고등학생 때 단백질에 관한 고찰에 관련된 주제로 보고서를 작성한 적이 있었어요. 생기부 세특을 채울 때 어떤 식으로 보고서를 써야 세특에 잘 실릴 수 있을 지 고민이 많은 학생들이 있을 것 같아 고등학생때 적었던 보고서를 포스팅하려 해요.
얼마전 바이오 잉크에 대해 생각하는 도중에 우리 몸 속 단백질은 어떤 종류가 있고, 어떻게 발현이 되며 어떤 기능을 할까?라는 의문을 가지게 되었다. 이러한 의문을 해결하고자 다짜고짜 도서관에 가서 단백질에 대한 서적을 찾아보았다. 내 생각보다 단백질이라는 것이 훨씬 더 다양하고 또, 생각지도 못한 부분에서 쓰일 수 있다는 것이 놀라웠다. 이 보고서에서는 생명과학에서 배운 기본적인 내용 들을 바탕으로 책의 내용에서 가장 인상깊었던, GPCR단백질, 당사슬, 그리고 단백질 재활용시스템에 대해 다루고자 한다.우선 단백질의 기능에 대해 알아보기 전에 단백질이란 무엇인가?라는 근본적인 질문을 던진다.
단백질이란?
화학식:(NH2CHRnCOOH)n수많은 아미노산의 연결체로 20가지의 서로 다른 아미노산들이 펩타이드 결합이라고 하는 화학 결합으로 길게 연결된 것을 폴리펩타이드라고 한다. 여러가지의 폴리펩타이드 사슬이 4차 구조를 이루어 고유한 기능을 갖게 되었을 때 비로소 단백질이라고 불린다.일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩타이드라고 하며, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 단백질은 생물체 내의 구성성분, 세포 안의 각종 화학반응의 촉매 역할(효소), 항체를 형성하
여 면역을 담당하는 등 여러 가지 형태로 중요한 역할을 수행한다.
☆단백질의 구조☆
단백질은 아미노산이라는 구성 요소로 이루어져 있으며, 아미노산의 종류와 그들이 연결되는 순서에 따라 수많은 다양한 종류의 단백질이 형성된다. 아미노산은 총 20가지 종류가 있으며, 이들이 펩티드 결합을 통해 연결됨에 따라 단백질의 구조가 형성된다.
단백질의 구조는 주로 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 나누어진다. 1차 구조는 아미노산의 연결 순서를 말하며, 이는 단백질의 다양성과 특성을 결정짓는 중요한 요소이다. 1차 구조는 1955년에 인슐린의 아미노산 배열이 결정되면서 처음으로 확립되었다.
2차 구조는 1차 구조에 의해 형성된 단백질 분자의 공간적인 형태를 나타낸다. 알파(α) 나선 구조와 베타(β) 시트 구조가 가장 흔하며, 알파 나선은 단백질 사슬이 나선 형태로 꼬여있는 구조이고, 베타 시트는 단백질 사슬이 접혀서 병풍 모양을 이루는 구조이다.
3차 구조는 2차 구조에서 더욱 복잡한 공간적인 형태를 가진 단백질 구조를 의미한다. 이는 폴리펩티드 사슬이 구부러지고 접히는 과정을 거치면서 형성됩니다. 이 과정에서 비공유 결합, 수소 결합, 정전기적인 인력, 이황화 결합 등이 중요한 역할을 한다.
4차 구조는 여러 개의 단백질 분자가 상호 작용하여 큰 단위로 조직되는 형태를 나타낸다. 이러한 구조는 서브유닛이라 불리는 개별 구성 요소로 이루어져 있으며, 이들이 상호 작용함으로써 특정한 생물학적 기능을 수행할 수 있다.
①평소 관심있었던 감각과 관련된 GPCR 단백질
감각기관과 관련한 물질들에 대해 관심이 많은데, 이번 소재는 특별히 흥미로웠다. 생물시간에 감각을 관장하는 센서로서 막관통 단백질이 쓰인다는 사실을 배웠는데, 이에 대해 화학적인 관점에서 알고싶었고, GPCR에 대해 탐구하게 되었다.
2012년 노벨 화학상은 'G단백질 연결 수용체(GPCR)'라는 단백질을 연구한 미국 듀크 대학의 로버트 레프코위츠 박사와 미국 스탠퍼드 대학의 브라이언 코빌카 박사가 받았다. GPCR(G protein coupled receptor)는 세포 밖에 존재하는 다양한 분자(정보 전달 물질)를 인식하고 그 신호를 세포 내부로 전달하는 센서로서의 기능을 하는 단백질이다. 예를 들면 우리의 시각, 후각, 미각 등의 센서는 GPCR이다. 또 몸속에서는 세포 사이나 세포 안에서 다양한 정보 분자를 주고받음으로써 정보를 전달한다. 이때 다른 세포로부터 정보 분자를 받아들이고 그 신호를 세포 내부로 전달하는 센서의 대부분은 GPCR이다. 이처럼 다양한 역할을 하는 GPCR의 유전자는 인간에게는 약 800종이 존재한다. GPCR은 그 종류에 따라 인식하는 물질은 다양하지만, 그 형태는 어느 것이나 비슷하다. 세포막을 7회 정도 관통하는 형태여서 '7회 막 관통형 수용체'라고도 한다. 또 'G단백질'이라는 중개 역할의 단백질을 매개로 정보를 전달하는 점도 공통적이다. 다만, 세포 안에서의 상세한 정보 전달 방식은 여러 가지이며, 세포가 일으키는 반응도 다양하다. 예를 들어 췌장(이자)의 세포인 경우 인슐린이나 소화 효소를 분비하고, 위나 장에 있는 민무늬근이라는 세포인 경우에는 세포 자체가 수축한다.
