2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

4.1 단백질 구조의 개관

네 가지 구조 수준, 약한 상호작용, 접힘 열역학.

6 SECTIONS표 5그림 20인쇄 지원

01

1.1 단백질 구조를 이해하기 위한 네 가지 수준

수소결합 = 주사슬 C=O···H–N과 극성 곁사슬, 방향성·입체선택성 큼, 물과 경쟁
정전기적 상호작용 = 하전 곁사슬 사이 인력·반발, pH와 염 농도에 민감
반데르발스 = 모든 원자쌍의 근거리 누적 인력, 너무 가까우면 반발
소수성 효과 = 비극성 표면과 물의 상호작용에서 나오는 자유에너지, 특정 원자쌍 결합이 아님
이황화결합 = 공유결합으로 비공유 상호작용과 구분, 환원 조건에서 절단
네 상호작용은 개별 세기가 아니라 협동과 환경 의존성이 중요

그림 4.1-1단백질 구조의 계층적 수준. 그림은 개념도를 단순화한 것이며 4.2·4.3단원에서 구체적인 구조를 다룬다.

표 4.1-1단백질 구조의 네 가지 수준

그림 4.1-2본래 상태 내 여러 입체형태의 이동을 표현한 모형. 구조 변화는 곧바로 변성을 뜻하지 않는다.

02

1.2 단백질 입체형태를 안정화하는 약한 상호작용

같은 아미노산도 표면·내부·계면에서 다르게 작용
여러 상호작용이 협동하므로 개수를 단순 합산해 안정성을 예측할 수 없음
국소 환경(pH·이온강도·용매·이웃 잔기)이 실제 기여도를 결정
물 분자가 특정 잔기의 수소결합 상대를 두고 경쟁

그림 4.1-3단백질 내부 수소결합과 물에 의한 수화의 경쟁. 순안정화는 접힘 전후 전체 자유에너지 차이로 판단한다.

그림 4.1-4반대 전하의 인력과 같은 전하의 반발을 비교한 모형. 실제 거리는 용매와 이온의 존재에 좌우된다.

그림 4.1-5Lennard–Jones 12–6 퍼텐셜 U(r)=4ε[(σ/r)¹²−(σ/r)⁶]. 단순 원자쌍 모형으로 실제 생체분자의 모든 상호작용을 그대로 나타내지는 않는다.

그림 4.1-6수용액에서 접힌 형태와 펼쳐진 형태의 소수성 표면을 비교한 개념 모형.

그림 4.1-7시스테인의 산화·환원과 이황화결합 형성. 산화 방향과 환원 방향은 반대이며 반응은 조건에 의존한다.

표 4.1-2단백질 구조를 안정화하는 상호작용

그림 4.1-8구조 안정화에 작용하는 네 가지 약한 상호작용의 핵심 변수를 요약한 그림.

03

1.3 물과 주변 환경에 따라 달라지는 안정화 양상

접힘은 엔탈피(결합 형성)와 엔트로피(소수성 효과·사슬 자유도)의 경쟁
‘접히는 속도’(ΔG‡)와 ‘접힌 상태의 안정성’(ΔG)은 다른 개념
ΔG_unfold와 평형상수 K = [U]/[N]의 관계로 접힌 분율 계산
ΔG_unfold = +10kJ/mol이면 F_N ≈ 98.3%, +5.0이면 88.3%, 0이면 50%
전체 안정성은 수십 kJ/mol 수준의 ‘작은’ 차이로 유지됨
ΔS_unfold > 0이므로 온도가 오르면 ΔG가 감소해 안정성 저하(25°C 98.8% → 60°C 8.5%)

그림 4.1-9수용성 단백질과 막관통 단백질의 소수성 표면 배치를 대비한 개념 모형.

그림 4.1-10가상의 20잔기 폴리펩타이드에서 원거리·근거리 접촉을 나타낸 접촉 지도. 진한 칸은 설정한 접촉을 의미하며 실제 단백질의 측정값이 아니다.

