ⅰ) 마이오글로빈은 산소를 흡/탈착 해서 근육 근처에 산소 등을 운반 및 저장할 수 있는 기능을 하는데, 이를 수행하는 구조가 헴 - 히스티딘 복합체
ⅱ) Fe의 남아있는 두 자리 중 한 공간에 F8 히스타딘이 결합하고 나머지 공간에 산소 및 일산화탄소가 연결될 수 있음
ⅲ) 나머지 H7 히스타딘은 프로토포르필린 고리 평면에 수직으로 존재하여, 산소 또는 일산화탄소와 헴 구조 사이의 결합각을 조정해서 기체가 마이오글로빈에 탈/부착되는 정도를 조정함
⑤ 헴 - 히스타딘 산소(일산화탄소) 탈/부착 세기 조정 메커니즘
- 일반적으로 일산화탄소의 헴 부착 정도가 산소에 비해 25,000배 더 강함
a) 더 잘 부착되는 일산화탄소가 E7 히스타딘의 방해 없이 헴 구조와 잘 결합을 유지하고 있음 -> 혈액 내 과도한 일산화탄소는 독극물로 작용하기에 중독을 유발하고, 뇌 손상으로 이어짐
b) His E7이 Heme 구조 위에 배치하기에 실제로는 결합각이 조정되어 일산화탄소가 헴 구조와 결합을 형성 -> 기존 보다 수백 배 결합력이 작아짐 -> 모든 헴 구조에 일산화탄소가 결합되지 않고 c)에서 보이는 것처럼 산소가 결합할 수 있는 가능성이 생겨 물질대사의 근거가 됨
c) 만약 산소가 헴 구조에 강하게 결합되어 있다면 흡착은 쉬워도 탈착이 어려울 수 있음 -> 마찬가지로 His E7이 산소와 헴 구조 사이의 결합력을 조정하여 흡착력을 약화하더라도 탈착도 더 잘 진행되도록 함 -> 산소가 더 잘 사용될 수 있도록 함
cf) 헴 구조가 단백질 내에 존재하지 않을 때 철이 산화한 형태로 존재할 수 있으며, 여기에는 산소가 붙을 수 없기에 단백질과 헴 구조 모두 존재해야 산소를 저장할 수 있는 기능을 비로소 실현함
4) 변성과 재접힘 (Denaturation and Refolding)
① 변성 (Denaturation)
- 3차원 구조를 유지하는 비공유성 상호작용의 세기가 약하기에 외부 조건에 의해서 쉽게 변화가 가능
- 단백질의 풀림을 변성이라고 말함
- 변성의 원인
ⅰ) 열(heat): 분자 내 진동을 촉진해 Interaction을 파괴
ⅱ) pH: pH의 조정으로 amino acid의 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 변화가 생기고, 이는 분자 사이의 interaction에 영향을 줄 수 있음
ⅲ) 도데실 황산 나트륨 (Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)의 결합: 세제는 소수성 상호작용을 파괴해서 분자의 구조에 변형을 줌
ⅳ) 특정 시약의 존재: 단백질과 강한 수소 결합을 형성하여 기존의 결함을 깨고, 변형을 줄 수 있음
e.g. 요소(urea), 구아니딘 염산염 (guanidine hydrochloride) emd
- 외부 조건의 자극을 조심스럽게 다시 돌려놓으면 변성된 단백질이 다시 회복될 수 있으며, 이때의 과정을 재접힘 과정이라 부름
- 이때에는 3차 단백질 결정 상호작용도 중요하지만, 1차 구조의 우위가 더 높음 (아미노산의 서열이 3차원 단백질의 정보를 갖고 있음)
- 머캅토에탄올과 요소를 제거하면 단백질의 변성이 다시 회복될 수 있음
- 하지만, refolding에 의해서 기존과 100% 동일하게 합성이 되는 것은 운에 맡겨야 하는 문제
cf) 유전공학에서 세포에 있는 유전 정보를 이용해서 복제를 진해할 수 있음. 이때, 세포는 dense하기 때문에 aggregation이 자연스럽게 발생할 수 있기에 Cell을 깨서 denaturation을 한 후 다시 refolding을 하는 경우가 있음 (이때도 마찬가지로 완벽한 refolding이 진행되는 것은 운에 맡겨야 함)
5. 단백질의 4차 구조 (Quaternary Structure of Proteins)
- 2개 이상의 폴리펩타이드 사슬로 구성된 단백질이며, 각각의 폴리펩타이드 사슬을 소단위체(subunit)이라고 함
e.g. 올리고머(oligomer): 2량체(dimer), 3량체(trimer), 4량체(tertramer)
