구상 단백질 (Globular Proteins)

2.2. 단백질의 일반적 기능
(1) 다양한 기능성 및 중요성
  1) 효소; 생물학적 촉매
  2) 방어;
     혈액응고 (thrombin, fibrinogen)
     독 (venome)
     면역 (antibody or immunoglobulin; A,D,E,G,M)
     수용성 (receptor molecules)
  3) 조절 및 대사 (metabolism & Regulatory);
      생장호르몬 (G-protein)
      신경섬유 (neuron)
      신호전달 단백질 (signal transduction)
  4) 수송 (transport); 순환계 (circulatory system);
       haemoglobin
       haemocyanin; 구리포함
       albumin; 지방산 수송
       lipoprotein (cholesterol, lipids)
       transferrin; iron의 수송
       membrane protein; Na+(import), K+(export)
  5) Nutrient;
      ovalbumin (egg)
      casein (milk)
  6) Movement
      muscle (actin, myosin, tubulin)
      flagella (bacteria)
      cilia by microtubles
      flagella by microtubles
  7) Structure/element;
      collagen (tensile, cartilage, leather)
      elastin (skin)
      keratin (hair, nail)
      fibroin (silk, spider web)

2.3 단백질의 구조
  - a-amino acids의 polypeptide 중합체; peptide bond에 의함.
  - 분자량; 5,000미만은 peptide라 부르고, 다양한 구조 형성.
  - 단백질; 단일(single) polypeptide chain을 가지며, 상당수가 여러개의 사슬(homo or hetero)로
    된다.

2.3.1. Amino acids
   - L/D-form; chiral (mirror)
   -  알파 탄소를 중심으로한 비대칭성 분자
    - 아미노기는 염기성으로 pH를 증가시키고 카복시기는 산성으로 pH를 감소시킴;
       이를 zwitter ion(쌍성 이온)이라함.
  - 등전 pH(isoelectric pH or pI);
    =>아미노산의 전하가 0값이 되는 때의 pH.

2.3.2. Primary structure
  -아미노산 순서(서열, 배열, sequence)은 독특한 생물학적 특성을  단백질에 부여한다.
  -A.a의 순서(배열)를 1차 구조라 부른다.
  -1차구조란; 아미노 말단(+NH3-)-------카복시 말단(-COO-)
                                    or
             N-terminal --------- lanimret-C ; 2.9
  -Genomic DNA에 염기의 순서에 의해 특성화됨.
  -세포는 복잡한 대사장치로 DNA의 염기에 저장된 정보를 RNA를 통해 단백질에 요구되는
    아미노산 서열화.
      =>해독 (translation)

 -예외적인 small peptide 합성 경로의 예;
 1) Neural peptide; propriomelanocortin(전구체)으로 부터   유래.
       =>가수분해에 의하여 작은 조각되며 만들어짐; 2.12
 2) Glutathione; a tripeptide; a.a의 직접 연결로 합성
      =>각각의 a.a.는 부리 독립된 효소-촉매반응을 통해 첨가됨; 2.13
      =>특이한 감마 peptide bond를 볼 수 있다.
      =>DNA가 이것의 형성에 직접 참여하지 않음.
  -모든 단백질은 1차 구조를 가진다.

2.3.3. Peptide bonds
  -두 가지 형태; cis- and trans-; 2.14
   -trans-형이 생물계에는 압도적으로 많음(약 1,000배)
      =>이유는 공간 점유도가 높다.
        (steric hindrance; 분자중 원자들의 공간 위치선정의 장애로 trans형이 선호됨)
       =>이는 측기(side group)과 인접 a.a.의 a-carbon 간의 공간적 문제를 유발함.
    -proline은 분자의 구조 특이성 때문에 cis-form 선호; 2.15
  -peptide bond는 공명현상(resonance)에 의하여 안정함; 2.16
    -결합 원자단의 이탈현상(delocalization)으로 부분적이 중결합 형성(C=N |||| C=O); 2.17
      =>이는 단백질의 구조 형성시 유연성을 제한함.
         (단배질의 구조 형성에 중요함)
  - Peptide unit; 견고한 평판(planar) 구조; 2.18
   - N-Ca 결합의 회전은 f, 로,
   - Ca-C’는 y로,
   - C-N은 w
   - 따라서 cis-형에서 f = y = w는 모두 180도(-180); 2.19
   - 이는 360도 회전을 가능케함
   - 즉, f와 y는 어떤 각도든 형성이 가능하나 실제는 배제되는데, 그것은 steric hindrance의
        발생으로 원자간에 공간상의 거리를  너무 깝게함.
       =>따라서 f와 y형의 조합은 특히 안정할 수 있다.

2.3.4. 2차 구조
 - 규칙적으로 형성된 골격(regulary-shaped backbone)을 말함.
 - a.a.의 일반적인 형태 형성에 의한것.
 - 4 가지가 있다;
  1) a-helix; R-그룹의 하전(charge)과 steric hindrance로
  2) b-plated sheet
  3) b-turns
  4) 무작위의 코일(random coil); 일반적인 2차 구조의 특징으로 나타나지만 무질서한 구조는
      아님.
      =>보다 유연성이 있는 구조
  -2차 구조의 안정화; 인접한 a.a.잔기들 간의 수소결합
   -접힘(folding)과 감기기(coiling)에 중요함.

<alpha-helix>
 - 오른손 방향 회전; 1회전 3.6 a.a 포함.
  - 최적의 수소결합거리의 유지를 가능케함.
     =>아미노기 i의 >N-H와 i-4의 카복실기 사이;
      =>수소결합은 13개 원자의 연쇄를 연결함.
  - 따라서 a-helix를 3.613이라 말한다; 2.21
 - a.a.의 측기(side-group)들은 밖으로 돌출하면서 중심부를 비운다.
 - 측기는 결합에는 참여하지 않으므로 모든 a.a.는 나선형성
 - 구상 및 섬유상 단백질 모두에서 관찰됨.

<beta-plated sheet>
 - polypeptide의 길다란 연장
 - >N-H와 >C=O 그룹은 반대쪽으로 향해 나열(outward)
    =>두 원자 사이에 효과적인 수소결합형성을 도움.
 - 두 종류; parallel and antiparallel; 2.22
   1) Parallel; 두개의 사슬이 같은 방향으로 달림
        N======================>C
        N======================>C
   2) antiparallel; 반대로 달림
        N======================>C
        C<======================N
    - 보다 안정됨; 효과적인 수소결합 때문
 - 구상, 섬유상 단백질의 형성에 관여.
 - 완전한 평면이 아닌 병풍구조로 되어 있음.
 - 나선과 병풍 모두는 선상(linear)구조임.

<beta-turns>
 - 일반적인 loop 구조(주로 구상 단백질에서 관찰됨); 2.24
 - 다른 명칭; reverse turns or
     beta-bends or hairpin bends(loops)
 - 4 개의 a.a.를 필요로함
    =>첫번째 a.a.의 carboxyl oxygen(>C=O)과 4번째 a.a.의 amide nitrogen(N-H) 사이
        수소결합.
 - 3가지 형태; I, II, III
  - I; proline이 3번 위치 점유를 제외 모든  a.a.가 가능함
  - II; 3번 위치에 glycine, 2번 위치에는 proline.
  - III; 310 나선의 부분 형태, 모든 a.a.가 가능함.

