단백질의 PTM(post translational modification)

안녕하십니까?

이번시간에는 생명과학 이야기의 첫 포스팅을 시작하면서, 먼저 단백질의 PTM(Post Translational Modificatoin)에 대해서 이야기를 시작하겠습니다.

먼저 본격적인 포스팅에 들어가기 앞서서 단백질이 무엇인가? 라는 물음부터 시작하고자 합니다. 혹시 보디빌더가 먹는 단백질 보충제 할때 그 단백질인가요? 정답부터 말하자면 이 포스팅에서 말하고자 하는 단백질은 식품으로서 먹는 것이 아닌, 살아 있는 세포 안에서 기능을 하는 단백질을 이야기 하고자 합니다.

세포가 완전히 건조 되었을 때, 대부분의 무게는 단백질 때문에 발생합니다. 이처럼 단백질은 세포를 구성하는 일종의 건축자재와 같은 벽돌 블럭과도 같다고 할 수 있습니다. 하지만 단백질의 역할이 단순히 구성요소인 것만은 아닙니다.

여기서 다루기에는 너무나도 방대한 분량의 내용이 나올 수 있지만, 간단하게 줄이자면 단백질은 세포 안에서 거의 대부분 세포가 해야 되는 기능을 다 수행하고 있다고 보면 됩니다. 

그리고 20개의 각기 다른 아미노산이라는 물질들이 펩타이드(peptide)결합으로 이루어져 있기 때문에, 다른 말로는 폴리 펩타이드(Poly Peptides)라고도 부릅니다.

세포 안에서 단백질에 대해 설명을 하기 앞서서 우선 위 그림을 곁 들여서 설명을 하고자 합니다. 일반적으로 제일 좌측에 보이는 것과 같이 세포에는 외곽을 형성하는 세포막과 그 안에 핵이라는 구멍이 뚫려 있는 형태의 막이 있습니다. 이 핵 이라는 막 안쪽에는 염색체라고 그림의 가운데에 보이는 초록색 줄무늬가 있는 X자가 일반적인 경우라면 짝수를 이루고서 들어가 있습니다. 이 염색체는 자세히 확대해 보면 이 안에는 DNA라고 하는 유전자 정보를 담고 있는 이중 나선 구조의 물질이 들어가 있습니다.

이 이야기를 하는 이유가 무었이냐 하면, 세포 안에서 단백질을 이야기 하기 앞서서, 이 DNA에 관한 이야기가 빠질 수가 없는 게.........

위 그림과 같이 먼저 DNA에는 RNA 폴리머라아제(RNA polymerase)라는 효소가 붙어서, RNA라는 것을 만들어 냅니다. 이 RNA에 대해서는 한개의 포스팅은 커녕, 백과사전을 쓸 수준으로 많은 이야기가 있습니다만 오늘의 포스팅에서는 일단 유전자 정보가 들어가 있는 DNA가 있다면, 이걸 밖으로 가져 나올 수 없으므로 필사본인 RNA가 필요하다는 설명을 하겠습니다. 그래서 위 그림의 우측으로 화살표를 따라가면, 도서관에서 마치 대출불가 서적을 빌려갈 수 없으니, 공책에 적어서 가지고 나오듯이 핵이라는 도서관에서 대출불가 도서인 DNA의 내용을 받아적은 공책인 RNA가 나온느 것을 볼 수 있습니다.

이렇게 RNA가 핵에서 나오게 되면, 그 다음 과정으로는 라이보좀(Ribosome)이라는 효소가 붙어서 단백질을 만드는 공정이 시작됩니다. 이 과정을 비유하자면, 마치 설계도인 RNA를 가지고서 공장인 라이보좀에서 제품인 펩타이드(peptide)를 만든다. 라고 보시면 됩니다. 이 펩타이드(Peptide)라는 것이 라이보좀에서 다 만들어지고 나면, 이를 위에서 언급한 폴리 펩타이드(Poly Peptide)라고 하며, 다른 이름으로 단백질이라고 부르게 됩니다. 마치 같은 공장에서 만든 자동차를 자가용이라 부르기지만, 다른 말로 승용차라고도 부르는 것과 같다고 보시면 되겠습니다.