7-막관통 수용체(7-transmembrane segment receptor, 7TMR, GPCR)는 세포벽에 발현하여 세포 외부의 분자 또는 화학물을 인지하여 외부 물질에 의한 신호를 세포 내로 전달(internal signal transduction)하고, 결과적으로 세포가 가지고 있는 특성을 활성화시키는 역할을 한다. 종류가 매우 많아서 포유류/인간의 수용체 단백질의 큰 군집을 이루고 있다.
7-막관통 수용체는 다양한 외부 신호를 리간드로 인지하는데 빛, 화학 분자, 냄새, 페로몬, 호르몬, 신경전달물질 등을 인지한다. 앞서 말했듯이 이온 수준의 작은 화학물과 거대 수준의 단백질도 인지하므로 7-막관통 단백질을 주요 타깃으로 이용한다. 현재 사용되는 약의 약 40%가 7-막관통 수용체를 타깃으로 생산되었다. 표적이 되는 GPCR을 자극하는 약품이나 반대로 GPCR이 반응하지 않게 하는 약품을 사용하면, 몸속에서 일어나는 반응을 제어할 수 있다. 따라서 GPCR은 약품의 개발에 중요하다. 현재 세계에서 유통되는 약품의 약 30~50%는 GPCR에 작용하는 것이라고 한다. 아직 어떤 분자를 인식하는지 확인되지 않은 GPCR도 많으며, 앞으로도 GPCR의 연구를 통해 새로운 약품이 개발될 것으로 기대한다.
②게놈 해독시 중요한 기능을 하는 당사슬
인간 게놈을 해독하고 나서 오랜 세월이 지났지만, 아직까지 생명 현상의 모든 것은 밝혀지지 않았다. 또 게놈을 해독함으로써 질병과 관련된 다양한 정보를 얻을 수 있어 약을 개발하는 방식이 바뀌었다고 하지만, 그러기에는 시간이 걸린다는 점도 알게 되었다. 그렇다면 게놈 해독의 완료라는 목표를 달성한 지금, 잎으로 무엇을 밝혀야 하는가?
⒜당사슬의 가치
포스트 게놈'이라고도 불리는 그 중요한 후보의 하나가 단백질이나 지질에 붙는 '당사슬'이다. 우리 주변의 흔한 후보의 하나가 단백질이나 지질에 붙는 '당사슬'이다. 우리 주변의 흔한 예를 들면, 'ABO식 혈액형'은 적혈구의 당사슬의 형태에 따라 분류된다. 당사슬에 대해 연구하고 있는 일본 이화학연구소의 다니구치 나오유키 그룹 디렉터는 이렇게 말했다. "당사슬의 신비한 점은 유전자 정보의 지도를 바탕으로 만들어진, 단백질이 합성된 다음에 부가된다는 점이다. 게놈 정보를 넘어서는 신비한 정보가 숨겨져 있다." 물론 당을 부가하거나 떼어내는 기능을 가진 효소는 단백질이므로 유전자 정보에 근거하고 있다. 그러나 그 효소가 어디에서 어떤 단백질에 당을 수식하는지는 수수께끼이다. 당사슬은 혈액형 뿐만 아니라 다양한 질병에 관여한다는 사실이 밝혀져 있다. 그 대표적인 것이 '암'이다. 암이 된 세포에는 '간암' '췌장암' 등 암의 종류에 따라 다른 특수한 당사슬이 나타난다. 이 점을 이용해, 당사슬은 암 표지자로서 실제 검사에서 이미 사용되고 있다.
⒝당사슬을 이용한 치료 및 백신개발
당사슬을 바꾼 항체 의약에 의한 치료나 백신 개발도 이루어지고 있다. 바이러스나 세균 감염에서도 당사슬은 중요하다. 인플루엔자 바이러스는 세포 표면에 있는 '시알산'이라는 당사슬을 목표로 세포에 침입하고, 증식을 마치면 이 사슬을 절단하고 밖으로 나가 다른 세포에 감염된다. 이러한 당사슬의 절단을 방해해서 감염 확대를 막는 것이 치료약인 타미풀루와 리렌자이다. 당사슬을 노리는 바이러스에는 이 밖에도 에이즈 바이러스나 헤르페스 바이러스 등이 있다.
