앞선 글에서 다뤘던 알파 나선과 더불어 가장 보편적인 2차 구조인 베타 병풍(Beta-Sheet)을 알아보도록 하겠다. 알파 나선을 설명할 때 내용들과 맥락을 같이 하는 내용들이 꽤 있으니 차이점에 주목해서 글을 읽어보면 더 도움이 될 것이다.
베타 병풍 구조가 뭔지 알아보자
베타 병풍 구조가 어떻게 생겼는지 알고 싶으면 진짜 병풍을 있는 그대로 생각하면 된다. 괜히 Sheet의 번역어로 병풍이 선택된 게 아닌 것 같다. (Sheet는 침대에 덮는 얇은 천같은 것을 의미한다고) 병풍은 지그재그 톱니형태로 길게 이어진다. 베타 병풍 구조도 마찬가지이다. 우선 아미노산의 Side chain이 마치 병풍의 뾰족한 면이 앞뒤로 반복되듯 서로 반대로 나타난다. 또 병풍이 늘어지는 것처럼 베타 병풍 구조도 길게 늘어진다. 알파 나선 구조와는 달리 특정 방향성 없이 (Right-handed 또는 Left-handed) 좌우로 연장만 되는 구조이다. 이러한 베타 병풍의 특징을 Fully extended라고도 한다. 아래의 그림을 참고해보자.
알파 나선 구조를 다룰 때 알파 나선 구조는 구조는 나선 자체를 이루는 아미노산들 사이에 존재하는 수소 결합 때문에 유지될 수 있다고 했었다. 물론 베타 병풍 구조에서도 수소 결합 때문에 구조가 유지되는 것은 맞다. 그러나 베타 병풍 구조에서는 각 사슬이 인접하는 다른 사슬과 수소 결합을 이루면서 구조가 유지된다는 점이 다르다. 즉 베타 병풍 구조는 단독으로 존재할 수 없다. Beta-strand끼리 존재할 때 상호간에 수소 결합이 발생하면서 구조가 안정화된다.
베타 병풍 구조에서 수소 결합은 어디서?
베타 병풍 구조에서 각각의 Beta-strand는 단백질의 구조를 표현할 때 화살표로 표현된다. 이때 화살표의 방향은 단백질의 아미노산 서열을 적는 것과 동일하게 N-terminal에서 C-terminal 방향으로 그리게 된다. 쉽게 말해 N-terminal 부분에서 화살표가 시작되어서 C-terminal 부분에서 방향을 그려주면서 마무리한다. 아래 그림을 예시로 하자면 오른쪽 위가 N-terminal이 되고, 왼쪽 아래가 C-terminal이 된다. 베타 병풍 구조에서의 수소 결합은 화살표로 나타나는 Beta-strand 사이에 존재한다. 아래 그림에서는 작은 점선으로 표현되어 있다.
Beta-strand 사이에서 수소 결합이 형성되는 방법은 크게 3가지가 있다. 아래 목록을 참고하자.
- Antiparallel(역평행): 인접하는 Beta-strand가 서로 반대 방향을 가리키는 경우
- Parallel(평행): 인접하는 Beta-strand가 서로 같은 방향을 가리키는 경우
- Mixed(혼합): Antiparallel과 Parallel이 모두 확인되는 경우
참고로 위 그림에서는 각 Strand를 끊어서 표현했는데, 실제로는 당연히 하나의 폴리펩타이드 사슬이다. 화살표 방향을 따라서 각각의 화살표를 이어주면 된다. 같은 방향의 화살표 끝부분을 서로 이으면 안된다. 이때 각각의 Strand를 이어주는 부분의 아미노산은 알파 나선과 베타 병풍 모두에 포함되지 않는다. 만약 역평행 구조이면 해당 연결부분이 짧을 것이고, 평행 구조이면 꽤 길어질 것이다. 이 부분은 단백질을 표현할 때 알파 나선(코일 모양), 베타 병풍(화살표)로 표현되지 않는 연결부에 해당한다.
역평행 상태일 경우, 해당 아미노산이 인접하는 Strand의 아미노산 하나와만 수소 결합을 이룬다. 이때 수소 결합은 알파 나선과 마찬가지로 카복실기의 산소와 아미노기의 수소 (질소에 결합한 수소) 사이에 발생한다.
평행 상태일 경우, 해당 아미노산이 인접하는 Strand의 아미노산 2개와 수소 결합을 이룬다. 만약 a 아미노산의 카복실기가 반대편 b 아미노산의 아미노기와 수소 결합을 이뤘다면, a 아미노산의 아미노기는 반대편 c 아미노산의 카복실기와 수소 결합을 이루게 된다.
혼합 상태에서는 역평행과 평행 상태가 동시에 확인된다. 생성되는 수소 결합의 양상도 역평행과 평행 상태와 동일하다.
Turn과 Loop
앞에서 평행과 역평행을 설명할 때 잠시 화살표 사이의 연결부를 언급한 적이 있다. 이를 구체적으로 Turn과 Loop라고 하는데, 폴리펩타이드 사슬 상에서 방향을 바꿔주는 데에 이용된다. 대표적인 것들은 Beta-turns (또는 Hairpin turns), Omega Loops가 있다. 각각에 대해서 알아보자.
Beta turn은 가장 흔하게 찾아볼 수 있는 구조이다. 이때 구조에는 수소 결합이 존재하는데, i번째 아미노산의 카보닐기와 i+3번째 아미노산의 아미노기 사이에 수소 결합이 발생한다.
Omega Loop는 별도의 수소 결합에 의해 유지되는 구조는 아니다. 이들은 단순히 2차 구조를 이어주는 역할로, 특별히 정해진 구조 없이 연결부로써의 기능만을 가진다.
여기까지 단백질의 2차 구조에 대해 알아보았다. 단백질의 3차 구조와 4차 구조는 크게 어려운 부분이 없어서 단백질의 작용에 대해 알아보자.
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