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- 샤페론은 접을 때 유해한 영향을 받지 않도록 하고 접는 오류를 수정한다.
- 많은 양의 에너지가 때때로 소비된다는 사실 세포가 단백질을 올바르게 접는 것이 얼마나 중요한지를 분명히 알려준다.
- 에너지 최소화로 가는 단백질 접힘

샤페론(샤프롱)은 단백질 접힘을 돕는다.
샤페론은 단백질 접힘의 알려지지 않은 영웅

아미노산 사슬의 접힘은 상당히 복잡한 일이 될 수 있다. 운 좋게도 단백질은 스스로 이 과정을 거칠 필요가 없다. 올바른 방식으로 아미노산 사슬을 묶는 데 도움을 받는다. 이 도움은 모든 세포 유형에서 발견되는 샤페론으로 알려진 열 충격 단백질의 형태로 제공된다.

▲ 샤페로닌은 원통형 케이지를 형성한다. 펼쳐진 단백질은 내부에 갇혀 있고 접는 과정이 시작될 수 있다. © P99am/Splette, CC-by-sa 3.0

샤페론은 접을 때 엉망이 되는 것을 방지

샤프롱은 프랑스어로 미혼 소녀들이 품위를 유지하도록 하는 데 사용되지만 우리 세포에서는 성숙 과정의 단백질이 접는 동안 유해한 영향을 받지 않도록 하고 접는 오류를 수정한다.

샤페론의 가장 중요한 임무는 응집, 즉 잘못 접힌 아미노산 사슬의 축적과 덩어리로부터 단백질을 보호하는 것이다. 이러한 응집의 주요 원인은 펼쳐진 상태로 인해 단백질 내부에 아직 숨겨지지 않은 다른 단백질의 소수성 측쇄 상호작용이다.

세포의 동작 클래스

샤페론도 특별한 공간구조가 없었다면 제 역할을 할 수 없었다.
샤페론 시스템의 가장 중요한 구성 요소 중 하나인 원통형 샤페로닌은 새장 같은 구조를 형성한다. 그들은 내부 챔버에서 아직 펼쳐진 단백질을 둘러싼다. 이것은 단백질을 간섭 인자로부터 보호하고 다른 펼쳐진 단백질과의 응집을 방지하는 공간을 만든다. 이 속이 빈 실린더의 가장 중요한 기능은 노출된 소수성 아미노산을 다른 단백질로부터 보호하는 것이다.

단백질은 단백질 내부의 모든 소수성 측쇄가 사라지고 단백질이 원래의 접힘에 도달할 때까지 샤페로닌 케이지에 남아 있다. 이것은 또한 샤페로닌이 접힌 단백질과 펼쳐진 단백질을 구별하는 방법을 설명한다. 표면에 소수성 구조가 남아 있으면 다음과 같은 표시처럼 작동하기 때문이다. 

▲ 소수성 효과로 소수성 아미노산(빨간색)은 단백질 내부에 숨겨져 있다. 이 효과는 접는 과정의 일부다. © Fleischer / Scinexx

접힘 도우미의 또 다른 유형은 리보솜으로 밀집된 세포 부분에서 사용되는 Hsp70 단백질이다. 이 작은 샤페론은 단백질 합성 중에 리보솜의 새로운 아미노산 사슬에 결합하여 인접한 리보솜의 다른 사슬과 상호 작용하는 것을 방지한다.

샤페론은 덩어리를 부술 수도 있다.

그러나 때때로 최선의 행동 과정은 아무 소용이 없다.
모든 노력에도 불구하고 일부 단백질은 잘못 접혀 결과적으로 다른 단백질과 응집체를 형성했다. 응집체 형성이 아직 초기 단계에 있다면 샤페론은 상황을 다시 뒤집고 응집된 단백질을 용해 및 재접힘할 수 있다.

샤페론은 종종 화학 에너지 운반체 아데노신 삼인산(ATP)을 소비함으로써 접는 보조제로서의 역할을 수행할 수 있다. 많은 양의 에너지가 때때로 소비된다는 사실은 세포가 단백질을 올바르게 접는 것이 얼마나 중요한지를 분명히 알려준다.

