BASICS OF PROTEIN STRUCTURE

* Protein Conformation Main actors Important to understand their function The function of a protein is determined by its structure. Designed to bind other protein, DNA, RNA or other molecules Globular or fibrous, stiff or elastic -> change their conformation 대부분의 생물학적인 과정에서 단백질은 가장 main으로 작용되며, 그러므로 단백질의 기능을 이해하는 것이 중요합니다. Protein의 기능은 구조를 통해 알아볼 수 있습니다. 대부분의 단백질은 다른 단백질, DNA, RNA 또는 다른 분자에 결합되도록 디자인되고, 이러기 위해서는 정확한 공간적 조직을 형성하고, 유지하는 것이 필요합니다. 단백질의 모양은 매우 다양합니다. 구조 및 기능을 유지하면서 단백질 배열의 거의 모든 위치를 바꿀 수 있습니다. 단백질은 구형 또는 섬유질, 딱딱하거나 탄성을 가지고 있고, 형태를 바꿀 수 있습니다. 이 chapter에서는 다양한 역할로 이어질 수 있는 단백질의 특징을 설명하고 있습니다.

Protein = L-amino acid residues. 1. The amino acid Protein = L-amino acid residues. -> the opposite hand of amino acids is called the D-configuration. α-carbon is chiral. -> bound to a hydrogen atom, an amino group, a side chain and a carboxyl group 아미노산은 일반적으로 아미노 그룹과 카르복실 그룹을 가지고 있으며 알파 탄소에 결합되어 있는 구조를 가지고 있습니다. 알파탄소에는 수소와 side chain이 결합해 있는데, side chain은 R로 표기합니다. 일반적으로 아미노산은 모두 알파 탄소에 4개의 서로 다른 작용기가 결합되어 있어서 두가지의 서로 겹치지 않는 거울상 형태가 생깁니다. 아미노기의 위치가 알파 탄소의 왼쪽이면 L-아미노산이고, 오른쪽이면 D-configuration입니다. 아미노산 서열은 단백질의 일차구조라고 하며, 20개의 아미노산이 존재합니다.

1. The amino acid property Amino acid Nonpolar residues Ala, Val, Leu, Met, Pro, Phe Charged polar residues Asp, Glu, His, Lys, Arg Uncharged polar residues Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr, Trp No side chain Gly 아미노산은 side chain의 성질에 따라 비극성, 전하를 갖는 극성, 전하를 갖지 않는 극성으로 나눌 수 있습니다. Glycine 경우에는 side chain이 수소원자로써 알파탄소에 2개의 수소원자가 결합하는 가장 간단한 구조를 가지고 있습니다. 간단하게 알아보면, 비극성 side chain을 가지는 아미노산은 알라닌, 발린, 아이소류신, 류신, 메티오닌, 프롤린, 페닐알라닌이며, side chain이 지방족 탄화수소 작용기를 가지고 있다. 전하를 띄며 극성 side chain을 가지는 아미노산은 아스파트산, 글루탐산, 히스티딘, 라이신, 아르지닌이며, 아스파트산과 글루탐산 경우에는 카르복실기를 가지고 있어서 음전하를 띤다. 전하를 띄지않으며 극성을 가지는 side chain을 가지는 아미노산은 세린, 타이로신, 시스테인, 아스파라진, 글루타민, 트레오닌, 트립토판입니다.

1-1 Side chain and their interactions The sequence of amino acid side chain gives the proteins unique properties. Determine the fold of the protein Determine surface properties -> important for selective interactions with other molecules and catalysis of chemical reactions. The side chains can interact with each other or with the main chain in many different way. Nonpolar or hydrophobic side chain ( found in the inner part of the protein ) -> interact with other nonpolar side chains. Polar side chain -> hydrogen bond to each other or to the main chain. The charged groups -> interact with side chain with opposite change on the surface or the protein 아미노산의 side chain sequence는 단백질의 고유한 특징을 가지게 한다. Sequence는 단백질의 fold와 표면의 성질을 결정한다. Side chain은 여러 방법으로 다른 side chain과 main chain과 interact 한다. 비극성 이거나 친수성인 side chain인 경우 다른 비극성 side chain 과 interact 한다. 극성 side chain인 경우 서로 수소 결합을 하거나, main chain과 결합을 한다. 전하를 띠는 그룹인 경우 단백질 표면에서 자주 side chain과 반대 charge와 interact 한다.