- 기존의 단백질 구조와 마찬가지로 다양한 상호작용을 통해서 형성이 됨
- 알로스테릭(allosteric): 비공유성 상호작용으로 단백질의 한 부분이 미묘한 구조 변화가 발생하는데, 이 변화 때문에 다른 부분의 성질이 크게 변하는 것 (나비효과-like)
1) 헤모글로빈 (Hemoglobin)
- 맥스 퍼루츠와 존 캔드류가 처음으로 구조를 밝혀냈으며, 2번째로 구조가 밝혀진 단백질 (노벨상 수상, 1962)
- 혈액 속에서 단백질을 수송하는 역할을 함
① 구성
- 4개의 폴리 펩타이드 사슬[[1]] (2 alpha chain + 2 beta chain) + 헴 구조
② 외부 단백질 골격
- alpha chain의 정보는 16th 염색체에, beta chain의 정보는 11th 염색체에 암호화되어 있음
- 마이로글로빈의 알파 사슬과 베타 사슬과 매우 유사
- 헤모글로빈 알파 사슬: 151개 잔기 & 베타 사슬: 146개 잔기 cf) 헤모글로빈: 잔기 153개
③ 마이로글로빈과 헤모글로빈의 산소 저장 용량
- 마이로글로빈은 하나의 산소 분자를 저장할 수 있는 반면 헤모글로빈은 4개의 산소 분자를 저장할 수 있음 (4단량체이므로 각 사슬에 하나의 산소 분자를 저장할 수 있기 때문)
-> 산소 포화 정도는 마이로글로빈이 더 빨리 진행됨
- 헤모글로빈의 산소 결합은 양성적 협동성 (positive cooperativity)[[1]]를 보임
- 협동성 결합은 산소 결합의 경향성을 보이는 것이지 절대적 결합 정도를 보이는 것이 아님
i.e. 마이로글로빈은 산소에 대해 양성적 협동성을 보이지는 않지만, 임의의 산소압에서 항상 헤모글로빈보다 포화도가 높은 것을 확인할 수 있음
④ 헤모글로빈 작동 메커니즘
- 헤모글로빈은 산소를 운반하는 것을 주 기능으로 함
i.e. 산소와 단단히 결합할 수도 있어야 하지만, 때로는 산소를 쉽게 방출할 수 있어야 함
- 폐포(pO2=100)에서 헤모글로빈은 100% 포화되며 모세혈관(pO2=20)에서는 포화도가 50%보다 조금 낮음 -> 산소가 필요한 모세혈관에서는 헤모글로빈은 산소를 잘 내어놓음 -> 모세혈관에서 산소를 내어놓는 다는 것은 조직으로의 산소 전달이 용이함을 뜻함
⑤ 헤모글로빈의 기능에 수반되어 일어나는 입체 구조의 변화 (1): O2 흡착과 H+ 흡착 사이의 관계
ⅰ) 산소가 결합한 헤모글로빈(옥시헤모글로빈, oxyhemoglobin) vs 산소를 방출한 헤모글로빈(디옥시헤모글로빈, deoxyhemoglobin)
- 옥시헤모글로빈에서 beta 사슬의 거리가 디옥시헤모글로빈에서보다 더 가까움 (옥시헤모글로빈의 중앙 공간이 훨씬 좁음)
- 뇌 섬유화가 진행되어 신경세포들이 퇴화하기 때문에 개체가 미쳐가고 결국 죽게 되는 질환
① 광우병의 분류: 개체마다 명명이 조금 다름
- 소 (BSE, Bovine Spongiform Encephalopathy)
- 사슴/엘크 (CWD, Chronic Wasting Disease)
- 양 (Scrapie)
- 사람 (vCJD, Creutzfeldt)
② 발현 매커니즘
- 구체적으로 발현 매커니즘이 규명되어 있지 않지만, 프라이온 질환은 유전적이며 감염 인자에 의해 전파가 가능하기에 뇌에 critical한 영향을 미침
③ 문제점
- 프라이온은 살아있는 개체에 대해 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에 증상을 보고 광우병이라고 유추하는 것
- 백신도 따로 없으며, 실제로 예방하기도 불가능
④ 검사방법
- 살아있는 개체에 대해 검사를 진행하는 것이 매우 힘듦
e.g. 뇌 조직을 추출해서 측정하는 것이 대표적이나 생(生)물의 뇌조직 추출에는 어려움 ㅇㅆ음
e.g. 광우병에 걸린 사람의 혈액을 측정해보니까 비정상 프라이온 PrPSC의 분자 개수가 103~104개 이며 이를 농도로 바꿔 표현하면 10-18정도 -> 매우 낮은 농도이기 때문에 측정에 어려움이 분명히 있으며 microscopic scale의 신호를 잘 감지할 수 있는 biosensor의 제작이 요구됨
