 아미노산은 아래 그림과 같이 아미노기와 카르복실기가 결합된 형태이다. 아민은 NH2, 카르복실은 COOH형태이다. 이들이 결합하면 H2O 즉 물이 빠져나가면서 아래 그림과 같이 펩티드 결합을 생성한다.

 

아미노산은 side chain에 무엇이 결합하느냐에 따라 20가지 종류로 분류된다. 극성이냐, 무극성이냐 혹은 친수성이냐 가수성이냐에 따라 혹은 여타 기준에 따라 아래와 같이 다양하게 분류된다. 아미노산은 해당 과정(glycolysis)에서 생성된다. 인간은 이 중 11개만을 몸에서 직접 생성하고 나머지는 식물의 형태로 흡수해야 한다. 제대로, 골고루 먹지 못하면 단백질이 합성되지 못하니 몸이 망가지기 시작한다.

 

단백질의 3차원 구조는 사실 4단계로 이루어진다. 먼저, 리보솜에서 peptide bond, 아미노산 체인이 완성되어 primary structure를 생성한다. 즉, 한쪽 아민기와 다른쪽 카르복실기가 결합되면서 H2O가 빠져나오면서 아미노산끼리 체인을 형성한다.

 

주변에 있는 아미노산들과 수소결합을 통하여 반복적으로 보이는 2차 구조를 생성한다. 이때 돌돌 감기는 형태로 결합하면 이것을 alpha-helix라고 하고, 병풍처럼 접히는 구조로 생성되면 이것을 beta-helix형태라고 부른다. 예전에 프리온 단백질 소동이 있었다. 광우병 파동이다. 제대로 접힌 단백질이 프리온이라는 물질로 인해서 반대편으로 접히는 현상이다 (alpha folding을 beta folding 으로 접어 버린다). 단백질의 구조가 달라지면 제 기능을 할 수 없고, 따라서, 생명은 사망한다. 프리온은 세균이 아니니 항생제로도 처리할 수 없고 고온에도 강하니 접근을 막는 방법밖에는 없다.

 

2차 구조로 생긴 아미노산들이 멀리 떨어진 아미노산들과 다시 한번 결합하여 3차구조를 생성한다. 때로는 3차 구조물들끼리 자체적으로 조립하여 4차 구조물을 형성하기도 한다. 인간 세포의 구조물들은 물 위에 떠있다. 즉, 단백질이 물속에 존재하니 3차 구조의 생성시에 친수성 부분이 바깥쪽을 향하고 소수성 부분이 안쪽을 향하도록 접힌다.

 

"나"는 DNA 정보들의 생성, 그들에 결합된 아미노산 염기 서열들의 나열, 자유에너지에 따른 그들의 구겨짐, 구겨진 뭉치들이 자신들의 기능을 찾음으로써, 그리고 자연이라는 절묘한 필터에 의해서 수억년에 걸친 헤아릴수도 없이 많은 시행 착오끝에 탄생했다는 얘기를 과학은 하고 있다.