생화학 — 2강: 단백질·효소·핵산

단백질

아미노산 (Amino Acid):
→ 기본 구조: 아미노기(-NH₂)·카르복실기(-COOH)·R기·H
→ 20종의 표준 아미노산 (20 standard amino acids)
→ 분류 (R기 특성):
  비극성 소수성: 알라닌·발린·루이신·이소루이신·프롤린·페닐알라닌·트립토판·메티오닌
  극성 비전하: 세린·트레오닌·시스테인·타이로신·아스파라긴·글루타민
  양전하 (염기성): 리신·아르기닌·히스티딘
  음전하 (산성): 아스파트산·글루탐산
→ 필수 아미노산: 체내 합성 불가·9종
  발·루·이·트·메·페·트립·히스·리신 (Val·Leu·Ile·Thr·Met·Phe·Trp·His·Lys)
→ 펩티드 결합: 한 아미노산 카르복실기 + 다음 아미노산 아미노기
  탈수 반응·공명 안정화·평면 구조·회전 제한
→ 폴리펩타이드: 아미노 말단(N-말단)~카르복실 말단(C-말단)

단백질 구조:
→ 1차 구조 (Primary): 아미노산 서열
  유전 정보 직접 반영
  단 하나의 아미노산 변화도 기능 영향
  낫 모양 적혈구 빈혈: 헤모글로빈 β사슬 6번 Glu→Val
→ 2차 구조 (Secondary): 국소 반복 구조
  α 나선 (α-helix): 코일 형태·수소 결합 (n→n+4)
  β 판상 (β-sheet): 평행·역평행·지그재그
  β 회전·불규칙 코일 (Random Coil)
→ 3차 구조 (Tertiary): 전체 3차원 접힘
  소수성 내부: 비극성 잔기 안쪽
  이황화 결합 (S-S): 시스테인 간 공유 결합 (안정)
  이온 결합·수소 결합·반데르발스 힘
  단백질 기능을 결정
→ 4차 구조 (Quaternary): 여러 폴리펩타이드 결합
  헤모글로빈: α₂β₂ 소단위 구조 (협동 결합)
  콜라겐: 삼중 나선

단백질 접힘과 변성:
→ 접힘 (Folding): 자발적 과정·최저 자유에너지 상태
  분자 샤프론 (Chaperone): 잘못된 접힘 방지·재접힘 도움
    Hsp70·GroEL/GroES·프리폴딘
→ 변성 (Denaturation): 3차·4차 구조 붕괴
  원인: 고온·극단 pH·세제·환원제·요소
  1차 구조는 유지 (공유 결합)
  일반적으로 기능 상실·가역 또는 비가역
  달걀 흰자 익히기: 비가역 변성
→ 프리온 (Prion): 잘못 접힌 단백질·정상 단백질 전환 유도
  크로이츠펠트-야콥병·소해면상뇌증(BSE)

단백질 기능 다양성:
→ 효소 (Enzyme): 생화학 반응 촉매
→ 구조 단백질: 콜라겐·엘라스틴·케라틴·액틴·투불린
→ 수송: 헤모글로빈 (O₂)·트랜스페린 (Fe)·알부민 (지방산)
→ 호르몬: 인슐린·성장 호르몬·글루카곤
→ 항체 (Immunoglobulin): 면역 방어
→ 수용체: 신호 분자 결합·신호 전달 개시
→ 운동 단백질: 미오신·키네신·다이닌

효소

효소의 특성:
→ 촉매 (Catalyst): 활성화 에너지 낮춤·반응 속도 향상
  반응 전후 변화 없음·반응 평형에 영향 없음
→ 특이성 (Specificity):
  기질 특이성: 특정 기질만 인식
  반응 특이성: 특정 종류의 반응만 촉매
  입체 특이성: 특정 광학 이성질체만 인식
→ 효소 명명: 기질명 + 반응 유형 + '-ase'
→ EC 번호 분류:
  EC 1 산화환원효소·EC 2 전이효소·EC 3 가수분해효소
  EC 4 분해효소·EC 5 이성질화효소·EC 6 연결효소

활성 부위와 촉매 메커니즘:
→ 활성 부위 (Active Site): 기질 결합 + 반응 수행 영역
  전체 단백질의 작은 부분·특이적 모양·소수성 환경
→ 효소-기질 복합체 (ES Complex): 전이 상태 안정화
→ 잠금-열쇠 모델 (Lock and Key): 고정 형태
→ 유도 적합 모델 (Induced Fit): 기질 결합 시 형태 변화
  더 현실적 모델
→ 주요 촉매 메커니즘:
  산-염기 촉매: 양성자 수여/수용 (히스티딘 활용)
  공유 촉매: 효소-기질 공유 중간체 형성
  금속 이온 촉매: Zn²⁺·Mg²⁺·Fe²⁺ 등
  근접·방향 효과: 기질을 최적 배열로 포지셔닝

