21.6
단백질은 생명체에서 가장 풍부한 유기 분자 중 하나이며 모든 거대분자 중에서 가장 다양한 기능을 가지고 있습니다. 단백질은 구조적, 조절적, 수축성 또는 보호적일 수 있습니다. 운송, 보관 또는 막 역할을 할 수 있습니다. 또는 독소나 효소일 수도 있습니다. 기능과 마…
단백질은 펩티드 결합을 통해 서로 결합된 아미노산의 중합체입니다. 대부분의 단백질은 특정한 3차원 구조로 접히여 기능을 수행합니다. 단백질 구조는 1차, 2차, 3차 및 4차의 네 가지 범주로 분류됩니다.
단백질에서 아미노산의 선형 서열이 1차 구조입니다. 이 서열은 자유 아미노 말단인 N-말단에서 자유 카르복실 말단인 C-말단까지 중합체 합성 순서로 판독됩니다. 2차 구조는 한 아미노산의 카르보닐기의 산소와 다른 아미노산의 아미노기의 수소 사이 수소 결합을 통해 형성됩니다.
일반적인 2차 구조에는 α-헬리스 및 β-병풍구조가 포함됩니다. 이러한 구조와 β-턴과 같은 다른 결합 구조는 추가로 상호작용하여 3차 구조로 알려진 단백질의 3차원 구조를 형성합니다. 3차 구조의 형성은 아미노산의 R기 사이 상호작용에 의해 발생합니다.
반대 전하를 가진 R기는 이온 결합을 형성할 수 있으며 두 시스테인의 황은 공유 이황화물다리를 형성할 수 있습니다. 다른 기증자에는 소수성 측쇄 사이의 소수성 상호 작용과 극성 측쇄 사이의 수소 결합이 포함됩니다. 추가적으로 일부 단백질은 4차 구조, 2개 이상의 폴리펩티드 사슬의 집합체를 형성합니다.
예를 들어 헤모글로빈은 4개의 아단위 즉 2개의 α와 2개의 β로 구성된 단백질입니다. 과학자들은 단백질의 구조를 사용하여 세포에서의 기능과 위치를 예측할 수 있습니다. 세포질의 단백질은 표면에 세포질의 물과 상호 작용하는 친수성 아미노산을 가지고 있고 소수성 핵을 가지고 있습니다.
대조적으로 세포막에 존재하는 단백질은 종종 표면에 막의 글리세로 인지질과 상호작용하고 친수성 핵을 갖는 소수성 아미노산을 가지고 있습니다.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the four levels of protein structure?
Protein structure has four hierarchical levels. Primary structure is the linear sequence of amino acids read from the N-terminal to the C-terminal. Secondary structure forms through hydrogen bonding, creating alpha helices and beta-pleated sheets. Tertiary structure is the three-dimensional shape resulting from interactions between amino acid R-groups. Quaternary structure occurs when multiple polypeptide chains assemble together, as in hemoglobin's four subunits.
Q2: How do amino acids link together to form proteins?
Amino acids are connected by peptide bonds, which form between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of the next. This creates a linear polymer chain with a free amino end (N-terminal) and a free carboxyl end (C-terminal). The resulting polypeptide chain can then fold into secondary and tertiary structures through various molecular interactions.
Q3: What causes secondary structures like alpha helices and beta-pleated sheets to form?
Secondary structures form through hydrogen bonding between the carbonyl oxygen of one amino acid and the amino hydrogen of another amino acid in the polypeptide backbone. In alpha helices, these bonds occur between amino acids spaced four residues apart, creating a spiral structure with 3.6 residues per turn. In beta-pleated sheets, hydrogen bonds form between adjacent polypeptide chains aligned parallel or antiparallel to each other.
Q4: What interactions determine a protein's three-dimensional tertiary structure?
Tertiary structure results from interactions between amino acid R-groups. Ionic bonds form between R-groups with opposite charges, while hydrophobic interactions cluster nonpolar R-groups in the protein's interior. Disulfide bridges form covalent bonds between cysteine residues. Hydrogen bonds between polar R-groups also contribute. These combined weak and strong interactions fold the polypeptide into its final three-dimensional shape.
Q5: How does protein location in the cell relate to its amino acid composition?
Protein location depends on the distribution of hydrophilic and hydrophobic amino acids. Cytoplasmic proteins have hydrophilic amino acids on their surfaces to interact with water and hydrophobic cores inside. Membrane proteins have the opposite arrangement: hydrophobic amino acids on the surface interact with glycerophospholipids in the membrane, while hydrophilic amino acids form the core. This arrangement ensures proper protein positioning and function.
Q6: What happens to protein function when its structure changes?
Protein function depends critically on three-dimensional structure. When a protein loses its shape, it becomes nonfunctional. For example, in sickle cell anemia, a single amino acid substitution in hemoglobin's beta chain causes the protein to form long fibers, distorting red blood cells into a sickle shape. This structural change prevents normal oxygen transport and causes serious health complications including breathlessness, dizziness, and pain.
Q7: What is quaternary structure and which proteins exhibit it?
Quaternary structure forms when two or more polypeptide chains assemble into a single functional protein complex. Weak interactions like hydrogen bonds and disulfide linkages stabilize these multi-subunit assemblies. Hemoglobin exemplifies quaternary structure with four subunits: two alpha and two beta chains. Insulin also exhibits quaternary structure through disulfide bonds linking its separate polypeptide chains after post-translational modification.