앞서 배운 아미노산은 단백질을 이루는 기본적인 단위체이다. 아미노산은 다른 아미노산과 펩타이드 결합을 형성함으로써 단백질을 구성한다. 그래서 이번 글에서는 펩타이드 결합이 어떻게 형성되는지, 어떤 특징을 가지는지, 더 나아가서는 Ramachandran Plot이 어떤 의미를 가지는지에 대해서 알아보려고 한다.
펩타이드 결합은 뭔가요?
펩타이드 결합은 한 아미노산의 카복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이에 형성되는 아마이드 공유 결합을 의미한다. 펩타이드 결합을 통해 형성되는 생성물을 펩타이드라고 부르는데, 연결되는 아미노산 단위체(영어 표현인 Residue로도 많이 부른다)의 개수에 따라서 Dipeptide(아미노산이 2개), Tetrapeptide(아미노산이 4개)와 같이 펩타이드에 접두사가 붙기도 한다. 일반적으로는 폴리펩타이드(Polypeptide)로 부른다. 펩타이드 결합이 형성될 때는 물이 1분자 빠져나온다는 특징이 있다.
펩타이드 결합을 자세하게 나타낸 메커니즘을 간단히 요약하면, 카복실기의 OH와 아미노기의 H가 물 분자를 형성하여 제거되면서 하늘색으로 표시된 펩타이드 결합이 생성되는 것이다. 이때 펩타이드 결합은 단순하게 단일 결합으로 그림에 표시되어 있지만 실제로는 그렇지 않다. 질소의 비공유 전자쌍과 C=O 결합 사이에 공명 구조가 존재하기 때문에 실질적으로 두 아미노산을 결합하는 C-N 결합이 단일 결합과 이중 결합 사이의 차수를 가진다. 그렇기 때문에 펩타이드 결합은 회전할 수 없는 결합이 된다.
정확하게 알맞는 비유는 아니겠지만, 공 2개를 막대기 2개를 통해 연결한 모습을 상상해보자. 연결된 공들 중 1개를 다른 공을 가만히 둔 상태에서 자유롭게 회전시키려고 힘을 주는 상황이다. 처음에는 공이 회전하다가 언젠가는 두 공을 연결하는 막대기끼리 서로 부딪혀서 돌아가지 않을 것이다. 만약 공을 회전시키고 싶다면 막대와 반대쪽 공을 포함하여 해당 그룹 전체를 회전시켜야만 한다. 이와 비슷한 상황이 펩타이드 결합에서 발생한다. C-N 결합이 회전할 수 없는 결합이기 때문에 둘 중 하나를 회전시키려면 한 평면 상에 있는 원자 6개 (아래 그림에는 R, C, O, N, H, R'로 표시되어 있으며, 실제로 R과 R'은 탄소이다)를 모두 회전시켜야 한다. 이 사실은 이후에 Ramachandran Plot을 해석하는 중요한 기반이 되니 기억해두자.
이런식으로 아미노산끼리 계속해서 펩타이드 결합을 형성해서 폴리펩타이드가 되면 필연적으로 방향성이 존재하게 된다. 간단하게 아미노산 2개로 이루어진 Dipeptide를 생각해보자. 펩타이드 결합을 형성하는 데 이용되지 않은 아미노기와 카복실기가 양쪽에 노출되게 될 것이다. 이때 아미노기가 노출된 쪽을 N-terminus, 카복실기가 노출된 쪽을 C-terminus라고 부른다. (Terminus를 Terminal이라고 표현하기도 한다) 이 점은 펩타이드를 형성하는 아미노산의 개수와 관계없이 동일하다. 일반적으로 단백질의 아미노산 서열을 작성할 때는 N-terminus부터 시작해서 작성한다. 그래서 아미노산 서열을 거꾸로 작성하면 완전히 다른 구조가 되니 주의하자! 폴리펩타이드는 방향성(Directionality)을 가진다. 극성(Polarity)을 가진다고 표현하기도 한다.
총 4단계로 구성되는 단백질의 구조
단백질은 매우 복잡한 거대분자이기 때문에 그 구조도 아주 복잡하다. 단백질은 총 4단계로 이뤄진 구조가 각 단계마다 어떤 특징을 가지는지 간략하게 알아보자.
- Primary Structure (1차 구조): 단순히 폴리펩타이드를 구성하는 아미노산 서열 그 자체를 가리킨다. 3차원 구조를 1차적으로 결정한다. 유전적으로 결정되기 때문에 유전 정보 분석을 통해서만으로도 확인할 수 있다.
- Secondary Structure (2차 구조): 수소 결합 등 아미노산 사이의 상호작용을 통해 반복되는 단위 구조를 형성한다. α-Helix, β-Sheet (알파나선, 베타병풍) 등의 구조가 2차 구조에 해당한다.
- Tertiary Structure (3차 구조): 폴리펩타이드가 최종적으로 갖추게 되는 3차원 구조로, 2차 구조를 부분적으로 지닌다.