그림 4.1-11상호작용 수만으로 안정성을 설명할 수 없음을 보이기 위한 수업용 임의 단위 모형. 실제 단백질 자유에너지 수치는 아니다.

04

1.4 접힘의 열역학: 자유에너지와 안정성의 정량적 이해

안정성 요인: 온도·pH·이온강도·용매·산화환원 환경
변성(구조 소실)과 응집(불용성 집합체)은 다른 현상
아미노산 치환은 코어 소수성·충전·수소결합을 바꿔 안정성에 영향
안정성이 지나치게 높으면 기능 전환·분해가 어려워짐 → 기능과의 균형 필요

그림 4.1-12사슬 형태 엔트로피의 손실과 유리한 분자·용매 상호작용의 경쟁을 나타낸 개념도.

그림 4.1-13두 안정 상태와 반응 장벽을 비교하는 자유에너지 개념 모형. 곡선의 길이·높이는 실제 측정값이 아니다.

그림 4.1-14°C에서 ΔG°unfold에 따른 접힌 분자 비율을 두 상태 평형 모형으로 계산한 이론 그래프.

그림 4.1-15ΔH°unfold=160 kJ/mol, ΔS°unfold=0.500 kJ/(mol·K)을 가정한 교육용 온도–안정성 이론곡선.

표 4.1-32상태 풀림 모형: 298 K에서 ΔG·비율·접힘 분율

05

1.5 단백질 안정성에 영향을 주는 요인

직접 구조: X선 결정학·NMR·cryo-EM / 간접 추정: CD·형광·DSC·탁도
관찰·측정·모형을 구분해 해석해야 함
각 방법은 서로 다른 상태(결정·용액·기체)를 반영하므로 결과가 다를 수 있음

그림 4.1-16단백질 안정성을 변화시키는 대표적인 환경 요인. 화살표 한 개로 안정화·불안정화를 일반화할 수 없다.

그림 4.1-17분자 한 개의 펼침과 여러 분자의 응집을 구분하는 도식. 둘은 서로 연결될 수 있으나 같은 물리량이 아니다.

그림 4.1-18단백질의 소수성 내부에서 Leu를 Asp로 바꾸는 가상 치환 모형. 특정 실제 단백질 변이의 효과를 나타내지 않는다.

06

1.6 단백질 구조의 안정성을 연구하는 방법

탐구 활동 = 교재 수록 탐구로, 본 웹 교재에서는 제외

그림 4.1-19단백질 열전이를 보여 주는 DSC 신호의 개념 모형. 실제 측정된 열량 곡선이 아니다.

표 4.1-4단백질 안정성 관찰 방법

참조 자료 · References

**표 4.1-1**단백질 구조의 네 가지 수준
구조 수준	주된 내용	핵심 질문
1차	아미노산 잔기의 결합 순서	무슨 아미노산이 어떤 순서로 연결되었는가?
2차	국소적 주사슬 배열	인접·가까운 구간이 어떤 반복 형태를 이루는가?
3차	한 폴리펩타이드의 전체 공간 배치	멀리 떨어진 부위들은 어떻게 만나는가?
4차	복수 폴리펩타이드의 조립	독립적인 소단위는 어떻게 회합하는가?

**표 4.1-2**단백질 구조를 안정화하는 상호작용
상호작용	주된 원인·대상	구조 안정화에 미치는 특징
수소결합	C=O, N–H, 극성 곁사슬	방향성과 입체배열 선택성이 크며 물과 경쟁한다.
정전기적 상호작용	양·음전하를 띤 곁사슬	인력/반발 모두 가능하고 pH·염에 민감하다.
반데르발스	가까운 모든 원자쌍	짧은 거리에서 누적되며 지나치게 가깝다면 반발한다.
소수성 효과	비극성 표면과 물	특정 원자쌍 결합이라기보다 수화와 접촉 면적의 효과이다.
이황화결합 (별도)	2개의 Cys 잔기	공유결합이며 환원 조건에서 절단될 수 있다.