2.3.5. Proportions of secondary structures
 - 구상 단백질의 종류에 따라 구성 비율이 다양함.
    예; myoglobin, haemoglobin; 75-80%를 나선구조임.
        concanavalin A, rubredoxin, immunoglobulin; 병풍only
 - 전반적으로 나선과 병풍구조가 60-70%를 점유.
  - 나머지는 random coil로 구성됨.
 - 구상단백질의 내부는 병풍구조가 점유하고, 표면은 나선

2.3.6. Supersecondary structure and domains
2.4. Forces that stabilize protein molecules

2.5. Protein folding
 - 기능적 형태로의 모양새 형성; functional configuration
  - shape; 최종 형태는 1차 구조에 의하여 결정됨
     =>여기에는 적정한 조건이 요구됨;
      =>pH, ionic strength, temperature 등..
  - 즉, 1차 구조의 a.a.배열이 2, 3차 구조의 결정자임.
     =>생물학적 특성에 맞게 형성.
 - compact/ordered globular protein; 보다 안정함.
  - 수소결합; 극성 a.a.의 잔기와 물분자 사이에 형성
     =>안전화에 기여
 - 생물계의 단백질은 진화압에 의해 선택되어 안정함.

 - HOW??
  - 가능한 형태는 거의 무한대임.
  - 결정된 형태를 이루는데는 0.1 - 1/1000초가 소요됨.
  - 따라서 무엇보다도 1차 구조가 중요하다.
     =>has all the information for protein structure.
  - But, we should know kinetic information.
  - 여러곳에서 동시 다발적으로 일어남.

2.6. 단백질의 분자적 활동; myoglobin and haemoglobin
 - 구상 단백질; 2.35
  - 유연함
     =>다른 분자들과 가역적 복합체 형성으로 가능함.
 - 일부의 단백질에 대해서만 알고 있음.
 - O₂-binding proteins
  - 비효소성 단백질로 가장 잘연구됨.

2.6.1. 산소 운반
 - 산소; 섭취된 영양의 산화제 ===>ENERGY
  - carrier protein; 호흡기관 표면(허파 꽈리, 아가미)에서 산소를 포획함 ====>호흡
 - 포유동물에서 가장 잘 이해되고 있는 산소 운반자.
  - polypeptide + nonprotein iron(II) porphyrin ring system.
     =>2.36
     =>polypeptide가 haem을 사고 있는 구조; 2.37

(1) Myoglobin; Mb
 - single polypeptide chain + haem; see p47
 - 근육의 세포사이에서 발견됨.
 - reversible to O2
       Mb + O2 <=> MbO2
       Hb + 4O2 <=> Hb(O2)4
 - simple saturation curve; 2.38
  - 분압에 의하여 산소와 결합/해리
     =>해리는 분압이 낮을 때 일어남.
  - 370 Pa에서도 50% 포화상태(즉, P50 = 366 Pa)
 - oxymyoglobin은 산소의 저장고;
  - 격한 운동으로 산소의 결핍시에만 방출함.

(2)Haemoglobin; Hb
 - 보다 복잡한 해리 곡선을 그림; 2.38
  - sigmoidal (S-shape);
  - P50 = 3550 Pa
     =>oxyhaemoglobin은 상대적으로 높은 산소농도하에서도 산소의 방출(해리)이 가능함.
      =>산소의 co-operative binding과 결합의 allosteric regulation의 결과임.
 - 단일체(single subunit)로 분리된 Hb분자도 산소와 결합.
    =>완전한 4량체(tetramer)에서 최대의 산소 결합력.
 - 산소 한분자를 잃으면 다른 산소의 해리도 쉽게 유발.
    =>이러한 positive co-operativity 산소 해리 S-곡선 형성.
 - co-operativity가 갖는 장점;
  1) 산소 요구량이 적은 피부 등에서는 산소해리를 적게
  2) 산소 요구량이 많은 근육 등에서는 80% 이상 해리
     =>즉, 공급과 수요가 고르게 부합.

(3) Biochemical basis of co-operative binding
 - 산소의 인식 기능
  - 탈산소Hb의 Fe++는 porphyrin ring의 평면에서 약 0.04nm 정도 밖으로 돌출해 있음.
  - 산소와 결합하므로 철이온은 링의 평명으로 들어감.
     =>형태를 바꾸고 결합하는 histidine을 링안으로 끌어당김; 2.39a
       =>회전으로 다른 subunit에도 영향을 줌
        =>형태변화를 유도; 2.39b
         =>산소와 결합을 촉진
 - deoxyhaemoglobin의 단량채들은 salt linkage에 의하여 결합
    되어 있으며 T(tense)-form을 형성.
 - oxyhaemoglobin에서는 상당량의 salt linkage가 깨지며 보다 유연한 형태인 R(relax)-form으로
    높은 산소 친화도  를 가짐.

(4) Allosteric regulation
 - 기작; Hb분자에 작은 분자나 이온의 결합으로 이루어짐.
    =>산소에 대한 치화도에 영향을 줌.
 - 효과기(effector); H+, CO2, 2,3-bisphosphoglycerate(BPG); 2.40
    =>이들은 산소에 대한 친화도를 감소; 산소방출 유도.
  - H+ 존재시에 산소포화곡선은 오른쪽으로 이동; 2.41
     =>called Bohr effect
 - CO2에도 유사한 효과가 있다.
  - 급속한 해당작용과 연로분자들의 산화시 유당(lactose)와 CO2의 생성이 증가함.
     => 산소결핍의 강압으로 수소이온과 CO2 생산증가
     => 혈액의 산성화를 동반함.
     => oxyhaemoglobin으로 부터 산소방출을 촉진.
      => 특정 a.a.의 양자화를 유발==>salt bridge형성; 2.42
   => R ===> T형으로의 변환이 일어남.
 - CO2는 말단의 a.a.와 결합; carbamate를 형성.
  - 음전하화한 carbamate는 salt link를 형성.
  - T-conformation을 안정화
     =>O2 방출을 촉진
 - BPG; 환경변화등에 대한 산소운반의 longer term regulator; 2.43

2.7. Protein denaturation; 단백질 변성
 - unfolding
 - dissociating; 4차구조에서 단량체(subunit)의 분리
 - 고준위의 구조 해체를 변성이라함.
    =>생물학적 기능의 손실을 일으킴.
 - 단백질 변성제; 2.44
  1) 중금속; Pb++, Hg++ etc..
     =>단백질 침전제.
  2) pH, 온도; 수소결합 파괴
  3) 유기용매; ethanol, acetone
     =>물분자막을 제거하여 수소결합을 방해;변성유도
  4) 저해제; SDS(sodium dodecyl sulphate); 생물학적기능 손상
  5) chaotropic agents; TCA, urea, guanidine hydrochloride
     =>소수성을 손상시킴.

3.1. 서  론
*기능; 구조 및 보호; 견고하고 유연한 성질을 가짐.
 -extrscellular matix
 -cartilages
 -skins
 -tendons
 -hairs
 -silk
 -insects exoskeletons  etc...
 -forming internal scaffold; 뼈대
 -cytoskeleton
*구상단백질과 상호작용;
*세포 및 환경과도 상호작용
*물에 잘녹지 않음; 추출이 어렵다.
*딱딱하며 막대모양/ 유연한 판모양 등 다양.
*구조적 다양성은 다양한 기능을 반영함.
 예;  1) 곤충의 외골격은 resilin단백질임.
       2) 피부의 유연성은 elastin때문임
            =>표 3.1.

3.2 Keratins (a-keratin) and silks (b-sheet)
*주로 동물계에서 발견됨.
 -케라틴; 털, 뿔, 발굽, 피부
 -비단; 나방, 거미 등이 생산

3.2.1. Keratins
*long sequences of a-helical secondary structure
*compact  or relaxed,
*쉽게 연장되며 뻗힘; 수소결합에 의한 긴장과 이완성.

(1) Keratins of external protection
*표피로 부터 생겨남.
 -alpha-helices; 꼬여서 fibers 형성.
 -supercoiled alpha-helices; microfilament ropes; 머리털.
 =>protofibril(11개) =>microfibril =>microfilament (케라틴섬유)
      =>3.1; 머리털 형성의 도해
          1) 피부의 세포에 케라틴 섬유가 채워짐.
          2) 세포막이 굳어짐 (crosslinked protein envelope)
          3) 세포가 죽으면 세포내 소기관이 소멸
          4) 케라틴만 남아 머리카락으로 자람.; 3.1.
*피부세포에는 다양한 형태의 케라틴을 보여줌
  1) 외피에는 케라틴화하여 죽은 세포를 형성.
  2) 편평상피(squames); 케라틴이 주인 편평한 가방모양.