- Quaternary Structure (4차 구조): 서로 다른 2개 이상의 폴리펩타이드가 상호작용하여 하나의 단위체처럼 작용한다.
이때 2차 구조에 해당하는 α-Helix와 β-Sheet는 특정 조건에서만 형성된다. 그 이유는 단순하다. 특정 조건을 만족하지 않으면 아미노산을 이루는 원자들끼리 서로 위치가 물리적으로 겹쳐서 구조가 형성될 수 없기 때문이다. 이와 비슷한 이유로 펩타이드 결합은 Trans form이 Cis form보다 우세하다. Trans form은 펩타이드 결합을 기준으로, 각 아미노산의 알파 탄소에 연결된 Side chain이 서로 반대 방향을 향하는 모습을 말한다. Cis form은 Trans form과 반대로 Side chain이 펩타이드 결합을 기준으로 같은 방향을 향하는 경우를 말한다. Cis form은 Side chain을 이루는 원자들이 서로의 영역을 침범하기 때문에 물리적으로 존재하기 어렵다. 그렇기 때문에 Trans form이 우세한데, 이와 비슷한 이유가 2차 구조를 결정하는 조건에도 적용된다.
Ramachandran Plot 해석하기
앞서 말한 펩타이드 결합처럼 회전할 수 없는 결합이 존재하는 한편, 폴리펩타이드에는 회전할 수 있는 결합도 존재한다. 이는 알파탄소를 중심으로 한 두 결합인데, 하나는 N(amide)-C(alpha) 사이의 결합, 다른 하나는 C(alpha)-C(carbonyl) 사이의 결합이다. 이 둘은 단순한 단일 결합이기 때문에 회전이 가능하다. 이 때 각 결합이 회전한 정도를 표현하는 것이 각각 φ(Phi)와 ψ(Psi)이다. 회전각은 -180도부터 180도까지 가능한 범위를 가지며, 시계 방향으로 회전하는 것이 Positive rotation이다.
φ(Phi)와 ψ(Psi)를 어떻게 측정하는지 추가적인 설명이 필요하다면 아래 글에 보충 설명을 해놓았으니 참고하면 도움이 될 것이다!
φ(Phi)와 ψ(Psi)의 측정법: https://onsaem9134.tistory.com/82
추가적으로, 앞에서 펩타이드 결합은 회전할 수 없는 결합이기 때문에 펩타이드 결합을 이루는 원자 중 하나를 회전시키려면 같은 평면 상에 있는 원자를 모두 다 회전시켜야 한다고 언급한 바 있다. 이 사실이 여기서 적용된다. 알파 탄소에 결합된 N(amide)와 C(carbonyl)을 회전시키기 위해서는 이들이 연결되어 있는 펩타이드 결합에 포함된 모든 원자들을 같이 회전시켜야 한다. 이렇게 회전시키다보면 특정 각도에서는 회전된 원자가 인근의 다른 원자들의 범위를 물리적으로 침해하는 경우가 발생한다. 따라서 폴리펩타이드 사슬이 존재할 수 있는 특정한 φ(Phi)와 ψ(Psi) 각도 집합이 존재하게 되고, 이를 표현한 것이 Ramachandran Plot이 된다.
위를 보면 알 수 있겠지만 각도에 따라 서로 다른 색으로 구역이 표시되어 있다. 색이 없는 구역은 물리적으로 존재하기 어려운 구역으로, 대부분의 폴리펩타이드에서 찾아볼 수 없는 각도 조건이다. 반면 색이 표시된 구역은 실제로 존재하는 형태이며, 그 중 붉은 색으로 표시된 경우가 가장 선호되는 각도 조합이다. 각도 조합마다 Alpha-helix와 Beta-sheet가 서로 다르게 결정되는 것을 확인할 수 있다.
다만 글라이신과 프롤린으로 구성된 사슬에서는 예외적으로 위의 그래프가 성립하지 않는다. 그 이유는 각 아미노산이 가진 특징 때문이다. 글라이신은 Side chain이 수소 하나 뿐이기 때문에 각도에 따라 다른 아미노산의 영역을 침범하는 정도가 다른 아미노산에 비해 적기 때문에 조금 더 자유로운 각도 조합이 가능하다. 반면 프롤린은 Side chain과 아미노기가 결합된 형태를 가지기 때문에 회전 시 다른 아미노산과는 다른 양상을 보이기 때문이다. 예를 들어 위의 그림에서 알파 탄소에 결합된 Side chain은 회전하지 않고 단지 주변의 회전으로부터 영향을 받는 입장이지만, 프롤린의 경우에는 Side chain도 회전에서 자유로울 수 없기 때문이다.
그러면 이렇게 형성된 2차 구조인 알파 나선과 베타 병풍은 각각 어떤 특징을 가질까? 이 내용을 다음 글에서 다뤄보려고 한다.
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