Lesson 11 of 20

단백질이 접히는 힘 — 물이 민다

1·2·3·4차 구조, 그리고 SDS 가 무너뜨리는 것

아미노산 사슬은 실처럼 늘어져 있지 않습니다. 정해진 모양으로 접힙니다. 그리고 그 모양이 기능을 정해요.

단계	무엇	붙잡는 힘
1차	아미노산 순서	공유결합 (펩타이드)
2차	α나선 · β병풍	등뼈끼리의 수소결합
3차	전체 3차원 모양	소수성 효과 + 이온 + 수소 + 이황화
4차	여러 사슬이 모인 덩어리	같은 힘들

High school물이 밉니다 — 그게 접히는 힘입니다

단백질이 왜 접히는지를 한 문장으로 하면 이렇습니다.

물이 소수성 곁사슬을 밀어내서 안으로 숨는다

3강의 소수성 효과가 여기서 열매를 맺습니다.

접힘의 결과

어디	어떤 아미노산
단백질 안쪽	소수성 — 물을 피해 숨었다
단백질 바깥	극성 · 하전 — 물과 어울린다

기름방울이 뭉치는 것과 같은 힘이다

구조가 네 층입니다

층	무엇	무엇이 붙잡나
1차	아미노산 순서	공유결합 (안 끊긴다)
2차	나선 · 병풍	수소결합
3차	전체 3차원 모양	소수성 효과 + 여러 힘
4차	여러 사슬이 모인 것	같은 힘들

1차만 공유결합이고 나머지는 전부 약한 힘이다

그래서 이런 일이 가능합니다

열이나 세제로 2·3·4차를 무너뜨려도 1차 구조는 남습니다.

2강의 "약한 것만 끊고 강한 것은 남긴다" 가 단백질에서도 그대로예요.

그것이 SDS-PAGE 의 원리다 — 다음 셀

접히는 힘의 대부분은 소수성 효과다

3강을 떠올려 보세요. 물이 소수성 곁사슬을 밀어냅니다. 밀려난 것들은 갈 데가 없어 안쪽으로 모입니다. 그것이 접힘의 알맹이예요.

그래서 접힌 단백질은 대개 기름진 속과 물을 좋아하는 겉을 가집니다.

High school1차 구조가 3차 구조를 정합니다

놀라운 사실 하나 — 아미노산 순서만 알면 접힌 모양이 정해집니다.

같은 서열은 늘 같은 모양으로 접힌다

이게 왜 놀라운가

아무도 접으라고 시키지 않습니다. 물에 넣으면 저절로 그 모양이 돼요.

3강의 자기조립이 여기서도 나옵니다.

비유 — 종이접기 vs 저절로 접히는 종이

종이학은 사람이 순서대로 접어야 합니다. 그런데 단백질은 물에 던져 넣으면 알아서 접혀요.

왜냐면 그 모양이 가장 안정하기 때문입니다. 공이 골짜기로 굴러 내려가듯 저절로 갑니다.

접힌 모양은 에너지가 가장 낮은 자리다

그래서 AlphaFold 가 가능했습니다

2021년에 AI 가 서열만 보고 3차 구조를 예측하는 데 성공했습니다. 50년 묵은 난제였어요.

가능했던 이유가 "서열이 구조를 정한다" 는 사실 덕분입니다. 정보가 서열 안에 이미 다 들어 있으니 풀 수 있는 문제였던 거죠.

답이 있다는 것을 알면 찾을 수 있다

다만 아직 못 하는 것도 많습니다

단백질이 어떻게 접히는지 (과정)
여럿이 어떻게 상호작용하는지
변이가 기능을 어떻게 바꾸는지

구조를 맞히는 것과 기능을 아는 것은 다른 일입니다.

High schoolSDS 는 이 힘을 통째로 없앱니다

note 가 SDS 이야기를 합니다. 웨스턴블롯의 핵심 시약이에요.

SDS 가 무엇인가

세제입니다. 사실 주방 세제와 같은 종류예요.

