단백질의 구조에 대해 설명할 때 "형태는 기능을 따른다"라고 강조했다. 따라서 폴리펩타이드가 특정 1차 구조를 가지고 합성될 때 적절한 2차, 3차 또는 4차 구조를 가지게끔 3차원적인 구조를 가지게 접힘이 일어나는 것이 필수적이다. 적절한 아미노산 서열을 가지는 단백질은 어떻게 생성될까? 폴리펩타이드 사슬은 번역이라고 부르는 복잡한 과정에 의해 합성되며, 이 과정은 세포질에 존재하는 리보솜이라 불리는 거대한 단백질 핵산 복합체에 의해 일어난다. 번역은 mRNA를 주형으로 하여 이에 상응하는 아미노산이 특정 서열로 배열된다. 핵 안에서 전사 기계에 의해 DNA의 뉴클레오타이드 서열이 RNA로 전환되는데 이 과정을 전사라고 한다. 여기에서는 새로이 생성되거나 생성 중인 폴리펩타이드가 적절히 접힘을 이루는 데 필요한 주요한 결정 요인들에 대해서 알아보겠다.
편평한 펩타이드 결합이 단백질이 접혀서 이루는 모양을 제한한다
어떻게 사슬이 접히는지를 결정하는 폴리펩타이드의 중요한 구조적 특징은 planar 펩타이드 결합이다. 펩타이드 결합 자체가 부분적으로 2중 결합처럼 역할을 하기 때문에 카보닐 탄소, 아마이드 질소, 그리고 여기에 직접 연결된 원자들은 고정된 평면에 배열되어 있어야한다. 따라서 펩타이드 결합 그 자체는 회전이 일어날 수 없다. 결과적으로 폴리펩타이드 사슬 골격에서 유일하게 유연해서 다양한 구조가 가능하게 하는 것은 펩타이드 결합의 고정된 평면이 다음 두 결합에 의해 회전하는 것이다. 즉, 알파 탄소 아미노 질소 결합과 알파 탄소 카보닐 탄소 결합 사이에서 펩타이드 결합의 고정된 평면을 회전시키는 것이다.
더구나 폴리펩타이드 사슬이 취할 수 있는 형태의 가능성은 더욱 제한저깅어서 단지 몇 개의 알파 탄소 아미노 질소 결합과 알파 탄소 카보닐 탄소 결합 각만이 가능하다. 그 이유는 대부분의 결합각의 경우 골격이나 사슬의 원소들이 서로 너무 가까이 위치해 있어서 형태가 매우 불안정하거나 물리적으로 형태를 형성하기 어렵기 때문이다.
단백질의 아미노산 서열이 접힘을 결정한다
골격 결합각이 매우 제한적이긴 하지만 몇 개의 잔기로 이루어진 폴리펩타이드라도 원칙적으로 여러 형태를 이룰 수 있다. 예를 들면, 만일 알파 탄소 아미노 질소 결합과 알파 탄소 카보닐 탄소 결합 각이 단지 여덟 가지 조합이 가능하다고 가정하면 n 잔기를 가진 폴리펩타이드는 8" 가지의 형태가 가능하다. 단지 10개의 잔기를 가진 폴리펩타이드의 경우라도 약 8.6백만의 형태가 가능하므로 매우 큰 숫자이다. 그러나 일반적으로 어느 특정 단백질은 단지 한 가지나 아니면 매우 유사한 몇 가지 기능적 형태를 가지며 이를 native state라 한다. 대부분의 단백질의 경우 native state는 가장 안정적으로 접혀서 정상적인 기능을 가지는 상태를 의미한다. 열역학적으로 native state는 가장 낮은 자유에너지를 가지는 형태이다.
단백질의 어떤 특징이 여러 간으한 형태 중에서 하나의 구조만을 가지도록 제한하는가? 폴리펩타이드 골격의 아미노산 서열과 더불어 곁사슬의 특성이 제한의 주요 요인이다. 예를 들면, 트립토판의 큰 크기의 곁사슬은 다른 부위와 아주 가까이 패킹되지 않도록 하는 반면 아르기닌과 같이 양전하를 가지는 곁사슬은 아스파라산과 같이 반대로 전하를 띤 곁사슬을 가지는 폴리펩타이드를 끌어들이려고 한다. 앞에서 논의한 다른 예로는 나선의 상호 결합을 촉진하여 꼬인 코일을 형성하는데 heptad 반복에서 aliphatic 곁사슬의 역할을 들 수 있다. 따라서 폴리펩타이드의 1차 서열이 2차, 3차 그리고 4차 구조를 결정한다.
단백질이 적절하게 구조를 이루기 위한 정보를 아미노산 서열이 가지고 있다는 초기 증거는 노벨상 수상자인 Christian Anfinsen에 의해 1960년대에 이루어진 순수 분리한 RNA를 자르는 효소 ribonuclease A 단백질을 다시 접는 인비트로 연구에서 얻을 수 있었다. 다른 연구에서도 단백질의 native 형태를 안정화시키는 비공유결합 상호작용을 화학적 또는 물리적 방법으로 파괴하면 정상적인 3차원적 구조가 파괴되는 것을 알 수 있다. 단백질의 2차 또는 3차 구조를 파괴하는 과정을 변성이라 한다. 열의 형태인 열 에너지, 아미노산 곁사슬의 전하를 바꾸는 극단적 pH 변화, 6-9 M의 urea나 구아니딘 하이드로클로라이드와 같은 denaturant 등은 단백질의 native 형태를 안정화시키는 비공유결합을 붕괴시켜서 단백질을 분해시킨다. 단백질에 베타-mercaptoethanol과 같은 reducing agent를 처리하면 이황화 결합이 깨져서 이황화 결합을 포함하고 있는 단백질은 더 불안정해진다. 그러한 분해 조건에서 일정한 구조를 가지고 있던 단백질이 분해되어서 다양한 non-native 또는 생물학적으로 활성을 가지지 못하는 구조로 바뀐다. 앞에서 살펴보았듯이 매우 많은 non-native 형태가 가능하다.
많은 non-native 형태를 가지는 분해된 단백질에서 엔트로피가 매우 증가하는 것을 고려하면 분해 조건에서 단백질이 저절로 펴짐이 일어나는 것은 놀라운 일이 아니다. 그러나 놀라운 것은 한 가지 형태로 펴진 순수 분리한 단백질을 정상적인 조건으로 회복시켰을 때, 어떤 분해된 폴리펩타이드는 스스로 native state를 이루어 생물학적으로 활성을 가진 상태로 다시 접힐 수 있다는 사실이 Anfinsen의 실험에서 밝혀졌다. 이러한 다시 접힘 실험 결과는 화학적으로 합성한 단백질이 적절하게 접히는 실험 결과와 마찬가지로 단백질의 1차 서열 안에서 접힘을 결정 짓는 충분한 정보가 포함되어 있다는 것을 잘 보여 준다. 새로이 합성되는 단백질도 분해된 단백질과 마찬가지로 적절한 형태를 이루는 것처럼 보인다. 비슷한 아미노산 서열이 비슷한 3차 구조를 만든다는 사실은 단백질의 1차 서열이 인비보에서도 단백질 접힘을 결정짓는다는 증거이다. 2차 구조나 구조적 모티프는 접힘 과정의 초기에 일어나며 이어서 좀 더 조밀하고 복잡한 도메인이 형성된 뒤 최종적으로 좀 더 복잡한 3차와 4차 구조가 형성된다.