8. 단백질 : 생체 내 핵심부품

1. 단백질이란?

가. Central Dogma of Biology

- 복제, 전사, 번역 등을 통한 유전정보의 흐름을 보여주는 분자생물학의 중심원리

- 단백질은 세포 내에서 다양한 기능을 하게 되는 가장 핵심적인 물질이다

나. 세포 내 핵심 부품 - 다양한 단백질들

- 효소, 항체, 콜라겐, 세포막수용체, 사이토카인

- Nucleosome, DNA, RNA 등

다. 아미노산(Amino acid)

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Amino_acid

- 곁사슬(Side Chain)

- 아미노기(Amine Group)

- 카복실기(Carboxylic acid Group)

으로 구성된다.

우리 생체 내에서 <L-아미노산>이 대부분이다.

출처 : http://www.aqion.de/site/zwitterions

Basic group(아미노산, 염기성)은 주변으로부터 H(수소)를 받으며,

Acidic group(카복실기, 산성)은 주변으로 H(수소)를 보낸다.

1) 20개의 아미노산

side chain을 통해 결합하는 아미노산

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Essential_amino_acid

- Essential : 음식물로부터 섭취

- Non-Essential : 몸에서 생합성을 통한 생산

출처 : https://socratic.org/questions/which-part-of-an-amino-acid-s-structure-makes-it-unique-from-other-amino-acids

* non-polar : 극성을 띄고 있지 않기 때문에, 물과 친화력이 없는 성질(Hydrophobic)

* polar : 극성을 띄고 있는 잔기 / 수소결합에 참여 / 전자를 주거나 받을 수 있는 산소와 질소분자들이 포함됨

* charge : 이온결합에 많은 기여를 하고 있는 간기

라. 펩타이드 결합(Peptide Bond)

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Peptide_bond

아미노산 2개가 합쳐지는 과정

카복실기과 아미노기가 만났을 때 산수 1개, 수소 2개가 떨어져나가면서 결합

이 과정에서 물분자 1개가 나온다.

마. Four Levels of Protein Structure

출처 : https://www.slideserve.com/cadman-rhodes/four-levels-of-protein-structure

1) Primary structure :  아미노산의 서열, 순서를 일렬로 나열하는 것

2) Secondary structure : Alpha helix와 Beta strand로 구성 / 루프로 구성

3) Tertiary structure : 3차 구조를 가진 단백질 / 혼자서도 작용가능

4) Quaternary Structure : 4차 구조

바. Protein Folding

- 단백질과 단백질 상호결합에도 관여한 불자들 사이의 결합

* 수소결합(Hydrogen bond)

* 정전기적 결합(Ionic bond)

* 소수성 상호작용(Hydrophobic interaction)

* 반데르발스 힘(Van der Waals force)

* 이황화 결합(Disulfilde bridge)

※ Protein domain & motif

- 기능적, 구조적 최소단위

※ SDS-PAGE(단백질 크기별로 분리)

- 단백질 전기영동

- 단백질마다 크기가 각각 다르기 때문에, 어떤 단백질이 우리 단백질이고 크기가 얼마나 되는지 솔루션상에서 쉽게 하기 위한

- 크기별로 분리 할 수 있음

- 단백질 밴드들로부터 양을 어느정도 가늠할 수 있다

※ Western Blot(정량적/특이적 분석)

- SDS-page gel을 통해 전기적 신호를 통해 필터링을 할 수 있다.

- 특정 단백질 검출 및 정량적 차이 분석 가능

2. 단백질 구조

- 생명체 이해와 질병극복을 위한 다양한 생물학적 분자메커니즘 제시

가. 단백질 구조 연구 방법

1) X선 결정학

- 단백질을 분류하여 정제된 단백질을 결정으로 만들어 X선을 통해,

회절 패턴을 만들어 컴퓨터로 분석하는 방법

1단계 단백질 생산 : 단백질 발현 시스템을 이용함, 플라스미드 DNA를 세포 안에 도입을하여, 자기 단백질뿐만 아니라, 외부에서 들어온 재조합 DNA도 생산하게된다

2단계 단백질 정제(Protein Purification) : 원하는 단백질만을 순수하게 분리하는 것

3단계 단백질 결정화 : 단백질 분자가 별돌처럼 일정한 규칙으로 쌓여져 있는 형태

4단계 가속기 연구소(회절데이터 수집) : 결정에 x선을 투영시키면,  구조를 규명

5단계 컴퓨터를 이용한 구조 분석 : 가속에서 얻은 회절 데이터를 통해 전자밀도지도(electro-density map)를 통해 사이즈 체인 위치를 맞추는 Model building을 수행 

2) 핵자기 공명(NMR)

3)초저온 전자현미경법(CryoEM)

- 얼음으로 얼려진 샘플 속의 단백질을 3차원적으로 재구성하는 것

- 단백질의 결정을 만들필요가 없으며

- 굉장히 큰 이미지 데이터를 가지고 분석을 해야하기 때문에, 오랜시간이 걸린다.

※ 전자현미경이란?

- 전자를 에너지원으로 사용하며, 마그네틱 렌즈를 통해 전자에 포커스를 맞추고 배율을 키운다.

종류는 투과전자현미경, 주사전자현미경 2가지가 있다.

나. 단백질 구조의 활용 분야

- 생명체 이해와 질병극복을 위한 다양한 생물학적 분자메커니즘 제시

1) 신약개발(화학의약품, 단백질의약품)

- 세포조절 단백질 : 호르몬, 성장인자, 조혈인자

- 면역조절 단백질 : 사이토카인

- 항체의약품

- 효소치료제

따라서 단백질의 구조정보를 활용하면 기존의 화학 의약품을 재설계하건, 더 좋은 의약품을 개발하는데 많은 정보를 제공 할 수 있다.

2) 단백질엔지니어링

- 모듈화된 단백질 도메인 융합

- Fc 융합 단백질 의약품

- 항체의 Fc 도메인 + 기능적 도메인

※ 혼자 공부한 것이니 정확한 정보가 아닙니다. ※

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