In proteins, the amino acid residues are linked by peptide bonds. 2. The protein backbone In proteins, the amino acid residues are linked by peptide bonds. peptide bond 단백질에서, 각 아미노산들은 공유결합을 형성함으로써 서로 연결한다. 한 아미노산의 카복실기와 그다음 아미노산의 아미노기가 반응하여 펩타이드 결합을 형성한다. 펩타이드 작용기는 공명현상으로 안정화되 있으므로 펩타이드 평면 구조이다. 이러한 입체화학적 특징이 단백질 3차원 구조의 수많은 특징들을 결정합니다. 파이와 프사이, 오메가는 각각 회전각을 나타낸다. 알파탄소와 아미노기 결합에 대한 회전각은 파이로 표시하고, 알파탄소와 카복실기 결합에 대한 회전각은 프사이로 표기합니다. 오메가 토션 앵글에서 trans peptide bond에서 180도이고, cis peptide bond는 0도입니다.

4. Secondary structure & Helices, the α-helix Most proteins C-O group of each amino acid residue to hydrogen bond with the N-H group of the amino acids are separated by four residues from their own. Residues n and n+4 Pitch = 5.4 Å 이차구조는 peptide backbone에 있는 원자들의 공간적 배열로 아미노기와 카복실기 사이가 수소결합이 반복되어 있습니다. 알파 헬릭스는 대부분의 단백질 구조이며 폴리펩타이드 사슬이 수소결합에 의해 뒤틀려 감긴 단백질의 2차 구조입니다. 각 아미노산 잔기의 c-o 작용기는 자신으로 부터 잔기 4개만큼 떨어져 있는 아미노산의 N-H 작용기와 수소결합 되어있다. 피치는 한지점과 한바퀴 돌아온 후 같은 위치에 있는 점의 사이를 말하며 여기의 피치는 5.4 옹스트롬 입니다.

Narrower and not as stable as the α-helix π-helix Rare 4-2 The 310 and the π-helices Other types of helices. 310 10% of total protein Residues n and n+3 Narrower and not as stable as the α-helix π-helix Rare Residues n and n+5 Gentle helix 나선의 다른 타입에 대해 간단히 알아보겠습니다. 삼의 10 helix는 전체 단백질에서 10%이며, 3개 잔기가 떨어져 있는 지점과 수소결합을 합니다. 알파 헬리스보다 좁고 안정적이지 못한 구조입니다. 파이 헬릭스는 아주 드문 경우이며 5개 잔기가 떨어져 있는 지점과 수소결합을 합니다. 헬릭스가 완만합니다.

Helices have one important element in common 4-3 Helical dipoles Helices have one important element in common Since all the peptide planes are oriented in essentially the same way -> small dipoles -> helices become large dipoles amino end = positive charge Carboxyl end = negative charge -> stabilization 모든 Peptide 평면부터는 근본적으로 같은 방법을 지향하고, 이럴 때 small dipoles가 되고 helices는 large dipoles가 됩니다. 사실상, helix의 아미노 말단은 부분적으로 + charge를 가지고, 카르복실 말단은 부분적으로 – charge를 가집니다. 따라서 helice는 N-터미널과 C-터미널의 전하로 인해 상당히 안정하게 됩니다.

peptide backbone has spread to almost completely. 4-4 Beta structures Other type of common secondary structure peptide backbone has spread to almost completely. β-strand, where CO and NH groups can form hydrogen bonds to neighboring strands on both sides. 2차구조의 일반적인 다른 타입으로 베타 구조가 있습니다. 펩타이드의 골격은 거의 완전히 펼쳐져 있습니다. Chain이 늘여진 형태인 베타 스트랜드에서 CO와 NH 작용기는 이웃하는 스트랜드와 수소 결합을 하고 있습니다.