부분	성질
긴 꼬리	소수성 — 기름과 어울린다
머리	음전하 — 물과 어울린다

양쪽 성질을 다 가진 분자 = 계면활성제

단백질에 넣으면

SDS 꼬리가 소수성 부분에 달라붙는다
숨어 있던 안쪽이 드러난다 → 접힘이 풀린다
SDS 머리(음전하)가 온몸을 뒤덮는다

단백질이 펴지고 + 길이에 비례하는 음전하를 입는다

그래서 크기로만 갈립니다

7강에서 봤죠 — 핵산은 원래 길이에 비례하는 전하를 갖습니다. 단백질은 안 그런데, SDS 가 억지로 그렇게 만들어요.

	원래 단백질	SDS 처리 후
모양	제각각 접혀 있다	전부 막대
전하	제각각	길이에 비례
전기영동	안 갈린다	크기로 갈린다 ✔

차이를 지워서 하나의 축만 남긴다

이게 실험 설계의 좋은 예입니다

알고 싶은 것(크기)만 남기고 방해가 되는 것(모양·전하)을 일부러 없앤 겁니다.

주방 세제로 기름때를 닦는 것과 같은 화학이 실험 도구가 된 셈이에요.

소수성 지수는 <b>교과서 값</b>입니다 — 논문 값이 아닙니다.

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# 곁사슬의 소수성 — 어느 것이 안쪽으로 갈까 (Kyte-Doolittle, 교과서 값)
kd = {"Ile": 4.5, "Val": 4.2, "Leu": 3.8, "Phe": 2.8, "Cys": 2.5, "Ala": 1.8,
      "Gly": -0.4, "Thr": -0.7, "Ser": -0.8, "Trp": -0.9, "Tyr": -1.3,
      "His": -3.2, "Glu": -3.5, "Gln": -3.5, "Asp": -3.5, "Asn": -3.5,
      "Lys": -3.9, "Arg": -4.5}

print("소수성이 큰 쪽 = 안쪽으로 숨는다")
for 이름, v in sorted(kd.items(), key=lambda x: -x[1])[:5]:
    print(f"  {이름:4} {v:+.1f}   안쪽")
print("  ...")
for 이름, v in sorted(kd.items(), key=lambda x: x[1])[:4]:
    print(f"  {이름:4} {v:+.1f}   바깥 (물과 만난다)")
print()
print("DEAD 의 Asp(-3.5) Glu(-3.5) 는 바깥, Ala(+1.8) 는 안쪽 성향이다.")
print("모티프가 표면 근처에 놓여야 ATP 와 만날 수 있다.")

High school소수성 지수는 교과서 값입니다

캡션이 조심스럽게 적습니다 — "소수성 지수는 교과서 값입니다. 논문 값이 아닙니다."

이 강의가 출처를 구별해서 적는 방식

세 종류를 갈라 둡니다

종류	어디서	이 강의에서
논문 값	이 논문이 잰 것	그렇다고 적는다
교과서 값	널리 알려진 상수	교과서 값이라고 적는다
모형 값	설명하려고 지어낸 것	지어냈다고 적는다

셋을 섞으면 무엇이 발견인지 알 수 없다

1강의 '숫자 두 종류' 와 이어집니다

1강에서 측정값과 조건을 갈랐죠. 여기서는 출처로 한 번 더 갈랐습니다.

이 강의가 얼마나 꼼꼼한지를 보여 주는 대목이에요.

'소수성 지수' 가 뭔가

아미노산이 얼마나 물을 싫어하는지를 숫자로 매긴 값입니다. 여러 척도가 있는데 Kyte-Doolittle 이 가장 유명해요.

아미노산	지수	성격
Ile	+4.5	가장 소수성
Ala	+1.8	약간 소수성
Arg	−4.5	가장 친수성

이 값을 어디에 쓰나

단백질 서열을 훑으며 소수성이 높은 구간을 찾으면 막을 관통하는 부분일 가능성이 높습니다.

서열만으로 막단백질인지 짐작할 수 있다

/py 로 계산할 수 있는 일이에요 — 서열을 읽고 창을 옮겨 가며 평균을 내면 됩니다. 화학 지식이 코드로 바뀌는 자리입니다.

🤔 Check yourself

SDS 를 넣으면 단백질에 무슨 일이 일어나나요?