에너지 최소화로 가는 단백질 접힘

단백질은 기능을 올바르게 수행하기 위해 접는 방법을 정확히 "알고" 있을까?
이에 대한 답은 기본적인 생화학적 원리에서 나온다. 이것은 모든 단백질이 에너지 최소화, 즉 단백질에 에너지적으로 특히 유리한 접힘을 위해 노력한다는 것을 의미한다. 단백질이 가장 낮은 에너지 상태를 발견했을 때를 알고 있다. “아, 나는 올바르게 접혀 있고 내 기능을 수행할 수 있다.”

Levinthal Paradox - 회선은 무작위가 아니다.

단백질은 에너지적으로 가장 유리한 접힘을 정확히 어떻게 찾을까?
물론 단백질은 가능한 모든 형태를 시도할 수 있으며 결국 올바른 접힘, 즉 가장 낮은 에너지 접힘을 찾을 수 있다. 그러나 예를 들어 150개의 아미노산 길이를 가진 단백질의 경우 접는 방법이 2의 150승 가지가 되기 때문에 무한히 오랜 시간이 걸린다.

▲ 기본 형태의 4가지 단백질. 이론상으로 단백질이 접히는 방법은 우주에 있는 별보다 많다. © Astrojan/ CC-by-sa 4.0

구조의 변화가 몇 피코초 밖에 걸리지 않더라도 올바른 접힘을 찾는 데는 10의 24승 년 이상이 걸린다. 그러나 실제로 단백질은 몇 분, 때로는 몇 초 내에 최적의 접힘을 찾는다. 이것은 올바른 형태에 대한 검색이 무작위가 아님을 분명히 한다.

환경 조건에 따라 올바른 접기를 선호

그런데 그 원동력은 무엇일까? 간단히 말해서, 단백질 사슬의 아미노산은 주어진 물리 법칙을 따르고 따라서 올바른 접힘으로 가는 길을 찾는다. 그러한 법칙에는 에너지 최소화 및 에너지적으로 유리한 상태를 위한 노력이 포함된다. 소수성 측쇄가 단백질 내부에 뭉쳐지도록 하는 소수성 효과도 에너지 최소화에 기여한다.

소수성 효과는 또한 친수성 아미노산이 이제 표면에 배열되기 때문에 에너지 최소화를 향한 또 다른 단계를 취한다. 이제 그들은 물 분자와 상호 작용할 수 있으며, 이는 차례로 단백질을 안정화시킨다. 그리고 이 안정화는 에너지적으로 유리하므로 접힘을 수정하는 과정에서 단백질의 해야 할 일 목록에 있는 또 다른 항목이다.

세포의 주어진 환경 조건에서 지배적인 물리적 및 화학적 법칙은 올바른 접힘을 선호하고 아미노산 사슬을 최적의 형태로 "조정"한다.

로컬 최소값

단백질의 에너지 최소화 경로는 일종의 깔때기로 볼 수 있다.
단백질은 여전히 ​​상단에서 펼쳐져 있고 깔때기 끝의 하단에 도달했을 때 원래의 에너지적으로 가장 유리한 상태에 도달했다. 깔때기의 벽은 매끄럽지 않고 물결 모양이다. 그래서 깔때기의 아래쪽 끝이 유일한 계곡이 아니라 벽에 많은 작은 계곡이 있으며 벽은 내려가면서 넘어야 한다.

▲ 펼쳐진 단백질은 접는 깔때기에서 최소 에너지에 도달해야 한다. 깔때기의 벽은 불쾌한 함정이 될 수 있다. © Thomas Splettstoesser/ CC-by-sa 3.0

기술 용어로 국소 최소값으로 알려진 작은 계곡을 극복하려면 약간의 에너지가 소비되어야 한. 그러나 이러한 작은 골짜기를 극복하는 것은 글로벌 에너지 최소값, 즉 깔때기의 바닥에 도달하기 위해 중요하다. 거기에서 단백질은 목표에 도달했다.

 

에너지적으로 유리한 상태와 올바른 접힘때  세포에서 작업할 준비가 된다.

일부 단백질은 도중에 떨어지며 계곡 벽을 넘지 못하기 때문에 말하자면 국소 최소값에 "갇히게" 된 것이다. 이것은 세포에 정말 위험할 수 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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