In anti-parallel β structures 4-5 β-bulges In anti-parallel β structures Occurs when there is an additional amino acid residue in one strand Ideal hydrogen-bonding pattern β-bulges gives the β-sheets an increased twist. 베타 벌쥐 구조는 안티 페러렐 베타 구조에서 자주 관찰됩니다. 하나의 가닥에서 아미노산 잔기가 더해질 때 일어나며, 즉 한쪽 가닥에는 아미노산 잔기 2개가 관여하고 다른쪽 가닥에는 잔기 1개가 관여하여 수소 결합을 합니다. 베타 벌쥐는 베타 sheet에서 비틀림을 증가 시킵니다.

component of connective tissue and bone 4-6 Polyproline helices and collagen component of connective tissue and bone Collagen -> triple helix Pro-Hyp(hydroxyproline)-Gly 콜라젠은 뼈와 결합조직의 구성성분이며 가장 풍부한 단백질입니다. 골라젠 섬유는 서로 감겨있는 3개의 폴리펩타이드 사슬 즉 트리플 헬릭스로 구성되어있습니다. 3개의 사슬은 각각 세가지 아미노산 잔기의 반복서열을 가지고 있습니다. 하이드록시프롤린은 아미노산이 서로 연결되어 단백질이 된 후 프롤린이 특정 수산화효소에 의해 변형됨으로써 생성됩니다.

Reverse turn is another type of regular secondary structure. 4-7 Turns Reverse turn is another type of regular secondary structure. Short, connect two β-stands FIG 2.13 Reverse or β-turn ideally has a hydrogen bond between CO of residue n and NH of residue n+3. Reverse turn은 흔한 이차구조이며 진행방향이 바뀌는 것을 의미합니다. Turn은 짧고 종종 두개의 베타 스트랜드를 연결하고, Reverse 또는 베타 turn은 완전하게 카르복실기인 n과 아미노기인 n+3 잔기 사이에서 수소결합을 합니다. 아미노산 중 글라이신과 프롤린이 turn이 자주 일어나는데, 글라이신 경우에는 side chain이 수소 한 개이기 때문에 혼잡하지 않고, 프롤린의 고리구조는 turn에 맞는 형태이기 때문에 turn이 강하게 일어납니다.

Form barrels or cylinders Propeller proteins 5. Topologies and Motif 2.1.5.1 Antiparallel β-sheet β-hairpins Up-and-down sheet Found in many proteins Form barrels or cylinders Propeller proteins 모티브는 몇 개의 아미노산 서열 중에서 어떤 특징을 가진 것을 말합니다. 안티 패레럴 베타 시트중에서 β-hairpin은 역평행인 베타 시트가 반대로 돌면 연결되어 있는 형태입니다. Up-and-down sheet는 많은 단백질에서 찾을 수 있는데, 여러 개의 베타 시트가 연결되어 원통 모양을 형성합니다.

Special type of a greek key structure 5-1 Antiparallel β-sheet Greek key motifs form of folding is the β sheet of one, become anti-parallel, respectively. Jellyroll Special type of a greek key structure Greek key motif는 4개의 β sheet가 folding이 되어 각각 역평행하게 이루어진 형태입니다. Jellyroll은 greek key 구조의 특별한 경우이며, 여덟개의 가닥이 배열되어 있는 구조인데, 주로 4개의 strand로 이루어진 sheet가 2개의 β sandwich 형태를 가집니다.

