단백질은 왜 잘못 접힐까? 단백질 폴딩의 원리

단백질은 처음부터 복잡한 모양으로 만들어지는 게 아닙니다.

처음에는 아미노산이 줄줄이 연결된 긴 사슬에 가깝습니다. 그런데 이 사슬이 특정한 3차원 구조로 접혀야 제 기능을 할 수 있습니다.

문제는 이 과정이 항상 완벽하지 않다는 겁니다. 단백질은 왜 가끔 엉뚱한 모양으로 접히는 걸까요?

단백질은 왜 접혀야 할까?

단백질의 기능은 모양과 밀접하게 연결되어 있습니다.

효소가 특정 분자를 붙잡거나 수용체가 신호를 인식하려면 정확한 3차원 구조가 필요합니다. 단백질의 아미노산 서열에는 이러한 구조를 만드는 데 필요한 중요한 정보가 들어 있다는 사실이 고전적인 Anfinsen 연구를 통해 확립됐습니다.

열쇠가 자물쇠에 맞으려면 모양이 정확해야 하는 것과 비슷합니다.

단백질은 어떻게 올바른 구조를 찾을까?

단백질은 가능한 모든 모양을 하나씩 시험하는 방식으로 접히지 않습니다.

현대적인 설명에서는 여러 구조를 거치면서 에너지가 낮고 안정적인 상태 쪽으로 이동하는 에너지 지형을 이용합니다. 흔히 깔때기 모양의 지형으로 표현합니다.

산 정상에서 공을 굴렸을 때 아래쪽 골짜기를 찾아 내려가는 것과 비슷합니다.

그런데 왜 잘못 접힐까?

세포 안은 시험관보다 훨씬 복잡합니다.

수많은 단백질이 빽빽하게 존재하고, 온도 변화나 산화 손상, 돌연변이 등도 단백질 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 그러다 보면 정상적인 접힘 경로에서 벗어나 비정상적인 구조가 만들어질 수 있습니다.

잘못 접힌 단백질끼리 달라붙으면 더 큰 응집체를 형성하기도 합니다.

세포는 잘못 접힌 단백질을 어떻게 처리할까?

세포에는 이를 막는 안전장치가 있습니다.

대표적인 것이 분자 샤페론입니다. Hsp70 같은 샤페론은 새로 만들어지는 단백질의 잘못된 접힘과 응집을 줄이고 정상적인 접힘을 돕습니다. 계속 정상 구조를 만들지 못하는 단백질은 품질관리 시스템을 통해 분해될 수도 있습니다.

옷이 구겨졌을 때 다시 펴보고, 복구할 수 없으면 버리는 검사 과정과 비슷합니다.

잘못 접히면 모두 질병이 될까?

그렇지는 않습니다.

단백질의 잘못된 접힘 자체는 세포에서 발생할 수 있으며 대부분은 샤페론과 분해 시스템에 의해 관리됩니다. 문제는 이런 품질관리 능력을 넘어설 정도로 비정상 단백질이 축적될 때입니다.

알츠하이머병이나 파킨슨병을 비롯한 여러 퇴행성 질환에서 단백질의 비정상적 접힘과 응집이 중요한 특징으로 관찰됩니다. 하지만 질병 전체를 단백질 폴딩 하나만으로 설명할 수 있는 것은 아닙니다.

결국 단백질 폴딩은 단순히 사슬 하나가 접히는 과정이 아니라, 세포가 수많은 단백질의 모양을 계속 관리하는 품질관리 시스템이라고 볼 수 있습니다.