*머리털의 케라틴은 keratin의 알파 나선은 a.a. cysteine을 대량 함유; 11% 까지 가짐; 표 3.2
 -cysteine은 disulphide결합으로 견고한 사슬을 형성함.
      =>강력한 공유결합.
      =>이는 케라틴의 가지치기를 최소화함.
      =>여기에 수소결합으로 견고한 모양을 갖춤.
      =>cross-linking의 증가는 구조의 견고성을 증대시킴.

*머리칼, 자라등, 새의 깃털, 물고기의 비늘은 동질임.
 -차이는 단지 cysteine의 수와 cross-linking의 정도이다.
  =>자라등의 경우 5개중 1개의 a.a.가 cysteine
   =>대부분 disulphide bond에 참여
    =>produce very hard and tough material

*모든 단백질의 a.a.서열은 그들의 구조와 기능에 필수적.
 =>즉, cysteine은 keratin에서 한 예일 뿐.

*Keratin은 물에 녹지 않음; a.a.의 구성상 특징 때문.
 =>상당수의 a.a.의 측기는 소수성을 띤다.
    **상대적으로 대개의 구상 단백질은 소수성기들이 분자의 안쪽에 감춰져 있어 수용성의
        경향이 크다. 구상단백질이 변성된 후 수용성이 저하되는 이유는 소수성의 측기가 밖으로 노출되기
        때문이다.

*Keratin은 많은 극성 a.a.를 가짐; alpha-나선을 안정화함.
 =>1차 구조에서 7개의 a.a.가 반복됨; 2회전 나선형성.
      =>1st and 4th are hydrophobic; 표면형성
      =>5th and 7th are polar or charged.

(2) Cytokeratins
*세포 내골격; 상피조직(epithelial cell)내 주요 구조적역할.
*머리칼의 microfilament와 유사함.
     =>그러나 비나선성 분절에 의해 나뉘어져 유연함.
        =>called tonofilaments
*Form criss-cross the cytoplasm; desmosome을 만듬.
     =>provide tensile strength of the epithelial sheet
     =>desmosome은 세포간 접착제 역할을함.

3.2.2. beta-sheet proteins or silks
*silk; beta-sheet protein or fibroins; antiparallel
     =>0.35-0.57 nm반복
     =>매우 강하나 유연함이 특징 (연장성이 없다)
     =>보강재로 Tyr, Arg, Asp, Glu가 첨가됨.
     =>장력이 크다.

*spider silk; 동등한 두께의 금속보다 장력이 큼; 3.3.

*단백질 1차, 2차 구조적 특징의 본질을 보여주는 예.
     -약 1/2의 a.a.가 glycines
     -1/3은 alanines
     -나머지는 serines
     -황(S)을 함유하는 a.a.는 없다.
     -repeated hexapeptide seq.; Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser
     -polypeptide strands는 서로 나란히 놓임
          N------------------------------------------C0.47nm
          0.47nm C-----------------------------------------N
     -골격은 수소결합으로 결속됨; 3.4.
          G-S-A; hydrogen bonds <=>
          |  |  |   ; weak van der Waals interactions; slide across
          G-S-A; hydrogen bonds <=>
     -비단의 유연함과 촉감은 van der Waals forces 때문임.

*Fibroins; 비단의 주단백질
 -specialised silk-producing cells에 의해 생성
 -다량의 rER을 포함; single function for beta-sheet

*Resilin; fibroins와 유사
 -곤충 외골격의 wing hinge의 주요 성분.
 -di-tyrosine잔기를 통한 공유적 교차연결.
      =>비단보다 훨씬 유연함(elastin과 유사).

3.3. Collagen
*연결조직에서 발견되는 당단백질; cross-linked triple helix

3.3.1. 연결조직
*척추동물의 주단백질; 총단백질의 1/4
   -connective tissue, bone, cartilage, dermis
*세포간 물질(extracellular matrix)의 주요 단백질;
   =>세포간 연결
   =>    Fibroblast(결합조직형성세포),
           chondroblast (연골질세포),
           osteoblast (골질세포),
           basement membranes (기저막),
           connective tissue (연결조직)
*세포표면의 당단백질(glycoprotein, 예; fibronectin)과 작용
   -cell-to-cell contact(접촉) and adhesion(응집)에 도움.
*기관에 따라 연결조직의 양이 다름.
   -뇌와 척수에는 소량, 뼈와 연골은 대부분을 차지.
*피부에는 적지만 피하조직에 많다.
*콜라젠;결합조직형성세포(fibroblast)에 의해 세포외 배출.
   -세포외에서 변형되어 섬유질로 됨; rigid and strong
*그 외 다양한 섬유질이 있고 (3.6/3.7), 상대적인 비율에 따라 견고함과 유연성이 결정되며 조직의
    특성을 나타냄; 연골 및 피부 등..

(1) 콜라젠의 구조
*1차 구조; 짧은 a.a.연쇄의 반복
*특정한 a.a.가 집중 배치함; 1/3이 가장 작은 크기의 a.a.인 glycine과 1/4 정도의 proline으로 1/4의
          proline은 특이.
   -Proline은 수산화(hydroxylated, -OH)된 경우가 많다; 3.7
      =>called hydroxyproline
   -lysine 또한 수산화하여 5-hydroxylysine; 여기서 당은 2당류인 glucosyl(b1-2)galactose 또는
     galactose.
   -즉 콜라젠은 당단백질(glycoprotein)이다.
      =>glycosylation의 양상은 독특; 구상단백질과 다름.
   -cysteine이 거의 없어 이황화다리를 볼 수 없다.

(2) Amino acid hydroxylation
*A post-translational modification; 다수의 효소작용이 요구.
   -proline; by prolyl-3-hydroxylase/prolyl-4-hydroxylase; 3.7
   -lysine; Cu함유 lysyl hydroxylase
     =>모두 Fe++/ascobic acid, O2요구성 반응.

 <Reaction, 반응>
 *a.a. + O2 + a-oxoglutarate==============>hydroxyamino acid + CO2 + succinate
  예; Gly-X-Y; lysyl hydroxylase/prolyl-4-hydroxylase action
          =>to Y residue
         X-Hyp-Gly; prolyl-3-hydroxylase acts on X
*1차 구조에서 3개의 a.a.잔기의 반복성이 관찰됨.
   =>Gly-X (대개 proline)-Y (hydroxyproline or other)
   =>그림 3.8; 피부 콜라젠의 N-말단 연쇄.
*구성 방법; 여러개의 collagen polypeptide==>
                  ==>microfibril
                      ==>overlapping of microfibrils
                          ==>collagen fiber형성
   -polypeptide; helical rod-like structure; 3.9; 형성 과정

(3) The triple helix; collagen의 독특한 구조
*결합조직형성세포(fibroblast)의 rER에서 합성됨.
   -약 1,050a.a. residue long polypeptide

<형성과정>
 pro-a-chain
       |     modification by hydroxylation/glycosylation
 form-a-chain; 중앙에 3회 반복 서열과 180a.a.의 N-말단과 300a.a.의 C-말단으로 extension peptide형
       |
 spontaneous assembly of middle section to form helices
       |
 Helices; 수소결합으로 3 collagen a-chain 구성.
       (called triple helix; left-handed twist)
       =>procollagen; proline을 제외하고 거의 모든 a.a.가 참여하여 매우 강하고 견고한 구조 형성;
            표 3.3; 종류

(4) High-order structure
*Procollagen=>processed in Golgi=>secreted into extracellular  matrix by exocytosis
*이 fibroblast에서는 효소를 분비;
   -procollagen aminopeptidase, carboxypeptidase
      =>for hydrolysis of the extension peptides
      =>extension peptides가 제거되면 tropocollagen이 됨.
   -만일 변성되면 삼중나선이 재형성되지 않음.
      =>extension peptide가 삼중나선의 형성을 주도함.
*tropocollagen =>자발적 결합 => form microfibrils
*extension peptide의 또 다른 기능은 fibroblast내에 collagen  엉김을 방지.
*Microfibril; pack closely to form mature collagen (50nm 두께)

                   300nm
 --------------------------> 64nm
     ------------------------------> ;see figure 3.11, 3.12
   =>완전한 collagen fiber는 공유적 교차연결로 강화됨;  3.13.