Formed by two parallel strands and a connecting helix. 5-2 βαβ unit Formed by two parallel strands and a connecting helix. βαβ βαβ motif Βαβ unit은 두개의 평행한 β sheet 사이에 α helix로 연결되어진 형태이다. Βαβ unit이 반복되어 형성된 구조도 있고 또한 여덟개의 Βα unit 형태로 접혀서 원통모양을 형성하는 구조도 있습니다. βαβ unit Βα unit

-> helice can be packed 5-3 Helix packing In helical proteins -> helice can be packed Side chains of helices form different ridges Optimal packing 헬리칼 단백질에서 헬리스는 단단해질 수 있습니다. 이것은 side chain이 다른 리지 (뾰족하게 솟은 부분 )을 형성하고, 이렇게 형성이 되면 최상의 packing이 됩니다.

6. Globular and Fibrous protein Proteins can occur in numerous shapes. The classic image of a protein is a globular structure The structure of elongated or fibrous protein Keratin -> fibrous protein -> α-helices 단백질은 수많은 모양으로 존재합니다. globular structure는 단백질의 전형적인 구조이며, 미오글로빈, 헤모글로빈 등이 있습니다. 하지만, 길게 늘어지는 구조이거나, 섬유모양의 단백질도 존재합니다. 머리카락에 있는 keratin은 섬유모양 단백질이며, 알파 헬릭스 구조로 이루어져있습니다. Globular structure

Domain : majority of proteins are built up of separate folding units. 6-1&2 Domain / Domain swap Domain : majority of proteins are built up of separate folding units. Monomeric proteins composed of several domains can sometimes aggregate in a non-native fashion Non-interacting within the same polypeptide Domain may interact with the corresponding domain in another polypeptide chain 단백질은 생명체의 세포 기능을 조절하는 가장 기본적인 분자단위이며 하나의 단백질은 1개 또는 여러 개의 도메인으로 구성되어있다. 아미노산의 배열, 입체구조, 기능, 진화 등의 면에서종합적인 영역이다. 통상 50~200개 정도의 아미노산잔기로구성되어 공간적으로 독립된 밀집구조를 갖는 것으로 기본적인 분자단위이며 하나의 단백질은 1개 또는 여러 개의 도메인으로 구성되어있다. Monomer 단백질로 구성된 몇몇의 도메인은 가끔 비정상적인 방식인 domain swap으로 집합체를 이룰 수 있습니다. 같은 polypeptide 이내의 상호작용이 아니라 다른 polypeptide chain에 있는 도메인과 상호작용을 합니다.

Mosaic proteins are formed by many modules Module Functional units Identified from sequence patterns. Plasminogen activator 모자이크 단백질은 많은 모듈로써 형성된다. 모듈은 기능적인 구성 단위이며, 서열 패턴을 이미 알고 있는 것을 말합니다. 각각의 모듈은 sequence와 독립된 도메인의 fold에서 서로 다른 unit입니다. 예를 들어 조직 plasminogen activator에서 네가지 종류의 5개 modules로 구성되어있습니다. Receptor tyrosine kinase

Secondary structure elements are connected by turns or loops. 6-4 Loops and tails Secondary structure elements are connected by turns or loops. Quite long and protrude Tail also have a secondary structure. Usually have structural roles Frequently for the stabilization of ligomeric structure 6-5 Natively unfolded proteins 이차구조의 요소들은 turn과 loop로 연결됩니다. Loop는 단백질의 작은 부분으로부터 상당히 길고, 돌출되어 있습니다. Tail 역시 이차구조를 가지고 있습니다. Loop와 tail은 보통 구조적인 역할을 하고, oligomer의 구조에서 상당히 안정화되어 있습니다. 그리고 단백질은 단단하지 않지만, 많은 case에서 작거나 큰 부분의 유연성을 가지고 있으므로