효소 반응 속도론 (Kinetics):
→ 미카엘리스-멘텐 방정식:
  v₀ = Vmax[S] / (Km + [S])
  v₀: 초기 반응 속도
  Vmax: 최대 반응 속도
  Km: 미카엘리스 상수 = Vmax/2 에서의 기질 농도
→ Km 해석: 효소-기질 친화도의 역수
  Km 낮으면 친화도 높음
→ Vmax: 효소 전체가 포화된 최대 속도
→ kcat (촉매 상수): 단위 시간당 효소 1개의 반응 횟수
  kcat/Km: 촉매 효율 (완벽한 효소 = 확산 한계 ~10⁸-10⁹ M⁻¹s⁻¹)
→ 라인위버-버크 플롯 (Lineweaver-Burk):
  1/v vs 1/[S] 이중역수 그래프
  x절편 = -1/Km·y절편 = 1/Vmax

효소 저해 (Inhibition):
→ 가역적 저해:
  경쟁 저해 (Competitive): 활성 부위에서 기질과 경쟁
    Km 증가·Vmax 불변
    예: 메토트렉세이트 vs 폴산·이부프로펜 vs COX
  비경쟁 저해 (Noncompetitive): 알로스테릭 부위 결합
    Km 불변·Vmax 감소
  혼합 저해·불경쟁 저해
→ 비가역적 저해:
  공유 결합으로 활성 부위 변형
  아스피린: COX-1/2 세린 아세틸화
  유기인계 농약: 아세틸콜린에스터라아제 불활성화
  페니실린: 세균 트랜스펩티다아제 (PBP) 불활성화

효소 조절:
→ 알로스테릭 조절 (Allosteric Regulation):
  알로스테릭 부위: 활성 부위와 다른 위치
  활성제 (Activator): 효소 활성화
  저해제 (Inhibitor): 효소 억제
  S자형 반응 곡선 (협동 결합): 헤모글로빈 산소 결합 유사
→ 공유 결합 변형:
  인산화/탈인산화 (키나아제/포스파타아제)
  아세틸화·메틸화·유비퀴틴화
→ 자이모젠 (Zymogen): 비활성 전구체→절단으로 활성화
  트립시노겐→트립신·펩시노겐→펩신·혈액 응고 연쇄 반응
→ 피드백 저해 (Feedback Inhibition):
  대사 경로 최종 산물이 첫 효소 저해
  에너지 효율적 조절

핵산과 유전 정보

핵산의 구조:
→ 핵산 단량체: 뉴클레오티드 (Nucleotide)
  염기 + 당 (펜토스) + 인산기
  RNA: 리보오스·A·G·C·U
  DNA: 디옥시리보오스·A·G·C·T
→ 퓨린 염기: 아데닌 (A)·구아닌 (G) (이중 고리)
→ 피리미딘 염기: 사이토신 (C)·우라실 (U)·타이민 (T) (단일 고리)
→ 3'→5' 인산다이에스터 결합: 뉴클레오티드 연결

DNA 구조:
→ 왓슨-크릭 이중 나선 (1953):
  두 가닥 역평행 (5'→3' / 3'←5')
  염기쌍 (Complementary Base Pair):
    A-T: 2개 수소 결합
    G-C: 3개 수소 결합 (더 안정)
  소수성 적층 효과: 염기 간 판상 상호작용
→ B형 DNA: 우회전 이중 나선·생리적 조건
  대 홈 (Major Groove): 단백질 인식 부위
  소 홈 (Minor Groove)
→ 염색질 구조:
  뉴클레오솜: DNA 146 bp + 히스톤 8개 코어 (H2A·H2B·H3·H4 각 2개)
  30nm 섬유→루프·도메인→중기 염색체

유전 정보 흐름 (Central Dogma):
→ 복제 (Replication): DNA → DNA
→ 전사 (Transcription): DNA → RNA
→ 번역 (Translation): RNA → 단백질
→ 역전사 (Reverse Transcription): RNA → DNA (레트로바이러스)
→ RNA 복제: RNA → RNA (일부 바이러스)

DNA 복제:
→ 반보존 복제 (Semiconservative):
  각 딸 DNA = 주형 가닥 1개 + 새 가닥 1개
  메젤슨-스탈 실험 (1958) 확인
→ 주요 효소:
  DNA 헬리카아제: 이중 나선 풀기
  프리마아제: RNA 프라이머 합성
  DNA 중합효소 III (대장균): 신장·3'→5' 교정
  DNA 중합효소 I: 프라이머 제거·간격 채움
  DNA 리가아제: 절편 연결
→ 복제 방향:
  선도 가닥 (Leading): 연속 합성
  지연 가닥 (Lagging): 오카자키 절편 불연속 합성
→ 텔로미어 (Telomere): 선형 염색체 말단 반복 서열 (TTAGGG)
  텔로머라아제: 텔로미어 연장·줄기세포·암세포 활성

전사 (Transcription):
→ RNA 중합효소: 프로모터 인식→주형 가닥 3'→5' 읽기→mRNA 5'→3' 합성
→ 대장균 프로모터: -10 (TATAAT)·-35 서열
→ 진핵생물 전사:
  RNA 중합효소 I: rRNA / II: mRNA / III: tRNA·snRNA
  일반 전사 인자 (GTF)·전사 인자 (TF)
→ mRNA 가공 (진핵세포):
  5' 캡 (7-메틸구아노신 캡): 번역 개시·안정성
  3' 폴리A 꼬리: 핵 수송·안정성
  스플라이싱 (Splicing): 인트론 제거·엑손 연결
    스플라이소솜 (spliceosome): snRNP 복합체