3.3.2. Types of collagen/tissue distribution
*a-chain; coded by single gene(contains many introns)
   -최소 7가지의 사슬이 있다(최소 7종의 유전자)
   -이는 73=373개의 조합이 가능한 삼중 나선 형성.
    =>실제는 10-15가지의 collagen만이 발견됨.
        (경우에 따라서는 극소량이 존재)
*대개는 homohelices; with three udentical chains
*heterohelices; 2 identicals/1 nonidentical or 3 nonidenticals
     =>차이는 a.a.의 구성, a.a. seq.의 구성, 당화 정도, 연장 단백질의 존재 유무, 용해도 등; 표 3.3
   -Type II; cartilage,
            III; 연골, scar, soft tissue;
           IV;기저막
*세포의 종류; fibroblast; 주요 콜라젠 생성 세포
               chondroblast; 연골,
                   osteoblast; 뼈
*환경의 영향을 받음; 태아 ===>유아(연골==>뼈로 전환)
   -나이가 들면서 뼈와 피부가 약해지며 거칠어짐.

(1) Collagen turnover
*성숙한 생물에서는 매우 느리나 배발생(embryonic development)과 상처
*효소; collagenase; 삼중나선을 분해하고 2중 나선을 형성.
   -이중 나선은 lysosomal protease에 의해 파괴됨.
*상처에 반응 acute-phase protein(급성회복단백질) 합성.
   -여기에는 collagenase저해제 함유

(2) Functions of collagen in some specialised tissues
*눈; 각막(cornea); 투명성, 공막(sclera); 흰자위, 수정체
      주변, 눈알(eyeball)의 형태 유지 등..
*In mature bone; Type I collagens

3.4. Elastin
*연결조직 단백질; 유연성의 유지,
   -동맥의 벽, 피부, 인대, 허파
*Anti-collagen; 콜라젠의 강성 보강.
*Fibroblast(결합조직형성세포)에서 합성됨.

(1) Elastin의 아미노산 조성; 1/3이 glycine
*상당비율의 proline과 alanine으로 모두 소수성.
    =>proline은 4번째 위치에서 대개 hydroxylated
*spingolipid와 밀접한 연관이 있다; 3.14, 불규칙한 모양
    =>구조의 불균형, 특정하지 않음; random coil의 열린 나선을 형성
*반복적 연쇄서열을 가지는 특징이 있다.
      =>Lys-Ala-Ala
          Lys-Ala-Ala-Lys
          Lys-Ala-Ala-Ala-Lys

(2) 합성과 분리
*proelastin chain
  =>cross-linking in extracellular matrix(tropo)

(3) The elastic properties
*교차연결된 무작위 코일에 의함; 70%까지 신장; 3.16
*형태의 변화를 위한 에너지 저장고로 물이 반드시 필요.

*반응조건; 1 기압, 상온 범위(-40C 미만), 중성 pH
 -일반화학반응은 엄청난 조건의 차이를 보임.
 -효소는 반응물질과 반응에서 특유의 특이성.
  =>부가반응을 최소화함.
  =>이는 생물자신이 반응에 필요한 물질을 정제    하여 반응할 기회가 없기 때문.
 -활성은 생물의 항상성 유지 기작에 따라 엄격히 조절.
 -ECIUB; 2,500 가지 효소 목록을 정리.
  =>효소기작은 간단한 수식으로 표시가능.

*화학적 촉매와 효소간의 차이점
 1) 1효소 1기질; 효소-기질 특이성
 2) 활성화 에너지가 낮다.
 3) 속도 상수가 크다; 최대 10-11 초
 4) 저온에서 반응.

4.2. 촉매의 원리
4.2.1. 반응 평형
-평형상수의 변화가 없는 반응이다.

             kf (forward)
 A + B <===========> C + D
            kb (reverse)

 -평형상수 Keq는 [C][D]
                          [A][B]
  =>kf/kb로 정의 된다.

(1) 효소반응에 미치는 요인들;
 =>pH 효과, 기질농도, 온도, 효소농도; 그림(on board)

4.2.2. 전이상태 및 활성화 에너지
-X <=> Y로 변환(interconversion)시 전이상태(transition  state, T*)를 경유; 즉, X나 Y보다 높은
 자유에너지
        -X와 T*사이에 자유에너지 차는 반응의 진행을 위한 활성화에너지(activation E, a.e)
        -X =>T*=>Y
 -큰 a.e.는 반응의 속도를 느리게함.
 -T* => Y로의 a.e. 장벽이 없으므로 어떤 반응이든 X의 활성화 속도는 X =>T*이며, 이것이 속도제한
  단계 (rate-limiting step) 를  결정함; 반응속도제한 요인
        - X => Y로의 변환율 총괄.
-역반응; Y => T* => X
     -활성화에너지 = T*와 Y사이에 자유에너지차
     -역시 속도제한 및 a.e.에 의해 이루어짐.
     -평형; X <=> Y의 동률

4.2.3. 반응역학과 속도 상수
-화학반응; 역학적 양상에 따라 분류
-반응의 각 차수는 반응물질의 농도에 대한 반응속도와 관련하여 나타냄.

(1) 첫번째의 반응은 1차 반응으로서; 4.2
     A=>X; first-order rate constant (forc)
-이는 A의 농도와 비례; 1=>1, 2=>2....
     -따라서 시가에 따른 A의 감소율로써 -d[A]/dt.
          =>이는 다음으로 정의 된다.
          =>-d[A]/dt=k[A] (k; 반응에 대한 속도 상수);
     -forc는 시간에 반비례; 1/t이며 반감기는 t1/2
    -A의 감소율은 A가 소모되는 반응물로써 지수적 감소; 4.2

(2) 2차 반응(2-order rate constant)은 A+A=>X가 되는 경우.
 -속도는 두 반응물의 농도에 비례.
      =>[A]의 감소율은 -d[A]/dt, -d[A]/dt=k[A][A]=k[A]2
 -2차 속도 상수는 1/농도X1/시간이 된다.

(3) 또 하나의 2차 반응

        f(2차)
 A+B <====> X (반응 4.1)
        b(1차)
 =>-d[A]/dt = k[A][B]

-생화학 반응에서 항상 2차 반응이 나타날 필요성은 없다.
 =>즉, 가역반응 모두가 같을 필요는 없다.
 =>예로써 반응 4.1; 진행은 2차 이나  역은 1차이다.
 =>그러나 반응 4.1에서 B의 농도가 A보다 극단적으로 높을 때 반응 속도는 A의 농도에만 의존.
      =>이 때의 속도가 -d[A]/dt = k[A]로 나타냄.
           =>즉, 1차 반응과 같다; 효소역학에서는 중요함.
-zero-order 반응의 속도는 반응물의 농도와는 무관.
 =>속도상수; units of conc. time-1
 =>효소촉매 반응은 특정한 상황하에서 zero order.
      =>속도가 반응물의 농도에 독립적일 때 일어남;
       at Vmax
-일반적인 생화학 반응에서 mixed order가 일반적임.

