[생명과학실험]단백질의 변성과 응집 1부

실험 목적

단백질의 특성을 이해하고 단백질 변성에 관여하는 요인을 알고 실험을 통해 확인한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 단백질

탄소, 수소, 질소로 이루어진 단백질은 모든 생물체의 구성성분임과 동시에 화학반응에도 관여하므로 매우 중요한 유기물이다. 단백질은 수많은 아미노산이 펩티드 결합하여 만들어지는데 이러한 단백질의 구조는 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 분류할 수 있다. 1차 구조는 아미노산이 펩티드결합에 의해 단순한 선형구조로 된 것이며, 2차 구조는 1차구조의 아미노산 분자구조가 각을 이루어 알파나선구조, 베타병풍구조를 이루게 된다. 3차 구조는 2차 구조들이 모여서 덩어리를 이룬 것이며 이때부터 생리적작용이 가능하다. 4차 구조는 3차 구조들의 모임이고 이때 또한 생리적작용이 가능하다.

 

2. 단백질의 구조

단백질을 구성하는 아미노산에는 20종이 존재하며 단백질의 종류는 이 20종의 아미노산이 몇 개, 그리고 어떤 순서로 연결되느냐에 따라 달라진다. 단백질의 구조는 1차·2차·3차·4차로 나누어진다. 20종의 아미노산이 수십 개 또는 수백 개가 펩티드 결합에 의하여 연결될 때 그 연결순서에는 무한히 많은 종류가 있을 수 있으므로, 단백질의 종류도 무수히 많을 수 있다.

1) 1차 구조 (Primary Struture) : 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 폴리펩타이드를 형성한다. 단백질의 3, 4차 구조의 기본 골격도 원칙적으로는 1차 구조에 의해 결정된다.

 

2) 2차 구조 (Secondary Structure) : 아미노산 사이의 작용으로 나선형 또는 병풍처럼 접혀있다. 규칙적이고 반복적인 패턴을 가지며 폴리 펩티드 사슬의 여러 부위에 존재한다. 2차 구조는 대표적으로 알파 나선구조와 베타 나선구조가 있다.

 

3) 3차 구조 (Tertiary Structure) : 2차 구조의 폴리펩타이드가 구부러지거나 접혀 입체 구조를 형성한다. 이 3차 구조 형성에는 side chain group (측쇄그룹) 사이의 상호작용이 매우 중요하며 시스테인 사이의 이황화결합도 중요하다.

 

4) 4차 구조 (Quarternary Structure) : 입체 구조를 형성한 폴리펩타이드가 2개 이상 모여 복합체가 형성된다. 대표적인 예로는 헤모글로빈에서 2개의 알파 단위체와 2개의 베타 단위체가 모여서 총 4개의 폴리펩티드 사슬이 입체 구조를 이루고 있다.

 

3. 단백질의 변성과 응집

단백질 변성(protein denaturation)은 단백질이 화합물이나 외부 스트레스에 의해 단백질의 본래 상태에서 가지고 있던 2차, 3차 또는 4차 구조를 잃어버리는 과정을 말한다. 즉, 약한 화학적 힘에 의해 삼차구조를 지탱하고 있는 단백질이 주위의 물리적, 화학적 요인에 의해 공유결합인 1차구조의 변화를 수반하지 않고 2차, 3차 4차구조등 입체구조에 변화를 일으켜서 여러 가지 성질이 변화는 현상이다.

 

단백질 변성을 일으키는 요인에는 열, 강산, 강염기, 알코올이나 클로로폼 같은 유기 용매, 방사선, 높은 염 농도, 압력 등이 있다. 이 단백질의 변성은 대부분 비가역적으로 일어나지만 종류에 따라 변성 유발 요인이 사라지게 되면 다시 본래의 3차 구조로 돌아오기도 한다. 변성된 단백질끼리 물에서 떨어지기 위해 서로 뭉치게 되면 정상인 경우와 비교해 용해도가 아주 낮아지게 되어 침전하게 되는데 이러한 현상을 단백질 응집이라고 한다.

 

4. 단백질 변성의 원인

단백질 분자를 구성하는 폴리펩티드사슬 사이에 작용하는 수소결합이나 소수결합 상태를 변화시키는 작용이다.

1) 물리적 작용

가열, 동결, 고압, 흡착, 교반, 초음파, 자외선, X선등이 있다. 일반적으로 60도 이상의 열이 작용하면 단백질의 일부 결합이 깨져서 구조의 변이가 일어난다. 또 열에 의한 변성시 물 분자가 필요한데 껵여져있는 겹쳐진 단백질의 구조 내부까지 침투해 염결합이나 수소결합을 느슨하게 하거나 끊어 폴리펩티드 사슬이 풀리거나 응집할 때에 그 작용을 용이하게 한다.

 

이와 같은 변성은 대부분 비가역적인 것이 특징이다. 예를 들면 알부민의 농축액인 계란 흰자에 열을 가하면 알부민의 1차 구조인 강한 공유 결합에는 영향을 주지 못하나 2차 및 3차 구조를 이루는 약한 결합은 파괴되면서 변이가 일어난다.

2) 화학적 작용

산, 염기, 요소, 구아니딘, 유기용매, 계면활성제, 중금속염, 카오트로픽시약등이 있다. 단백질에 산을 가해주면 pH가 낮아져 그 단백질의 등전점과 가까워지면서 단백질의 전하가 감소되어 수화력이 감소하고 응고된다. 전하가 감소하면 분자간의 구력이 약해지고 수화가 감소하면 분자간의 응집은 용이해진다.

 

고농도 염용액을 첨가하는 것은 단백질이 용해되지 않는 염석현상이 일어나게 되고 탈수되어 응고되는 현상이 나타난다. 가용성 단백질은 금속이온에 의해 변성되는데 두유에 마그네슘이온이나 칼슘이온 첨가하면 두부가 되는 것이다. 또 소금을 생선살에 뿌려주면 응고되는 현상이 일어나 살이 단단해 지는데 이는 염에 의한 변화의 좋은 예이다.

 

4. 변성에 따른 변화

단백질이 변성함에 따라 용해도가 감소하고 효소작용 같은 생물활성이 소실되거나 저하된다. 결정화 경향이 소실되기도 하는데 그로인해 분자량이 불변인 것 몇 분의 1 또는 몇 배로 해리 또는 중합하는 것 등이 있다. 단백질분자 중에서 각종 기능기(SH기, S-S기, 페놀기, 인드릴기, 아미노기, 카르복시기등)의 반응성이 보통 미변성일 때보다 상승한다.

 

5. 단백질의 응고

단백질의 응고는 대부분 단백질이 변성되면서 일어난다. 대표적으로 두부는 염류 첨가인 대두단백질이 변성되어 응고된 단백질 식품이다. 일반적으로 단백질의 열에 의한 응고 온도는 60～70℃로 알려져 있으며 달걀의 경우 난백은 60℃ 전후에서 응고되기 시작하고 80℃ 정도에 완전히 응고되며 난황은 65℃에서 응고되기 시작하여 70℃ 정도면 응고가 된다. 알칼리 등을 첨가하면 분자가 -OH기가 단백질과 수소결합 하여 구조를 잘 유지시켜 줌으로써 단백질이 수화되기 쉬운 상태가 되므로 응고되기 어려운 상태가 되러 응고를 방해하고 응고온도가 상승하게 된다. 

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