안핀센의 실험과 오류 (C. Anfinsen Protein Folding & Error)

<C. Anfinsen의 가정>
amino acid seq을 알고 있지만 어떻게 folding 되는지 모르는 bovine Ribonuclease A에 대해서 8개의 Cys로 이루어지는 disulfide bond가 native structure와 동일한 위치에서 만들어진다면 native tertiary structure을 만들 수 있다.
 

native structure와 동일한 위치에서 disulfide bond가 만들어지는가에 대해 초점을 맞추고 disulfide bond를 beta-mercaptoethanol, Urea을 통해서 부수고 tertiary structure을 망가뜨린다.
-> bovine Ribonuclease A 가 denatured 된다.

여기에 dialysis로 beta-mercaptoethanol, Urea을 제거해주고 산소를 넣는다.
-> disulfide bond가 random 하게 만들어진다. 1%의 가능성으로 native structure가 만들어진다. 99%는 denatured protein이다. 이 상태를 scrambled라고 한다.

그다음beta-mercaptoethanol, Urea을 소량 첨가한다. 시간을 두고 기다린다.
-> 점점 native structure로 만들어지는 수가 많아지게 되고 이 native structure는 열역학적으로 안정된 상태이기 때문에 부서지지 않고 모두 다 native structure을 가지게 된다.
  
<C. Anfinsen의 결론>
1. 위와 같은 과정을 겪으면서 R 기 사이의 disulfide bond, non-covalent bond는 바꾸지 않았지만 변하지 않는 것은 amino acid 서열 밖에 없다.
결국 amino acid 서열이 native structure의 3-dimensional structure을 만들게 된다. 
  
cf) 비유하자면 집을 나가도 다시 돌아올 수 있는 이유는 집으로 돌아가는 길을 기억하고 있기 때문인 것처럼 amino acid 서열 안에 구조에 대한 기억이 저장되어있다고 할 수 있다.
  
2. 그렇다면 amino acid 서열이 선호하는 구조에 어떻게 도달할 수 있는가에 대한 답은 native structure가 열역학적으로 가장 stable 한 구조이기 때문이라고 말할 수 있다.

<C.Anfinsen's error>

1. protein folding에는 surrounding effect가 존재한다. (anfinsen 첫 번째 결론 오류)

<IUP ( Intrinsically Unstructured Protein)의 존재>
진핵생물의 protein의 50%는 비활성 시에는 unfolded, random 하게 존재하다가 substrate와 결합하면 secondary structure을 만든다.

<<왜 IUP가 진핵생물에서 많이 존재하는가?>>

 --> 한 가지 protein을 가지고 하나의 일을 수행하기에는 주변 환경이 매우 복잡하기 때문에 다양한 일을 수행할 수 있도록 random structure을 가지는 것이 flexible 하게 더 많은 substrate을 수용하기에 유리하기에 진화 과정에서 적응되었다.

cf) structure을 만들고 난 이후에 그 protein의 기능이 structure을 바꾸지 않는 한 기능이 한정될 수밖에 없기 때문에 random structure을 가지고 있다가 여러 substrate과 결합할 수 있는 protein이 된다.

     
<Metamorphic(서로 다른 3차원적 구조) protein의 존재> 

1가지 seq가 helix을 가지기도 하고 beta sheet 구조를 가지기도 한다.
즉, 한 가지 structure or 기능보다 더 많은 일을 담당한다. 세포질 내에서 두 가지의 구조가 평형상태로 모두 존재한다.
예) cytokine이 결합할 때는 Chemokine structure을 가지고 glycosaminoglycan과 결합할 때에는 glycosaminoglycan-binding structure로 변하는 protein이 존재한다.
     
결국 자연계에는 Context depentdent protein의 존재한다.

2. prion, beta amyloid로 인한 질병 발생 (anfinsen 두 번째 결론 오류)
protein mis-folding으로 native structure 보다 더 열역학적으로 안정된 상태인 변성된 단백질(beta amyloid, PrPsc
)의beta structure는 비가역적, 영구적인 상태로 존재하고 이는 뭉쳐져서 덩어리로 남는다.
  
대부분 이러한 단백질의 mis-floding은 beta structure을 만들게 되어서 질병을 일으킨다. 이를 amyloidosis라고 부른다. Alzheimer disease, Creutzfeld-Jakob disease(CJD), Parkinson disease, Huntington disease
cf) Parkinson disease : alpha-synuclein이 축적이 야기한다.
  
APP(amyloid precursor protein)의 조각이 알 수 없는 이유로 beta amylod을 dynamic 한 helix, radom 구조에서 beta sheet로 바뀌어서 solubility가 줄어들게 되고 aggregation이 높아져서 여러 장기에 침전을 시킨다. 
  
PrPsc는 정상 PrPc에서 beta structure가 늘어난 상태로의 변성이며 hydrophobic effect로 뭉쳐지고 auto-catalyst 작용으로 PrPc를 PrPsc로 바꾼다.
-> 운동을 관장하는 간뇌, 중뇌에서 PrPsc로 인해 타격을 받고 운동을 하지 못하고 심장이 멈추게 된다. 
  
VIrus, Bacteria 가 아닌 denatured prion protein을 섭취하면 소에게는 TSE 인간에게는 CJD을 유발한다. CJD는 prion protein을 섭취하지 않아도 알 수 없는 이유로 PrPsc가 들어있는 쇠고기를 섭취하여서 인간의 뇌가 spongeform으로 바뀌는 경우이다.
  
PrPsc는 PrPc로 바꾸기 위한 활성화 에너지가 너무 높아서 PrPc가 될 수 없다.