4.3. 효소역학; 촉매반응

 E + S ==> E + P (E; enzyme, S; substrate, P; Product)

 -효소는 기질에 의해 포화될 수 있다.
 -즉, 반응의 속도는 기질의 농도에 비례.
 -But, 더 높은 농도에서는 반응이 zero-order
     =>이는 다음으로 설명 가능함.

           k1        k3                          **P가 S로 되돌아가지는 못함.
  E+S<==>ES<==>E+P  (4.2)
          k2         k4

4.3.1. Michaelis-Menten 등식
-다만 다음의 조건들을 만족한다.
 1) E+P==>ES는 무시함(반응의 초기속도를 고려)
 2) 초기 전이상태 이후 ES의 농도는 일정; steady state
 3) 기질의 농도는 효소의 농도 보다 훨씬 높다.
-See text

4.3.2. 역학 파라메터의 중요성
4.3.3. 역학상수의 평가
4.3.4. 효소역학의 생리적 중요성
4.3.5. 효소반응에 온도의 효과

4.4. 효소활성의 저해
-활성저해의 중요성
 1) 선별적인 효소의 저해에 의하여 조절
 2) 저해제의 사용으로 확인
 3) 의약품 및 화학무기로 사용가능 (표 4.1)
-효소의 활성은 다양한 분자들에 의하여 저해될 수 있다.
-두 가지의 주요 저해 기작;
    (1) 가역적 (2) 비가역적

(1) 효소의 비가역적 저해; 독약이 될 수있음; E+I=>EI
 1)효소와 강하게 결합; 복합체의 해리가 일어나지 않음.
      =>대개 a.a.의 측쇄(side chain)과 공유결합
 예) 신경가스 (DIPF); acetylcholine esterase의 활성부위의 serine염기의 hydroxyl group과 쉽게 결합; 4.9
      =>synaps의 기능을 손상시킴
      =>또한 trypsin, chymotrypsin, elastase, phosphoglucomutase, cocoonase 등에도 작용함.

 2)  보다 특이적인 경우; 자살 기질 (suicide substrate)
  -기질 유사성 물질; 효소의 활성부에 결합.
       =>활성부의 a.a.를 비가역적으로 변형함.
  예) 항암제 fluorouracil로써 효소 thymidylate synthetase의 활성을 저해.
 -비가역적 저해재는 효소에 어떤 a.a.가 활성부에서 작용하는지를 결정하는 활용됨.
 -효소의 정제과정에서 활성부위의 정량으로 양을 결정
     =>1 mole of inhibition reacts with 1 mole of active sites

(2) 가역적 저해
-효소와 비교적 자유로이 해리가 가능함.
-역학적으로  두가지 형태; 1) 경쟁적 2) 비경쟁적
     =>인위적 정의로 많은 저해제가 중간적 성향을 보임.

 1) 경쟁적 저해; 구조적으로 기질분자와 유사
  -효소의 활성부위와 결합할 수 있다.
  -기질과 저해제가 경쟁적으로 결합하므로 농도에 따라 결과는 달라짐.

   EI <=> E <=> ES => E+P (EI; 효소-저해제 복합체)
     I >> S             S>> I
      =>저해효과는 기질의 농도를 증가시키므로 극복.

                                                      k1
  -EC (equilibrium constant, Ki); E+I <=> EI
                                                      K2
  -Ki = k2/k1 (affinity)
       =>저해제가 결합할 때 Km에만 영향이 있고, Vmax에는 영향을 주지 않음.
 -저해제의 유무로 다양한 농도의 기질에 따라 초기속도의 측정이 가능함; Ki는 Km의 변화로 측정가능
 -Km값은 (1+[I]/Ki)에 의해 증가; 4.10
      =>direct linear plot으로 부터 결정될 수 있다; 표4.4
 -효소의 활성은 때로 효소반응에 의한 생성물(product)에 의해 경쟁적으로 저해되기도 한다.
      =>생성물의 구조는 기질의 구조와 유사할 수 있음.
      =>생성물에 의한 저해는 생성물의 농도가 비교적 높고 기질의 농도가 비교적 낮을 때 나타남.

 2) 비경쟁적 저해; 저해제는 효소와 가역적으로 결합.
 -결합부위는 기질결합 활성부위가 아닌 다른 장소임.
      =>즉, 저해제는 기질의 결합 유무에 무관하게 결합
           =>기질의 농도 증가는 저해도를 낮추지 못함.
 -Can form two kinds of complexes; EI / EIS
      =>둘 다 불활성형으로 생성물은 만들지 못함.
 -역학; Vmax는 바뀌나 Km은 불변함; 표 4.4
 -실제 이러한 형태의 저해는 드물며, 혼합형태가 많다.
      =>정확한 기작을 이해하기는 어려움.

 3) Uncompetitive; E+S => ES => E+P
  =>ES복합체의 형성으로 I가 결합할 수 있는 부위가 생성되며 ES+I가 형성될 수 있다.

4.5. 효소활성의 조절
-많은 효소들에서 구조적으로 기질이나 생성물과는 무관한 분자들에 의하여 조절됨; called allosteric
  effectors
     -이들은 활성부가 아닌 다른 곳에 결합
     -대사과정의 최종산물(end-product)이거나 세포내 에너지 상태를 반영하는 분자들인 ATP, ADP,
       AMP등의 상대적인 농도에 의한다.

-Feedback inhibition; A==>B==>C==>D; D가 한단계 조절.
 =>대사과정의 최종산물에 의한 효소활성의 조절
 =>대사과정의 초기단계에 작용하거나 분지상에 존재하여 allosteric effector에 의하여 조절됨.
      =>경로에 포함된 다른 효소들은 기질공급의 제한으로 조절된다.

-Allosteric enzyme의 또 다른 특징은 쌍(coupling)으로 작용하는 것.
 예) Glucose ==> TCA의 연계는 해당/역해당의 균형에  의하여 조절됨; by two enzymes; PFK, F-1,6-bp
  =>두 효소는 비가역적으로 촉매; see text
  =>allosteric effector AMP가 PFK에 결합하면 활성화 하는 반면, 분리되면 F-1,6-bp가 활성화함.

-해당과 역해당을 통한 포도당의 유동은 AMP농도에 의존; 세포의 에너지 요구와 관련됨.
-활성은 공유적 변형(covalent modification)에 의하여 변화
 =>예로써 인산화(phosphorylation)
 예) glycogen metabolism에 관련된 많은 효소들은 인산화되며, 호르몬의 간접적 영향 아래에서 탈인산화
      (dephosphorylated)

4.5.1. 다른자리입체성(Allosteric) 효소의 모델
-대개 복잡한 다량체(multisubunit)단백질; 4.11
 =>기질과 효과기(effector)에 대한 독립된 결합부위
      =>allosteric site에 대한 activator나 inhibitor의 결합은 단백질의 구조에 형태변이를 유발; 효소의
            활성을 바꿈.
-효소분자의 유연성은 allosteric control이 생명.
-대부분은 불규칙한 역학적 특성을 보인다.
-Co-operative manner로 기질과 결합.
 =>이들은 여러개의 활성부위롤 가짐;
      =>최초 기질 결합에 따라 순차적으로 결합하는 기질의 결합을 촉진하거나 억제
          1) positive(encourages)
          2) negative(discourages)
 -sigmoidal pattern; called homotropic effects
 -기질 농도의 미소한 변화에도 효소활성이 효과적으로 조절될 수 있다.