**표 4.1-3**2상태 풀림 모형: 298 K에서 ΔG·비율·접힘 분율
온도	ΔG°unfold (kJ/mol)	예측 접힘 비율 (%)
25°C (298.15 K)	10.93	98.8
40°C (313.15 K)	3.43	78.9
46.9°C (320.0 K)	0.00	50.0
60°C (333.15 K)	−6.58	8.5

**표 4.1-4**단백질 안정성 관찰 방법
관찰 방법	주요 측정 대상	결론을 내릴 때 주의점
탁도·침전	용액의 빛 산란·불용성 입자	응집/용해도 변화에 민감하며 펼침 비율과 동일하지 않다.
CD 분광법	이차구조 관련 빛의 흡수 차이	파장 영역·농도·온도·분석 모형의 영향이 있다.
형광분광법	발색단의 주변 환경 변화	형광 변화가 곧 하나의 특정 구조 전이를 의미하지 않는다.
DSC	온도에 따른 열용량·전이 신호	가역성과 열적 평형을 점검해야 한다.
X선·NMR·cryo-EM	원자 또는 분자 수준의 구조 정보	측정 환경과 분자적 동역학·분해능의 제약이 있다.

**표 4.1-5**열 변성 전이 기록지
온도 (°C)	반복 1	반복 2	반복 3	평균	식힌 뒤 상태
25
40
55
70
85

단백질 구조의 계층적 수준. 그림은 개념도를 단순화한 것이며 4.2·4.3단원에서 구체적인 구조를 다룬다. — 그림 4.1-1단백질 구조의 계층적 수준. 그림은 개념도를 단순화한 것이며 4.2·4.3단원에서 구체적인 구조를 다룬다.

본래 상태 내 여러 입체형태의 이동을 표현한 모형. 구조 변화는 곧바로 변성을 뜻하지 않는다. — 그림 4.1-2본래 상태 내 여러 입체형태의 이동을 표현한 모형. 구조 변화는 곧바로 변성을 뜻하지 않는다.

단백질 내부 수소결합과 물에 의한 수화의 경쟁. 순안정화는 접힘 전후 전체 자유에너지 차이로 판단한다. — 그림 4.1-3단백질 내부 수소결합과 물에 의한 수화의 경쟁. 순안정화는 접힘 전후 전체 자유에너지 차이로 판단한다.

반대 전하의 인력과 같은 전하의 반발을 비교한 모형. 실제 거리는 용매와 이온의 존재에 좌우된다. — 그림 4.1-4반대 전하의 인력과 같은 전하의 반발을 비교한 모형. 실제 거리는 용매와 이온의 존재에 좌우된다.

Lennard–Jones 12–6 퍼텐셜 U(r)=4ε[(σ/r)¹²−(σ/r)⁶]. 단순 원자쌍 모형으로 실제 생체분자의 모든 상호작용을 그대로 나타내지는 않는다. — 그림 4.1-5Lennard–Jones 12–6 퍼텐셜 U(r)=4ε[(σ/r)¹²−(σ/r)⁶]. 단순 원자쌍 모형으로 실제 생체분자의 모든 상호작용을 그대로 나타내지는 않는다.

수용액에서 접힌 형태와 펼쳐진 형태의 소수성 표면을 비교한 개념 모형. — 그림 4.1-6수용액에서 접힌 형태와 펼쳐진 형태의 소수성 표면을 비교한 개념 모형.

시스테인의 산화·환원과 이황화결합 형성. 산화 방향과 환원 방향은 반대이며 반응은 조건에 의존한다. — 그림 4.1-7시스테인의 산화·환원과 이황화결합 형성. 산화 방향과 환원 방향은 반대이며 반응은 조건에 의존한다.

구조 안정화에 작용하는 네 가지 약한 상호작용의 핵심 변수를 요약한 그림. — 그림 4.1-8구조 안정화에 작용하는 네 가지 약한 상호작용의 핵심 변수를 요약한 그림.

수용성 단백질과 막관통 단백질의 소수성 표면 배치를 대비한 개념 모형. — 그림 4.1-9수용성 단백질과 막관통 단백질의 소수성 표면 배치를 대비한 개념 모형.

