NMR 데이터로부터 단백질 구조의 결정 #

NMR 데이터로부터 단백질 구조의 결정 지난 2002년 미국 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute)의 커트 뷔트리히(Kurt Wüthrich) 교수에게 노벨 화학상이 주어졌다. 그는 지난 1980년대 중반에 핵자기 공 명법(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)으로 단백질과 같 은 바이오 분자의 구조를 규명할 수 있음을 최초로 보였다. 이로서 단백질과 같은 바이오 분자들의 구조를 밝힐 수 있는 방법이 X-ray에 이어 NMR 방법이 추가되었다. 현재 NMR을 이용한 연구에서는 계속해서 새로운 방법들이 개발되고 있으며 그 정밀도도 높아지고 있다.

<그림1. NMR 실험으로부터 구조 결정을 위한 절차(개략도)>

NMR 실험과 전산모사 #

NMR 방법의 장점은 결정이 필요하지 않고 용액 상태에서 데이터를 얻을 수 있다는 점이 다. X-ray 결정학과 마찬가지로 NMR 방법 역시 단백질 구조를 직접 얻을 수는 없고, 실험 데이터로부터 전산 모사 방법 을 통해 그 3차 구조를 결정하게 된다. NMR 실험의 원리를 간단히 요약하면 다음과 같다. 먼저 단백질을 구성하고 있는 원자의 핵에서 양성자와 중성자는 S = 1/2의 스핀 각운동량을 지니고 있어서 각각 고유한 자기모 멘트를 가지고 있는데 양성자 또는 중성자의 수가 홀수인 경우라면 핵 전체의 자기 모멘트가 0이 아닌 값을 가지게 되어 외부 자기장에 의해 에너지 준위의 분기(splitting)가 일 어나고 이러한 에너지 분기는 외부의 전자기파(주로 라디오 파)와 공명(resonance)을 일으킬 수 있다. 이러한 현상을 이용하여 특히 수소(H)의 스펙트럼을 측정하게 되고 이를 분석 하여 단백질을 이루고 있는 여러 수소 원자 사이의 거리 정보와 단백질 뼈대(backbone)와 곁사슬(side-chain)의 뒤틀림 각(dihedral angle) 정보를 구속조건으로 얻게 된다. 특히 구조 결정에서 중심 역할을 하는 수소 원자간 거리 정보를 NOE(Nuclear Overhauser Effect) 거리 구속조건(distance restraint)이라 한다. 또한 수용액상의 단백질들 사이에 바이셀(bicell)과 같은 지질(lipid)을 넣어 주고 자기장을 걸면 자기장에 따른 바이셀의 정렬을 따라 단백질도 정렬하는 경향이 생기게 된다. 이를 통해 각 결합에 위치한 두 원자의 핵스핀 들이 일정하게 정렬하게 되어 쌍극자 커플링이 생기게 되고, 외부 자기장의 주파수에 따라 공명되어 에너지 분기가 관측되게 된다. 이를 잔여 쌍극자 커플링(Residual Dipolar Coupling, RDC)이라 하고 이를 통해 단백질의 도메인(domain) 사이의 방향에 대한 정보를 얻게 된다.

출처 #

주기영,이승종,이주영 물리학회 학술지, 물리학과첨단기술, 단백질 구조 결정과 구조 예측의 전산 모사 방법(Computational Methods for Protein Structure Determination and Protein Structure Prediction), 2011.05