(Supplement)
cofactor; 보조인자
 1) prosthetic group; 효소와 견고한 결합
 2) coenzymes; 작은 유기분자로 쉽게 분리될 수 있음; NAD+, NADP+, vitamins
 3) metal activators; 금속이온

5.2. 효소의 구조와 분류
1) 다양성; 구조와 반응에서 다양함을 보여줌.
2) 분자량; 13,700 (for RNase)에서 수 백만 Da에 달함.
     -복합효소체(multienzyme complexes)로 존재하기도 함.
     예)지방산합성효소; 2.3x10⁶ Da, 12 subunits, 5개반응촉매
3) 실제 효소의 몇개의 a.a. 만이 촉매기능을 수행; 표 5.1
4) 효소의 분류; 표 5.2

5.3. 활성부위 (Active site)
1) 기질과 효소의 결합에서 촉매작용이 발생하는 곳.
2) 특징;
 (1) 효소의 깊숙한 곳에 위치하여 부가 반응 억제; 물이나 다른 물질의 결합을 멀리함; 5.1
 (2) 효소-기질간 다양한 상호작용이 일어남.
  -활성부위와 최대의 상호작용 유발
  -소수성을 유지; 효소-기질간 이온적 작용을 안정화
       =>간섭의 최소화
 (3) 효소-기질은 비공유적으로 결합함
  -둘의 만남은 비교적 약함 (-10 -- -50 kJmol-1)
 (4) 효소는 거대분자이나 극히 일부가 기질과 작용
  -약 5개 내외의 a.a.가 기질과 결합하여 촉매작용.
  -나머지는 소수성을 유발; 간접적 관여
       =>기질 유사성 분자가 활성부위로 유입을 제어
      예; 달걀의 lysozyme; 129 a.a.의 단량체 단백질; 5.2,3
  -19 a.a.만이 활성부위로 작용함; 이 중 Glu-35과 Asp-52만 기질의 glycosidic bond의 분리에 참여.
   => 16 a.a.의 간격은 단백질의 folding으로 근접.
 (5) 기질에 대한 효소의 특이성; lock and key; 5.4
  -some are rigid/flexible; form induces fit; 5.5

5.4. 효소의 특이성
-부가반응의 최소화가 목적

1) 기질의 결합; 기질과 다른 분자간의 구별은 활성에 중요 인자가 됨; 구조적 유사성을 극복하는 방법은??
 -효소-기질은 비공유적 결합으로 상호작용; 수소결합
  =>수소결합은 방향성(directional)과 특이성을 가짐.
     예; 제한효소(restriction enzyme); EcoRI
          -2중 가닥 DNA의 hexanucleotide (6 nt)를 인식하고,각 가닥의 한 곳 만을 자름; palindromic (5.6)
               =>회전 속성상 대칭을 의미; 항상 동일부 절단
          -2개의 동일한 단량체(31,000 Da)로 구성; -20C 보관.
          -작용 방법; 특정 DNA 부위를 어떻게 인식하는가?
  (1) 효소의 DNA에 부착은 2중 나선의 구조에 동요
  (2) 나선을 풀고 (25도 열림); neokink형성
  (3) DNA가 효소의 활성부위에 부착
  (4) 12개의 수소결합 형성; [Arg 200 x 2/Glu 144 x 2/ Asp 145 x 2] x 2 단량체 = 12; 5.7,8
 -염기 하나의 차이도 DNA-효소간 정확한 수소결합을 저해; 또한 methylated DNA(adenine); 분절이
    불가능.

2) Proof-reading mechanisms;
-알맞는 기질의 선별을 재확인함;
    예; aminoacyl-tRNA synthetase; tRNA에 a.a.에 부착을 촉매.
     =>correct a.a.+ correct tRNA분자; 그히 정교해야함.
          =>1만개의 하나정도로 오류가 발생함.
 (1) 먼저 활성부위에 의한 선별.
 (2) 다음은 잘못 선택된 a.a.의 교정; 가수분해로 제거.
-약 20 가지의 aminoacyl-tRNA transferase의 경우도 유사함.
-DNA polymerase의 경우도 동일한 기느을 가짐.

5.5 촉매의 기작
-여기서 두가지의 예를 구체적으로 들어본다.
     -lysozyme; destroy bacterial cell wall; 눈물, 점막, 피부
     -serine proteinase; 췌장 효소인 chymotrypsin, trypsin

1) Lysozyme; 특정한 박테리아를 파멸시킴.
     -세포벽 성분인 다당류를 분해하는 때문임.
          =>박테리아 세포의 osmotic shock을 유발; cell lysis
     -우유, 달걀에 많다; 정제가 용이하고 대량 생산 판매
          =>14,300 Da, 129 a.a., 4 disulphide bonds 형성
          =>5.2; 3차 구조, 5.3; 촉매기능
 (1) 기질; 다당류인 MurNAc, GlcNac; 5.10
  -절단부위; MurNAc의 C-1과 GlcNac의 C-4간 가수분해
  -chitin(B1-4 linked GlcNac)또한 기질이 된다.
  -경쟁적 저해물; 키틴으로 부터 유래한 2,3,4 당류
       =>5당은 기질이 못되나 6당은 가수분해됨; 5.11
 (2) 활성부위에 기질의 결합;  X 선 결정학으로 연구됨.
  -by lysozyme-chitin trisaccharide crystalline complex.
       =>trisaccharide는 활성부를 절반 점유;
            =>즉 hexa가 최소형태의 다당류 기질임.
            =>trisaccharide에 의해 6개의 수소결합 형성.
  -Asp-101의 carboxyl group의 A-B ring에 한개씩의 수소결합형성; Trp-62, 63 및
    59, 107번의 a.a.는 ring-  C와 총 6개의 수소결합을 형성함.
  -반 데르 발스 힘이 결합의 안정성을 높임.
 (3) 촉매의 기작
  -2개의 a.a.가 포함된다; Glu-35, Asp-52
  -Cleaving bond; D-ring의 C1과 E-ring에 glycosidic linkage의 산소원자 사이
       => Asp-52는 COO-로 이온화; pKa=3.9
       => Glu-35는 COOH로 unionized; pKa=4.3
            =>이는 Glu-35의 소수성 환경 때문이다.(carboxyl group의 pKa를 증가 시킴)
  -Glu-35/Asp-52 + ring-D의 평형화
       -carboxonium ion중간물질을 경유한 분할의 acid-catalysed 기작 >> Glu-35는 양자를
         ring-D-E간 glycosodic bond에 있는 산소에 넘겨줌 >> 이때 일시적인 양전하상태인 carboxonium
         ion을 형성하여 D-ring의 C-1을 안정화시킴.
           =>D-ring의 planar구조와 Asp-52의 음전하상태는 양전하된 carboxonium ion을 안정하게 유지.
  -반응은 복합체에 물분자가 첨가되며 종료.
  -hydroxyl group이 carboxonium ion에 첨가되고, proton은 비이온화된 Glu-35의 형성을 재생한다.
  -끝으로 2당/4당이 효소의 활성부위에서 방출된다.
 (4) 최적 pH 5.0; Glu-35, Asp-52의 이온화 상태가 key.
  -pH증가; Glu-35가 이온화 (inactive COO- form)
  -pH감소; Asp-52가 양자를 받아 inactive COOH form
  -pH profile; critical for activity
  -Commom to many enzymes

2) Serine proteinases; 췌장효소; chymotrypsin, trypsin; 표 5.3
 -높은 반응성을 가진 serine을 활성부에 가짐, 가수분해

 (1) 기질 특이성; cleaving aromatic/large, hydrophobic side chain on carbonyl side of peptide bond
                          (C=O)
  -chymptrypsin; phenylalanine, tyrosine, tryptophan
  -pepsine; phenylalanine, tyrosine, tryptophan, leucine, glutamic acid, aspartic acid
  -trypsin; lysine, arginine

 (2) 효소 기작; 5.16
  -일시적 공유결합 형성; 활성부위에 ser-195의 측기에 hydroxyl group과 peptide bond의 탄소원자사이.
  -기질에 의하여 ser-195의 acylation의 결과로 acylenzyme 중간물질이 형성됨.
  -Ser-195/His-57/Asp-102; 기질 존재시에 활성부위 내에서는 hydroxyl group의 nucleophilicity가 증가.
  -Asp-102; pKa=2.0; 효소의 활성시 음전하화.
  -이는 His-57의 imidazole ring과 상호작용으로 ring의 질소중 하나는 ser의 hydroxyl로 부터 proton을
    제거하려는 경향이 있다.
       => called charge-relay system; 5.15