- 그럼에도 불구하고 측정을 한다면, 기본적으로는 ELISA (Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay) 방법을 이용함 (~pM)
- 완충이 되는 범위 내에서는 보통 HH equation을 사용하며, 산과 짝염기의 농도가 같은 곳에서 pH가 pKa값을 가질 수 있음 (아세트산의 경우 pKa = 4.76)
- pH 곡선에서 pKa 지점에서 변곡점 관찰
- 변곡점은 기울기의 변화가 0인 지점을 의미함 -> 즉, 변곡점 근처 (pKa 근처)에서는 OH-의 농도가 변하더라도 pH의 변화 정도가 거의 없음 (완충 효과가 잘 일어남을 의미, 완충 효율 큼)
② 당량점
- 이론적으로 당량점에서는 수소 이온과 수산화 이온의 농도가 동일함
- 각 elementary acid-base reaction의 경우 산과 염기가 1대 1로 반응하기 때문에 산과 짝염기의 농도의 합은 항상 일정
③ pH와 pKa의 비교
- pH 곡선에서 보인 경향성을 따라서 pH와 pKa의 크기 차이는 산과 짝염기의 농도 비율을 알려주는 지표
- 정성적 비교
- pH < pKa: 물질이 양성자화 되어있음 (산이 과량)
- pH > pKa: 물질이 탈양성자화 되어있음 (짝염기가 과량)
5. 완충 용액 (Buffers)
- 완충제(buffer): 변화를 견디는 물질
- 완충 용액(buffer solution): 약산과 짝염기로 구성된 용액으로, 강산/강염기가 소량 첨가되더라도 pH 변화가 많이 발생하지 않는 용액 (외부 pH의 변화에 대해 그 변화를 완화하는 용액)
1) 완충 용액의 작용 원리
- 완충용액에 pH 변화가 가해졌을 때 르-샤틀리에의 원리에 입각하여 어떻게 반응이 저해되는지를 살펴보기
- 산과 짝염기가 동시에 존재하기 때문에 산 또는 염기가 첨가되면 짝염기와 산이 반응에 참여하며, 초기의 산과 짝염기의 농도가 비슷하여 완충 효율이 더 높을수록 pH의 변화 정도가 적음
- 물 또는 단순한 수용액의 경우, pH의 변화가 system의 변화에 직접적인 영향을 미치므로 소량의 pH 충격도 system의 pH에는 매우 치명적
- 완충 구간에서의 pH 계산은 HH equation을 사용해서 구하는 것이 편리함
- 그렇기에 앞에서 말한 주요 pKa값을 암기해두는 것이 목표하는 pH 값을 갖도록 할 때의 기준이 됨
- pH ↔ [conjugate base]/[acid] 사이의 관계를 묻는 문제가 출제될 수 있음
2) 완충용액 선정 시 알아야 하는 것
① 완충 구간
- 위에 표현한 그래프는 산과 짝염기의 상대적 비율에 대한 pH의 변화를 나타낸 것
- 두 농도가 같은 pKa = pH 로부터 각각 ±1인 곳에서의 산과 짝염기의 농도비는 각각 1:9와 9:1 (이는 HH-equation을 이용하면 얻을 수 있음)
- 그래프에서 확인할 듯 있듯이 pKa±1인 지점에서만 pH 그래프의 변화 정도가 적으며, 그 구간을 벗어난 부분에서는 pH의 변화가 급격하게 나타남. 이처럼 pKa±1인 지점을 완충 구간이라고 함
cf) 완충 효율 (buffer efficiency): 완충 구간 내에서 완충 용액이 pKa지점으로부터 얼마나 떨어져 있는 지를 나타내는 정도. 만약 pKa 지점으로부터 멀리 떨어져 있다면, 그렇지 않은 완충 용액보다 적은 양의 pH 변화로도 pH가 급변할 수 있기에 이는 효율이 낮은 완충 용액이라고 부름
cf) 완충 용량 (buffer capacity): 완충 효율이 산과 짝염기 사이의 농도 사이의 관계를 표현하는 지표임에 반해, 완충 용량은 산과 짝염기의 절대적 양을 기준으로 이야기함. 예를 들어 같은 완충 효율 (‘짝염기/산’의 비율이 같은 지점)을 보이는 완충 용액이 있다고 하자. 이때 더 많은 산과 짝염기를 갖고 있는 완충 용액이 더 많은 pH 변화에 대응할 수 있으므로, 이때 완충 용량이 높다고 말함
② 완충용액의 선정 방법
- 가장 중요 기준: 진행하고자 하는 실험에서 나타나는 pH 구간이 완충용액 내 산의 pKa±1 안에 들어있어야 함. 진행 수치가 pKa±0.5면 더 좋음.