Fibrous protein can be formed in at least three ways. 6-6 Fibrous proteins Fibrous protein can be formed in at least three ways. Made up of globular protein in a linear or helical Formed very extended polypeptide chain β-structures may from domain swapped arrangements 섬유형 단백질은 3가지 형태가 있습니다. 첫번째 타입은 linear 또는 나선에서 구형 단백질로 만들어진 것이고, 두번째 타입은 이차구조의 같은 타입에서 Polypeptide를 더 길게 만든 타입이며, 세번째 타입으로는 부정확하게 접힌 단백질의 베타 스트랜드가 아주 긴 역평행 베타-sheet에서 베타 구조가 domain swapped 집합체를 형성하는 타입으로 존재합니다. Extended protein from a coiled-coil fiber Globular subunits in helical fashion

Mediate signals across the membranes 6-7 Membrane proteins Mediate signals across the membranes Involved in transport of ions or smaller or larger molecules in and out of the cell. Globular part with properties similar to soluble protein Bound to the membrane through a tail Form of a single α-helix Membrane protein은 membrane에서 signal에 관여합니다. 또한 이온 이나 또는 크고 작은 분자들을 세포 안과 밖으로 수송시킵니다. 어떤 단백질은 soluble protein과 유사한 특징을 가진 구형 형태이며, tail을 통해서 memebrane에 결합하고, 또한 single 알파 헬릭스 구조를 형성합니다.

*2 Relation between fold and function protein taxonomy Structure determination of protein appear at an increasing rate. Define a structural taxonomy for proteins. Biochemical function : convergence - Function is not restricted to fold. Folds are very different, but proteins have the same ->function and enzymatic mechanism. 이 파트는 제가 자세히 하지 못해서 간단하게 하고 넘어가겠습니다. 단백질의 구조 결정은 DNA 시퀀스의 결정보다 훨씬 많은 작업이 필요하지만 새로운 구조 증가율로 표시됩니다. 알려진 단백질의 형태 증가 데이터베이스와 단백질 구조 분류를 정의하는 분류된 단백질의 구조를 찾을 수 있습니다. 일반적으로 단백질의 기능은 fold의 따라 한정되지 않습니다. 이 구조는 chymotrypsin과 subtilisin이란 단백질의 구조인데, 접힘의 구조는 매우 다르나 같은 기능과 효소적 Mechanism을 가집니다.

- Fold type 1-3 Common folds Common folds - Protein fold = amino acid complex -> folded structure or native structure - Fold type α/β domain immunoglobulin Protein fold은 선형의 아미노산 복합체인 단백질이 개개의 단백질에 고유한 접힌 구조를 만드는 과정을 말합니다. Fig2.13은 여러 타입의 fold에 의해 구조화된 단백질을 도식화 한것입니다. 알파/베타 도메인 Immunoglobulin domain TIM 원통형 Jellyroll 구조 TIM barrel Jellyroll

2. Protein stability and dynamics The folding process Packing of protein and empty holes in proteins Denaturation – thermal stability - Protein are marginally stable. -> easily be denatured in various way - Adding chemicals, change of pH, increasing the temperature 단백질은 안정성과 역동성을 가지고 있습니다. 단백질은 folding 과정, 단백질과 단백질의 빈부분의 packing을 통해서 일어날 수 있습니다. 그러나 단백질의 안정성은 미미하기 때문에, 높은 온도나 Ph의 변화, chemical이 더해짐에 따라서 쉽게 끊어질 수 있습니다. 단백질의 풀림 현상을 denaturation이라 하고, denaturation이 일어나면 여러 가지 성질로 변할 수 있습니다.

3. Protein-protein interactions -Function of biological macromolecules depends on structure, interaction -Smaller molecules and ion -> interaction between macromolecules -> determine function -Composed of type of homo-oligomers or hetero-oligomers Transient and long-term interactions - Oligomeric proteins are usually stable molecular aggregates with a long lifetime. - Some oligomer regulate the function of the protein - Polymerize from monomer 단백질 간의 interaction에서는 생체 고분자 기능은 구조와 interction에 의존합니다. 작은 분자나 이온 또한 대부분 고분자 사이에서 interaction할뿐만 아니라 그 기능을 결정합니다. 단백질은 호모 올리고머 또는 여러종류의 헤테로 올리고머의 한가지 타입으로 구성될 수 있습니다. 올리고머 단백질은 일반적으로 수명이 길고 안정된 분자의 집합체입니다. 일부 올리고머는 단백질의 기능을 조절하고, 특정 기능을 수행하기 위해 모노머 형태로 중합 할 수 있습니다.