가상의 20잔기 폴리펩타이드에서 원거리·근거리 접촉을 나타낸 접촉 지도. 진한 칸은 설정한 접촉을 의미하며 실제 단백질의 측정값이 아니다. — 그림 4.1-10가상의 20잔기 폴리펩타이드에서 원거리·근거리 접촉을 나타낸 접촉 지도. 진한 칸은 설정한 접촉을 의미하며 실제 단백질의 측정값이 아니다.

상호작용 수만으로 안정성을 설명할 수 없음을 보이기 위한 수업용 임의 단위 모형. 실제 단백질 자유에너지 수치는 아니다. — 그림 4.1-11상호작용 수만으로 안정성을 설명할 수 없음을 보이기 위한 수업용 임의 단위 모형. 실제 단백질 자유에너지 수치는 아니다.

사슬 형태 엔트로피의 손실과 유리한 분자·용매 상호작용의 경쟁을 나타낸 개념도. — 그림 4.1-12사슬 형태 엔트로피의 손실과 유리한 분자·용매 상호작용의 경쟁을 나타낸 개념도.

두 안정 상태와 반응 장벽을 비교하는 자유에너지 개념 모형. 곡선의 길이·높이는 실제 측정값이 아니다. — 그림 4.1-13두 안정 상태와 반응 장벽을 비교하는 자유에너지 개념 모형. 곡선의 길이·높이는 실제 측정값이 아니다.

°C에서 ΔG°unfold에 따른 접힌 분자 비율을 두 상태 평형 모형으로 계산한 이론 그래프. — 그림 4.1-14°C에서 ΔG°unfold에 따른 접힌 분자 비율을 두 상태 평형 모형으로 계산한 이론 그래프.

ΔH°unfold=160 kJ/mol, ΔS°unfold=0.500 kJ/(mol·K)을 가정한 교육용 온도–안정성 이론곡선. — 그림 4.1-15ΔH°unfold=160 kJ/mol, ΔS°unfold=0.500 kJ/(mol·K)을 가정한 교육용 온도–안정성 이론곡선.

단백질 안정성을 변화시키는 대표적인 환경 요인. 화살표 한 개로 안정화·불안정화를 일반화할 수 없다. — 그림 4.1-16단백질 안정성을 변화시키는 대표적인 환경 요인. 화살표 한 개로 안정화·불안정화를 일반화할 수 없다.

분자 한 개의 펼침과 여러 분자의 응집을 구분하는 도식. 둘은 서로 연결될 수 있으나 같은 물리량이 아니다. — 그림 4.1-17분자 한 개의 펼침과 여러 분자의 응집을 구분하는 도식. 둘은 서로 연결될 수 있으나 같은 물리량이 아니다.

단백질의 소수성 내부에서 Leu를 Asp로 바꾸는 가상 치환 모형. 특정 실제 단백질 변이의 효과를 나타내지 않는다. — 그림 4.1-18단백질의 소수성 내부에서 Leu를 Asp로 바꾸는 가상 치환 모형. 특정 실제 단백질 변이의 효과를 나타내지 않는다.

단백질 열전이를 보여 주는 DSC 신호의 개념 모형. 실제 측정된 열량 곡선이 아니다. — 그림 4.1-19단백질 열전이를 보여 주는 DSC 신호의 개념 모형. 실제 측정된 열량 곡선이 아니다.

난백 가열 실험의 탁도에 관한 수업용 모의 자료. 실제 실험값이 아니며 측정 표를 채우는 활동의 예상 형태만 보여 준다. — 그림 4.1-20난백 가열 실험의 탁도에 관한 수업용 모의 자료. 실제 실험값이 아니며 측정 표를 채우는 활동의 예상 형태만 보여 준다.

2027학년도 고등학교 전문교과 · 생화학 · 박상일(아산고등학교) · 본 인쇄물의 참조 자료는 본문 뒤 부록으로 이어집니다.