또 당사슬의 이상이 발병에 관여하는 질병으로는 근디스트로키(근육 퇴행 위축), 당뇨병, 알츠하이머병, COPD(만성 폐쇄성 폐질환) 등이 알려져 있다. 그리고 당사슬을 만드는 효소나 단백질에서 분리한 효소 등의 이상에 의한 유전병이 많이 발견되었다. 앞으로 당사슬 연구가 진전되면서 질병에 대한 다양한 치료약이 개발될 것으로 기대된다.
③단백질 재활용 시스템
세포 안에서는 생명 활동에 필요한 단백질이 끊임없이 합성되고 있다. 그렇지만 일반적으로 세포의 내부가 단백질로 가득 차는 경우는 없다. 사실 세포에는 단백질의 재활용 시스템이 갖추어져 있다. 불필요해진 단백질이나 비정상적인 단백질 등은 쌓이면 문제가 생길 수 있다 따라서 이런 불필요한 단백질을 분해하는 메커니즘을 가지고 있다. 이 메커니즘은 크게 두 가지로 나뉜다. 둘 다 여러 가지 질병과 밀접한 관계를 갖는 것으로 여겨져, 그 메커니즘을 밝히려는 연구가 진행되고 있다.
⒜첫째 메커니즘은 '유비퀴틴 프로테이솜계'라고 한다. 이 메커니즘에서는 우선 불필요한 단백질에 '유비퀴틴'이라는 작은 단백질을 표지로 붙인다. 세포 안에는 유비퀴틴이 결합한 단백질을 분해하는 '프로테이솜'이라는 효소가 있어, 이 효소에 의해 표지가 붙은 불필요한 단백질이 분해된다.
⒝또 하나의 메커니즘은 '오토파지'라는 것이다. 이것은 세포 안에서 형성된 오토파고솜이라는 소기관에 끌려들어간 단백질이 '리소좀'이라는 소기관과 융합하고, 리소좀 안의 분해 효소에 의해 분해되는 메커니즘이다. 어떤 메커니즘이든 기본적으로는 불필요성 여부의 식별 없이 분해한다고 여겨진다. 다만, 일부 단백질이나 불량 미토콘드리아 등은 선별적으로 분해될 수 있다. 이들 메커니즘에 의해 분해된 단백질은 아미노산이 된다. 그리고 새로운 단백질을 만들어 내는 재료로 재이용된다.
⒞단백질 양 제어 시스템의 이상
우리의 건강을 유지하기 위해서는 몸속의 각 세포가 필요한 단백질을 적당한 양만큼 만들어야 한다. RNA는 단백질과의 복합체에 의해 만들어진 단백질의 양을 제어해서, 단백질이 적절하게 만들어지는 데 반드시 필요한 역할을 담당한다. 그러나 이것은 RNA의 기능에 이상이 생겨, 단백질이 만들어지는 양을 제어할 수 없게 되면 질병에 걸리게 된다는 사실을 의미한다.
단백질을 만들기까지는 1) DNA에서 RNA로 복사, 2) RNA에서 불필요한 부분을 제거하는 스플라이싱(mRNA의 완성), 3) 리보솜에서 mRNA로부터 단백질을 만드는 과정과 다양한 단계가 있다. 사실은 단백질이 만들어지는 과정에서는 아주 높은 빈도로 오류가 일어난다. 오류가 가장 일어나기 쉬운 것은 스플라이싱을 할 때이다. RNA의 염기 배열 가운데 단백질을 만드는 데 필요한 '엑손'이 150염기 정도 있는 것에 비해, 불필요한 '인트론'은 그 수십 배의 길이를 갖는다. 긴 인트론을 정확히 제거하기가 쉽지 않아 오류가 생기는 것이다. 비정상적인 RNA는 곧 바로 분해된다. 많은 공장에서 불량품 검사가 이루어지듯이, 세포에도 비정상적인 mRNA를 식별하는 메커니즘이 있다.일반적으로는 이러한 품질 관리 메커니즘에 의해 비정상적인 mRNA나 거기에서 만들어진 단백질이 분해되어, 비정상적인 단백질은 만들어지지 않게 된다.
이러한 불량품 검사 기능은 이른바 '유전병'의 수십 % 정도와 관계가 있는 것으로 보인다. 예를 들면, 근육퇴행위축에서는 근육을 만드는 데 필요한 단백질 중 하나가 만들어지지 않기 때문에 근력이 떨어진다. 그 이유는 이 단백질을 만드는 데 필요한 mRNA의 중간에 가짜 종료 코드가 나타나기 때문이다. 그러면 이 비정상적인 mRNA는 불량품 검사에 걸려 분해되기 때문에 필요한 단백질을 만들 수 없게 된다. 이렇듯 단백질이 만들어지지 않게 됨에 따라 일어나는 질병에 대해서는, 리보솜이 종료 코드를 읽지 않게 하는 약품의 개발이 이루어지고 있다.