자연에서 배우는 조화로운 아름다움

- 단백질의 3차원 구조 -

 

 

 

 

  “도는 하얀 도라지, 레는 둥근 레코드~”

 

  영화 사운드 오브 뮤직(Sound of Music)에 나오는 도레미송은 가정교사 마리아가 폰 트랩 가의 아이들에게 음악을 처음 가르쳐 줄 때 부르는 노래다. 어린이들도 잘 알고 있듯이, 도레미와 같은 음들을 알고 있으면 악보를 읽어 노래를 부를 수 있고, 새로운 음악을 만들어 낼 수도 있다. 오케스트라의 아름답고 복잡한 화음도 결국 각각의 악기가 자신의 음을 연주해서 만들어 내는 하모니이다.

 

  스무 개의 아미노산들이 고유한 순서로 연결되어 이루어지는 단백질의 3차원 구조는 마치 조화로운 음들로 이루어진 음악과 같다. 주기적인 수소결합으로 형성되는 α helix 와 β sheet 가 이차 구조를 형성하고, 아미노산 잔기들 사이의 소수성 상호작용(hydrophobic interaction), 정전기적 인력(electrostatic attraction)을 이용하여 구조를 안정화시킨다. 대부분의 경우, 아미노산 서열은 각 단백질의 특정 3차원 구조를 결정하고, 구조를 바탕으로 단백질은 생체 내에서 고유한 기능을 수행한다. 예를 들어 DNA의 복제, 재조합, 회복시스템에 작용하는 DNA 결합 단백질들은 DNA의 특정 구조를 인식하는 특이표면을 가지고 있거나, 음전하를 띄고 있는 인산기에 무작위적으로 결합하도록 양전하를 띄는 아미노산 잔기들을 접촉 표면으로 노출시키는 경우가 많다.

 

  기능이 밝혀지지 않은 단백질의 기능을 예측하고, 질병 관련 단백질의 기능을 조절하는 새로운 약을 디자인하는데 단백질의 구조는 필수적이다. 단백질의 3차원 구조를 밝히기 위해서는 대량의 순수한 단백질 샘플을 정제하고, 단백질 내 각 원자들의 위치를 알아내기 위한 실험이 필요하다. 핵자기 공명 (NMR, Nuclear Magnetic Resonance) 실험은 그 중 하나로, 다양한 실험 기법을 통해 단백질 내 수소 원자 간의 거리 정보, 단백질 펩타이드 결합의 각도 정보, 아마이드 질소-수소 결합의 동역학적 정보 등을 얻을 수 있다. 이러한 정보들을 바탕으로 동역학적 계산을 수행하면 실험 데이터에 부합하며 안정한 에너지를 갖는 구조 앙상블을 얻게 된다.

 

  짧고 간단한 동요에 비해, 길고 복잡한 교향곡의 경우 악보만 보고 어떻게 들릴지 상상하기는 어렵다. 마찬가지로, 수백 개의 아미노산으로 이루어진 단백질들의 3차원 구조를 서열만 보고 예측하는 것은 어려운 일이다. 실험 데이터를 기반으로 한 구조 계산 또한 크기가 큰 단백질일수록 어려움을 겪는다. 그러나 많은 구조생물학자들의 노력으로 2013년 5월 현재 84,000개 이상의 단백질 3차원 구조가 밝혀져 PDB(Protein Data Bank)에 그 정보가 수록되어 있다. 이를 바탕으로 아미노산 서열, 화학이동(Chemical Shifts)의 유사성을 기존 데이터와 비교하여, 작은 펩타이드 조각(Fragments)의 구조를 예측하고 조각들을 이어 붙여 더 긴 서열의 구조를 예측하는 소프트웨어들도 개발되었다. 또한, 가장 안정된 단백질 접힘(folding)을 찾아가는 컴퓨터 게임(폴드잇, Foldit)도 개발되어 단백질 구조 예측 연구에 도움을 주고 있다.

 

  영국 런던의 National Portrait Gallery에는 1964년 노벨화학상 수상자인 X-선 결정학자 ‘Dorothy Hodgkin’의 초상화가 있다. 그림 속의 그녀는 분자 모형을 앞에 두고 네 개의 손으로 열심히 단백질의 구조를 풀고 있다. 연구하는 순간의 몰입과 어려움, 그 후의 성취감과 자연이 빚은 예술인 단백질 구조의 아름다움까지 느껴진다. 현대의 구조생물학자들도 여전히 그렇다. 자연에서 배울 것이 아직도 많이 남아 있다.      <끝>

 

(참고)
http://www.npg.org.uk/collections/search/portrait/mw07497/Dorothy-Hodgkin

http://en.wikipedia.org/wiki/DNA-binding_protein

http://fold.it/portal/

 

 

GIST대학 기초교육학부 박진주 교수 (지스트 소식지 Vol.18 No.2 <사이언스 칼럼>)