위 그림처럼 먼저 도서관인 핵에서 대출불가 도서인 DNA를 필사한 공책을 만드는 과정을 전사(Transcription)이라고 부르며, 이 도서관에서 필사한 공책인 RNA가 설계도이고, 이 설계도 대로 단백질을 만드는 과정을 번역(Translation)이라고 부르게 됩니다.

그럼 여기서 의문이 하나 드실 겁니다. 이렇게 작대 하나로 나온 단백질로 끝인가요? 라고 말입니다. 정답부터 말하자면 그렇지 않습니다.

단백질은 번역인 Translation과정을 거친 다음에 3차 구조로 접혀지는 과정을 거치게 됩니다.

위 그림에서는 막 번역(Translation)이 끝난 단백질이 좌측에 있습니다. 이 단백질은 각각 친수성이라고 해서 물에 잘 녹아드는 성질이 있는 부분이 있고, 반대편에는 소수성이라고 해서 물에 안 녹아드는 성질이 있는 부분이 있습니다. 세포의 내부는 상당수가 수분이기 때문에 당연 단백질은 저렇게 작대기 상태를 유지하지 못하고, 소수성인 부분은 물에 않 녹아들면서 물을 싫어하는 성질이 있기에 단백질 내부로 자기들끼리 뭉쳐서 들어가는 성질이 있습니다. 이와 반대로 친수성인 부분은 이름 그대로 물과 친하고 물에 잘 녹아들기 때문에 자연히 외부로 퍼져 나가려 하는 성질이 있습니다. 이 상반되 2가지 부분이 서로 끼리끼리 모여서, 단백질은 처음 1자로 생긴 작대기에서 우측에 보이는 한개의 덩어리 처럼 3차 구조를 이루면서 접히게 됩니다.

그럼 앞서 이 포스팅의 제목인 단백질의 PTM (Post Translational Modification)이란 무엇일까요?

이해를 돕고자 위 그림에는 먼저 좌측에 3차원 형태로 접혀있는 단백질이 있습니다. 이 단백질이 막 3차 구조를 형성하면서 접혀 있는 상태가 좌측의 녹색 덩어리 져 있는 상태인데, 여기서 빨간색 삼각형이 달립니다. 이 삼각형이 붙는 것이 인산기인 포스페이트(Phosphate)라서, 사람들이 이름붙이기를 포스포릴레이션(Phosphorylation)이라는 하는 과정이 일어납니다. 이 뿐만이 아닙니다. 당이라고 해야 할까요? 일종의 설탕이 붙는 글라이코실레이션(Glycosylation)이라는 현상또한 단백질에서 일어난다고 합니다. 단순히 이 2가지 현상 말고도 연구에 따라서는 200여가지 다양한 물질들이 세포내의 단백질에 붙는 현상이 일어난다고 합니다. 이렇게 세포 내부나 생명체 내부에 있는 단백질-절대로 식품으로서 단백질이 요리에 의해서 무언가가 추가로 붙는 현상이 아닙니다! 아무튼, 이렇게 번역(Translation)이 일어난 다음에 단백질에 무언가 새로운 물질이 붙어서 변형이 일어나는 것을 단백질의 PTM이라고 간단하게 정리할 수 있습니다.

그럼 단순히 이 단백질의 PTM이 장식품이냐 하면, 그것이 아니기에 상당히 연구가 많이 되고 있습니다. 

위 그림은 단백질의 PTM이 무슨 역할을 하는지를 단적으로 보여주고 있습니다. 좌측의 단백질은 아무런 물질도 붙어 있지 않아서 마치 잠을 자는 것처럼 아무런 역할을 하고 있지 않습니다. 하지만 우측의 단백질을 보시면 PTM이 일어난 순간 잠에서 깨어난 것처럼 특정한 활동을 하기 시작합니다. 물론 반대의 경우 또한 없지는 않으며, 단순히 단백질을 활성이 없는 상태를 조정하는 것에만 그치지도 않습니다. 이 또한 여기 한개의 포스팅에서 다루기엔 너무 많은 분량이 되기 때문에 이번 포스팅에서는 단순하게 단백질의 PTM이 무엇이다 정도만 이야기하고 넘어가고, 다음 포스팅 부터는 더 많은 내용으로 찼아뵙겠습니다.

링크 : 단백질의 인산화

링크 : 단백질의 당화