- Proteins frequently have a tendency to aggregate Oligomeric protein, symmetry and breakin of symmetry - Proteins frequently have a tendency to aggregate - The variety of arrangements in oligomeric proteins seem unlimited. - Arrangements usually have some type of symmetry 단백질은 모일려는 성질이 있습니다. 올리고머 단백질의 다양한 배열은 제한되어있지 않습니다. 배열은 항상 대칭으로 존재합니다. 이 그림은 올리고머 단백질의 몇몇의 예를 보여주는 것입니다. A와 B 각각의 interact의 방향에 따라 올리고머는 dimer, trimer, tetramer, linear, heilcal 올리고머 형태가 될 수 있습니다. 옆에 그림은 두가지형태의 tetramer을 나타내는 구조인데, 각각 올리고머가 대칭적인 구조를 가지고 있는 것을 알 수 있습니다. 몇몇의 단백질은 polymerization이나 depolymerization 반응이 일어납니다. 이 과정을 통해 단위체가 화학반응을 통해 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 중합체가 되어 복잡한 구조로 되거나, 반대로 중합체에서 단위체로 분해되어 간단한 구조의 분자로 됩니다. Polymerization-depolymerization Amyloid aggregation

4. Protein-ligand interactions Bound water Internal water molecules Prosthetic groups and coenzymes - Enzymes, can only exert their biochemical function if they bind a non-protein molecule. - Cofactor -> inorganic or organic - Coenzymes like NADH and ATP are found in all forms of life and are central in their metabolism. -> involved in catalyzed reaction Bound water 은 보통 생물체 내의 물 중에서 유기물과 수소결합에 의해 밀접하게 결합되어 쉽게 분리시킬 수 없습니다. 또, 단백질에 파묻혀있는 물 분자가 발견되어 interaction하는 단백질도 있습니다. 단백질이 비 단백질 분자에 결합할 경우 특정효소에서 유일한 생화학적 기능을 발휘할 수 있습니다. 이러한 cofactor는 무기물 또는 유기물 일 수 있습니다. 어떤 경우, 예를 예를 들어 heme group의 아연, 구리와 같은 금속과 같이 단백질이 계속 강하게 결합할 수 있게 합니다. NADH와 ATP등의 coenzyme은 생명의 모든 형태에서 존재하고 있고, 촉매반응에 관여하고 있습니다.

- Metals are essential components Metal binding - Metals are essential components -> biological system, proteins as well as nucleic acids. - Enzymes frequently use metals for their catalytic activities. - Metals are found in Biological system -> Na, Mg, K, Ca, V, Mn, Fe, CO, Ni, Zn, Mo, W 금속은 많은 생물학적 시스템, 단백질 뿐 아니라 핵산의 중요한 구성요소 입니다. 금속은 입체구조를 안정화시키고 음전하를 중성화 시킵니다. 그렇지 않으면 서로 반발이 일어날 수 있습니다. Enzyme은 촉매 activity를 위해 금속을 사용하고 있습니다. 생물학적 시스템에서 발견된 금속은 다음과 같습니다.

Inorganic or organic metal clusters - Some proteins, in particular enzymes, contain clusters -> include several metal atoms or ions. - Fig 2.40 Arrangement of a 4Fe-4S complex found in many protein 일부 단백질중 특정 enzyme에는 몇가지 금속원자와 이온을 포함하는 클러스터가 존재합니다. 많은 단백질에서 4개 철과 4개 황의 집합 complex를 찾을 수 있습니다.