- 부가적으로 고려해야 하는 사항
ⅰ) 완충 용액을 위한 적정 pKa
ⅱ) 반응이나 효소 활성 측정에 방해가 안되야 함
- 인산이나 CO2가 필요한 반응은 인산/탄산이 과량일 때 반응 저해 가능성 있음
ⅲ) 완충 용액의 적당한 이온 강도
- 높은 완충 용량이 무조건 좋아 보일 수 있지만 염의 농도에 민감한 효소가 있기에 적당한 농도를 포함하고 있는 완충 용액을 사용해야 함 (용해도 고려 등)
ⅳ) 완충용액의 존재로 반응물이나 생성물이 침전되지 않아야 함
- 효소, 반응/생성물, 금속 이온의 침전이 발생하지 않도록 유의
ⅴ) 완충용액의 비생물학적인 성질
- 생물학적 활성이 없는 완충 용액 사용 ex) TRIS
③ 완충용액의 제법
- 사용해야 하는 완충용액의 정보를 알아냈다면 이를 만들어서 사용을 해야 함
ⅰ) HH-equation을 이용한 방법
- 목적한 완충용액이 갖는 ‘conjugate base/acid’의 비율을 완성하기 위해 정량적으로 산과 짝염기의 양을 섞어서 제조
ⅱ) 산-염기 반응을 이용해서 제조 (보다 보편적임)
- 시작 물질을 산/짝염기로 시작하는 것은 pKa값과 유지하고자 하는 pH의 수치에 따라서 달라질 것
- pKa < target pH: 짝염기로 시작해서 소량의 산을 가하는 게 편함
- pKa > target pH: 짝산으로 시작해서 소량의 염기를 가하는 게 편함
3) 생물학적 완충용액
- 생명체의 생리학적 pH는 대략 7을 유지하려 하기 때문에 인산에 의한 완충 효과가 우세하다고 생각할 수 있음 (세포 외에서, intracellular fluids)
- 다만, 인산에 대한 완충 용량이 충분하지 않기에 다른 물질인 탄산이 사용됨
- 쌍극선이온(zwitterion): 양전하와 음전하르 모두 가지고 있는 화합물이며, 인산과 탄산에 비해 생화학 반응을 덜 방해함
- TRIS-H <-> TRIS pKa = 8.3
- TES-H <-> TES pKa = 7.55
- HEPES-H <-> HEPES pKa = 7.55
- MOPS-H <-> MOPS pKa = 7.2
- 2PIPES-H <-> 2PIPES pKa = 6.8
① 탄산과 혈액의 화학(탄산의 pKa = 6.37)
(위에서부터 각 반응을 rxn 1, 2, 3, 4라고 하자)
- 탄산의 pKa가 6.37이고 혈액의 pH가 7.4인 것을 생각하면 완충 효율이 매우 낮아 보일 수 있음
-> 즉, pH가 더 높으므로 폐로 수송될 때 대부분의 CO2가 HCO3-로 존재하며 이산화탄소의 압력과 혈액의 pH는 직접적인 상관관계가 있음 (pH를 기준으로 0.5크기만큼 변함을 기준으로 함)
ⅰ) 산증(acidosis): 혈액의 pH가 7.35이하로 떨어진 상태 (대사산물 중 산의 과도한 생성, 산 부산물을 신장이 미처 제거하지 못함)
ⅱ) 알칼리증(alkalosis): 혈액의 pH가 7.45이상으로 올라간 상태 (토하거나 알칼리 약물을 복용했을 때 나타남)
- 호흡 작용 메커니즘: 혈액의 완충 작용에 역할을 미침 (낮은 완충 효율임에도 탄산이 사용되는 이유)
[H+ 이온 증가 상황에 대하여 (근육 세포 근처의 젖산에 의한 영향)]
- H+의 증가 -> rxn 3의 역반응으로 탄산의 형성 -> rxn 2의 역반응으로 혈중 이산화 탄소의 증가 -> rxn1의 역반응으로 기체 이산화탄소의 증가 => 호흡 속도를 빨리 하며 기체 이산화탄소를 외부로 방출하면 평형이 깨지는 효과 -> 용해된 이산화탄소의 감소 -> 혈중 탄산이 생성되고, 다시 탄산이온으로 해리 -> 탄산이온은 탄산의 짝염기이므로 H+와 반응하여 혈중 H+의 농도를 감소시켜 기존 상태로 되돌림
② 과호흡과 젖산
- 과호흡은 => 이후의 반응이 가속화되어 혈중 H+의 농도가 지나치게 낮아짐 -> pH가 올라감
- 한편, 운동 선수들의 고강도 후에는 젖산이 생성되며, 이는 혈중 pH를 낮추는 효과가 있음
- 이를 이용하여, 고강도의 운동 전 과호흡을 한 후 운동을 수행하여 혈중 내 pH를 유지하도록 함
[[1]] 마이셸(micelle): 극성인 부분은 최대한 물과 접하고 비극성인 부분은 최대한 물과 접하지 않도록 하기 위해 형성된 구형의 복합 구조