5.6. 효소기작에 관한 일반적 특징
-화학적 저해, 효소기작, X-선 회절, 효소-저해제 복합체, site-directed mutagenesis etc.,

5.7. Enzyme families
 1) 아미노산 잔기들이 항상 보존성을 보임; 표 5.3
      예; charge-relay system; Asp, His, Ser을 포함.
 2) 3차원 구조가 매우 유사하다; 5.18
  -20%의 낮은 동질성을 공유한 단백질에서도 보임.
       =>공동의 조상으로 부터 유래함.
  -특정 활성부위에 a.a.의 변이는 특정 기능성 반영.
       => chymotrypsin, trypsin, esterase
            => 기질에 대한 특이성을 반영; 5.19

**단백질(효소)의 조절 방식; 4 가지 원리를 따름
1) Allosteric control; 작은 분자(O2, H+, CO2)와 결합.
2) 조절단백질에 의한 자극과 저해; 모두 작은 분자들.
     예; calmodulin은 Ca++의 농도에 따라 다양한 활성.
3) 가역적인 공유적 변형; phosphoryl기의 결합으로 활성이  바뀜; protein kinase는 인산화로 활성 조절
     =>protein kinase A; 진핵생물에 풍부 단백질 활성조절.
4) Proteolytic activation (cleavage)
 -peptide의 일부를 절단하므로 단백질의 활성을 비가역  적으로 조절함; 비활성을 활성형으로 변환.
  예; zymogen; chymotrypsin, trypsin, pepsin, 혈액응고

6.2. 특 징
1) 생체구성물로 질소원소를 포함하지 않으며, 특정한 분자량을  가지지  않음 (분포의형태)
2) 단당류의 중합으로 만들어짐
  -글루칸은 글루코스로 만 구성되고 마난(mannan)은  mannose로 구성됨.
    =>대부분 이당류의 반복으로 이루어짐.
3) 구조적으로 단백질 보다 훨씬 규칙적이다.
  - 리본이나 나선의 구조를 형성.
     =>다른 분자와의 상호 작용이 극히 제한됨.
          =>촉매기능과 같은 효소기능은 없다.
4) 대규모의 분자망(molecular network)을 형성.
5) Glycosidic bond로 중합체 형성
    - sugar ring의 탄소(1번)는 인접한 당에 있는 다른 탄소원자와  산소를 통하여 연결되는 결합.
    - 형태형성은 당의 성질과 결합방식에 달려 있다.
    - 가지를 형성하기도 함; branched chain
       => 이는 세포내 인지과정(cellular recognition)을 보조하여 다른 분자와의 상호작용을 돕는다.
6) 당분자간의 수소, 소수성, 이온결합으로 구조강화
  = 망의 형성은 물분자의 덫으로 작용하여 겔을 만듬.

<기능>
  - 구조, 에너지 저장, 세포간 인지의 기능

1) 구조적 기능의 다당류; 보호와 지지의 기능
  =식물과 미생물의 지지 기능에 중요; 원형질막을 감싸는 분자망을 형성 (세포 외골격 형성).
  =식물의 세포벽; cellulose와 hemicellulase
  =효모와 곰팡이 세포벽; 섬유상 다당류로 b1-3 glucan, chitin, cellulase
     - 영구적인 구조는 아니며 생장 단계에 따라 변화
  =박테리아; 섬유상 다당류가 peptide와 구조적으로 변형된 형태; glyccopeptide로 peptidoglycan임.
    -no gel-forming polymers but has extracellular architecture of  teichoic acid in G+ bacteria
    -but some possess hydrated capsules of 다당류 젤.
 =지지골격섬유 사이를 채우는 기능; 매질 또는 무정형
   - 보호기능; 조밀한 분자 경계로 원형질막 보호
   - Gel의 형태로 세포를 둘러쌈.
   - Mannoproteins, b1-3 glucan/1-6-D glucan; 효모, 곰팡이
   - pectin; 식물의 세포벽 (표 6.3)
 =연골(Cartilage); 충격흡수, 윤활, 탄성
   -proteoglycan(특수한 glycoprotein), glycosamino-glycans (다당류), 단백질(collagen)으로 구성.

2) 저장
  =Potential energy releasers; 세포질 및 소기관내
      -세포는 106 이상 크기의 branched a-D glucan을  생산 저장
 =Glycogen; 박테리아, 곰팡이, 동물세포
 =starch (amylose와 amylopectin의 혼합체); 식물
    -모두 대사에너지를 방출; 해당과정에 연료임.
     =>ATP 생산; 기질수준/산화적 인산화
 =역으로 탄수화물은 세포내로 흡수되며 합성되기도함.
    -g-6-p로 부터 glycogen과 녹말로 바뀔 수 있음.
 =다른 형태의 저장물질; inulin, fructan, laevans (표 6.4)
    -녹말이나 글라이코겐 보다 작은 분자들임.
      =>분자량 3,500 - 8,000; 20-50개의 단당 구성체

3) 복합체; 분자간 인지에 참여함
  =oligosaccharide; 단백질이나 지질에 공유적으로 결합
     -단순한 구조로 가지로 부착하고 반복성이 없다.(6.2, 6.6)
  =측기의 역할; act as tailored keys
      =>유관속계에서 당단백질의 순환을 보조
      =>세포표면에 노출되어 다른 세포표면과 부착  유도
  -act as the key;
      =>세포표면 수용단백질(receptor)은 자물쇠 기능
      =>이는 효소-기질 관계와 유사하나 기질의 변화는 없음
      =>순환호르몬의 수용자
      =>cell-to-cell adhesion에 중요함.
   -control of selective cleavage of proteins;
      =>동일한 glycoprotein이라도 다른 protease에 의하여 다르게 잘릴 수 있다. 이는 다양한  peptide를
            만들게하며 활성과 표적이 달라질 수 있다.
   -특정 sugar residue에 특이한 glycosidic linkage로 연결되는 단백질을  lectin이라 한다.

<구조>
= 크기; 매우 다양함, 정확한 크기 보다는 범위내에 있음
   -10³-10⁴ dalton for inulin
   -10⁷-10⁹ dalton for glycogen
= 일정하고 반복적 형태
= 단당류는 대개 견고함; glycosidic link(C-O-C)는 유연함
= 나선(a1-4), 직선, 연장성 나선형(b-1,4) 등이 있다. (6.7)

6.3. 특별한 다당류
1) Glycogen; G-1-P는 세포벽과 세포외성 다당류의 근원.
   -에너지원; G-6-P의 산화는 NADPH와 ATP에 에너지를 축적
   -a1-4 linked glucose의 사슬로 구성; 크기는 다양하여 보통 8-12 units long; 가지점은 a1-6
       glycosidic bond로 나무모양의 구조를 이룸  (6.10)
   -가지의 형성은 매우 제한적임; 분자량은 10
   -생체내에서는 구형의 b-particle로 존재함; 20nm (6.10)
 

7.1. 도입
=지방; 기름, 왁스, 밀랍
        =>유기용매로 추출됨.
=생물학적 기능; 연료분자, 호르몬, 수용체, 대사활동의 중개자, 막, 보호, 완충장치(잎의 피층은 탈수와  세균감염에 대하여 보호기능), 보온 및 충격흡수 (동물의 지방층), 신경전달(유수신경) 등.

7.2. 지방의 분류
=다양한 구조이나 공통성이 있다; 표 7.1
     =>분류에 일관성이 부족하여 혼돈되기도 한다.
   -인지질; phosphoglycerols, sphingomyelins
       =>인산기를 포함.
   -Sphingolipids; sphingomyelins, cerebrosides, gangliosides
       =>sphingosine을 포함.
   -Glycolipids; cerebrosides, gangliosides
       =>당을 포함.