번역 (Translation):
→ 유전 코드 (Genetic Code):
  3개 염기 = 하나의 코돈 (Codon)
  64 코돈: 61개 아미노산 코딩·3개 정지 코돈
  축퇴성 (Degeneracy): 여러 코돈 → 같은 아미노산
  개시 코돈: AUG (메티오닌)
  정지 코돈: UAA·UAG·UGA
→ tRNA 구조:
  클로버 잎 2차 구조·L 모양 3차 구조
  안티코돈: mRNA 코돈 상보 결합
  아미노아실-tRNA 합성효소: tRNA에 아미노산 결합 (tRNA 충전)
→ 리보솜:
  대장균: 70S = 30S(소) + 50S(대)
  진핵세포: 80S = 40S + 60S
  A 부위 (아미노아실)·P 부위 (펩티딜)·E 부위 (출구)
→ 번역 단계:
  개시: mRNA + 개시 tRNA + 리보솜 조립
  신장: 코돈 인식→펩티드 결합 형성→전위
  종결: 정지 코돈→방출 인자→폴리펩타이드 방출

유전자 발현 조절:
→ 원핵세포: 오페론 (Operon)
  lacZ 오페론: 젖당 존재→리프레서 불활성→전사
  trp 오페론: 트립토판 과잉→리프레서 활성→전사 억제
→ 진핵세포 조절:
  크로마틴 리모델링: 히스톤 아세틸화 (활성)·메틸화
  전사 인자 조합: 조합적 조절
  비암호화 RNA:
    miRNA: mRNA 분해·번역 억제
    lncRNA: 크로마틴 수준 조절·발달
  DNA 메틸화 (CpG): 유전자 침묵
  후성 유전학 (Epigenetics): DNA 서열 변화 없는 유전성 변화

자주 묻는 질문

Q. 효소는 왜 높은 온도와 극단적 pH에서 활성을 잃나요? A. 효소는 단백질이므로 온도와 pH에 의한 구조 변화에 취약합니다. 온도 측면에서 보면, 효소 반응 속도는 일반적으로 10°C 상승마다 약 2배 빨라집니다(Q10 법칙). 그러나 최적 온도를 넘으면 열에 의해 단백질의 수소 결합·소수성 상호작용이 끊어지며 3차 구조가 붕괴(열변성)합니다. 활성 부위 모양이 바뀌면 기질이 맞지 않아 활성이 급격히 떨어집니다. 인간 효소의 최적 온도는 37°C 근처이며, 열성 세균 효소는 80°C 이상에서도 안정적입니다. pH 측면에서는, 활성 부위의 아미노산 잔기가 최적 기능을 위해 특정 이온화 상태여야 합니다. 히스티딘 잔기는 pH 6~8 범위에서 수소를 주고받는 산-염기 촉매로 작용하는데, pH가 벗어나면 이온화 상태가 달라져 촉매 기능이 떨어집니다. 또한 극단 pH에서는 단백질 전체의 전하 분포가 변해 구조가 풀립니다. 각 효소마다 최적 pH가 있습니다: 펩신(위 소화 효소)은 pH 2, 트립신(소장)은 pH 8, 대부분 세포 내 효소는 pH 7 근처에서 최적입니다. 이 최적 조건은 효소가 진화한 생리적 환경과 일치합니다.

Q. 유전자 가위(CRISPR-Cas9)는 생화학적으로 어떻게 DNA를 자르나요? A. CRISPR-Cas9은 원래 세균이 바이러스 DNA를 기억하고 공격하는 면역 시스템에서 유래했습니다. 생화학 메커니즘은 두 부분으로 이루어집니다. 첫째, 표적 찾기입니다. 가이드 RNA(gRNA)가 편집할 DNA 서열에 상보적으로 결합합니다. gRNA의 spacer 서열(약 20 뉴클레오티드)이 표적과 염기쌍을 형성하고, 근처에 PAM 서열(NGG)이 있어야 합니다. 이 선택성 덕분에 30억 개 염기 중 원하는 위치만 찾아갑니다. 둘째, DNA 절단입니다. Cas9 단백질은 두 개의 핵산 분해 도메인(RuvC와 HNH)을 갖습니다. HNH 도메인은 gRNA와 상보적인 가닥을, RuvC는 반대 가닥을 자릅니다. 두 도메인 모두 절단하면 이중 가닥 절단(DSB, Double-Strand Break)이 일어납니다. 세포는 이 절단을 두 가지 방법으로 수리합니다. 비상동 말단 연결(NHEJ): 오류가 잘 생겨 삽입/결실(indel)→유전자 비활성화. 상동 직접 수리(HDR): 주어진 주형을 이용한 정확한 교정 가능. 이 과정을 통해 특정 유전자를 정확하게 끄거나 교정할 수 있어, 유전 질환 치료·작물 개량·기초 연구에 혁명적 도구가 되었습니다.