7.3. Simple Lipids
=Called ester; 가수분해시 알코올과 지방산만을 산출
 (1) 왁스; 지방산 + 알코올
      -두 구성분은 긴 탄화수소의 사슬로 구성됨.
         =>일반화된 수식; 7.1
            =>myricyl palmitate(벌집의 주성분)
                 -불용성; 탄화수소와 비극성 때문임.
      -표면의 코팅, 탈수방지, 감염방지, 방수 등
          => 식물의 잎 표면, 새의 깃털,

 (2) Acylglycerols (or Neutral Fats)
      -trihydric alcohol, glycerol, 1-3 of fatty acid
             => 7.2, 7.3
      -지방조직에 저장되는 중성지방; 7.4
             =>에너지
                => acylglycerol의 가수분해로 자유지방산 방출; then oxidised
                    => 지방산은 베타 산화과정을 거침.
      -지방조직; 보호, 보온, 완충.
      -Triacylglycerol; 체내순환으로단백질과 결합
           =>form lipoprotein particles

 (3) 지방산
  -매우 다양한 형태로 존재; 7.2
  -일반적으로 monocarboxylic, unbranched, 짝수의 탄소원자를 포함.
  -중성 pH에서 일반적으로 이온화함.
  -가장 흔한 형태는 12-20개의 탄소원자를 포함.
  -가지를 가지거나 홀수의 탄소원자를 가지는 지방산은 식물과 세균에서 주로 발견됨; 7.6
  -탄소원자의 번호; 7.7.
  -불포화는 일반적임; 특히 C18-20의 지방산의 경우
       =>표 7.2
       =>동물은 C9이후의 탄소에 이중결합을 첨가할  수 있는 효소가 없다. 그러나 필수지방산으로
            필요하다.  따라서 동물은 섭취되어야 한다.
  -C-C 단일결합; 결합간 회전을 허용함.
       =>지방산의 cis-trans 이성질화를 허용; 7.8
            =>자연산 지방산에 일반적임.
  -이중결합은 탄화수소연쇄의 꺽임과 휨을 유발.
       => 7.9
  -자유회전의 부재; 생체막의 유동성에 중요함.
       =>이중결합의 삽입으로 지방산의  융점을  낮추고 유동성을 증가시킴; 표 7.3
            =>공간점유도 또한 증가함.

7.3.1. Triacylglycerols의 화학적 특성
-acylglycerols의 가수분해; 염이나 lipases에 의하여 촉매.
-불포화 지방산은 반응성이 높다; by hydrogen, halogens
     => see text
-Hydrogenation; margarine공정에 중요
-Halogenation by iodine and saponification using KOH; 지방의 특성을 알아내는데 유용함; 표 7.4

7.4. 복합지방
-Two groups; 인지질, 당지질; 표 7.1
 (1) 인지질
  -두 부류; phosphoacylglycerols(glycerols)
    sphinogosine(alcohol)=sphingomyelins
      => 7.2, 7.10
    -phosphoacylglycerols(=glycerol phospholipids)
      =>가장 풍부한 복합지방, 모든 세포에 존재, 생체막 구성의 40-50%를 형성.
 -진핵세포막의 주요 3 형태;
      => phosphatidyl choline(lecithin)
           phosphatidyl ethanolamine(cephalin)
           phosphatidyl serine; 7.11
 -phosphoacylglycerols
      =>양극성분자(amphipathic molecules)
           =>불용성의 소수성부과 수용성인 친수성부.
 -양극성분자는 매우 낮은 수용성이지만 물에서 매우 안정함; micelles and bulayers; 7.12 a, b

 (2) Sphingomyelins
   -alcohol sphingosine에 기초함.
       =>glycerol-based lipids에서는 지방산이 에스터 결합으로 글리세롤과 연결됨.
       =>한편 sphingolipids는 amide linkage에 의하여 지방산이 부착됨; ceramide생산.
  -7.13; Sphingomyelins
       =>양극성, 생체막의 성분; 특히 뇌와 신경세포.
       =>one tail is alcohol shingosine

 (3) Glycolipids
  -sphingosine을 중심으로 하며 ceramide에 탄수화물이 결합하여 형성된다.
  -두 종류; cerebrosides와 gangliosides
       =>결합하는 당의  차이임
 -Cerebrosides; 포도당, 갈락토스와 같은 중성의 당이 결합; 7.15
      =>가장 간단한 형태는 ceramide의 말단 hydroxyl기에 단당류가 결합한 형태임.
           =>glucocerebroside or galactocerebroside
           =>sulphatides는 황화 galactocerebrosides로 뇌의 cerebroside의 대부분을 구성함.
                => 7.16
      =>다른 형태는 대개 2-10개 당의 사슬로 구성.
 -Gangliosides; oligosaccaride head group에 1-4개의 sialic acid  잔기를 소유함; 7.17
      =>sialic acid는 중성 pH에서 음전허화하여 대부분 양극성임.
      =>대표적인 형태; 7.18
  -생체막의 구조물이며 세포막 표면에 노출되어있다.
       =>다양한 형태의 올리고당이 결합한 형태임.
            =>항원 결정체를 형성함; 7.18
                 예) ABO 혈액형의 결정인자.
                      =>세가지의 다른 올리고당이 결정함.
                           =>Box 7.5
  -세포표면에 올리고당은 세포분화의 결저단계에 생화학적 표식인자로써 활동함.
       =>이는 세포나 조직의 생장과 발달에 필수요소.
            =>암세포에 갱글리오사이드는 단순화되어 있음.
  -Glycolipid는 생물활성 물질에 대하여 수용체의 기능; 세포표면에 다양한 물질의 특이적 결합을 중개함.
       =>따라서 당단백질 호르몬과 인터페론은 특이적 갱글리오사이드에 결합.
  -세균의 감염시도 상피세포의 당지질의 마노스 함유 세포표면 올리고당을 경유하여 이루어진다.
  -세포 인식현상은 갱글이로사이드와 당단백질이 포함하는 당에 의하여 중개된다.

7.5. Polyprenyl lipids
 -Also called isoprenoid compounds
      -다양함
      -isoprene의 파생물; 7.19
      -막 구조의 생물학적 기능, 뼈 형성, 광수용, 생식.
 1) Steroids
  -perhydrocyclopentanophenanthrene 단위체가 기초.
       =>4 fused rings(A-D)으로 구성; 7.20
            =>이들의 구조적 다양성으로 다양한 생물학적 기능을 수행함.
  -Sterols; C-3에 수산기를 가지고 C-17에 다야한 작용기를 가짐.
       =>cholesterol(7.21)은 동물에 가장 풍부한 스테롤임.
            =>생체막에 있으며 주로 신경세포의 myelin sheath는 약 20%의 콜레스테롤을 함유; 7.21
            =>생체막에 고농도로 존재하면 혈류의 흐름을 방해.
       =>콜레스테롤은 lipoprotein입자에 결합하여 혈장을 타고 수송된다.
            => 심장병에 악명이 높지만 스테로이드 호르몬, 비타민 D, 담즙의 전구체이다.
            =>스테로이드 호르몬의 합성은 생식소와 부신수질;  표 7.5
 2) 비타민 D;  a hormone
   -D3 (cholecalciferol)은 7-dehydrocholecalciferol
   (피부에 코레스테롤의 정상적인 대서물질)에 자외선을 쐬면 합성됨.
       => 7.22
       => D3는 간과 신장에서 수산화되어 1,25-dihydroxycholecalciferol을 형성.
            =>이는 세포에 칼슘 이온과 인산의 대사를 조절하는 호르몬임.
 3) 담즙 (Bile acids); 콜레스테롤의 대사물임.
 -사람의 담즙의 주성분은 cholic과 chenodeoxycholic acids로 taurine과 glycine와 복합체로 생성됨; 7.23
      =>간에서 합성되고 쓸개(담낭)에 저장됨.
           =>담즙은 지방의 소화에 중요하다`.
                =>Lipases에 의한 가수분해를 보조함.