단백질이 무질서한 사슬에서 고유한 3차원 구조로 접히는 과정은 계의 엔트로피가 감소하는 과정에서 물 분자의 에트로피 변화가 전체 자유 에너지에 미치는 영향이 궁금합니다.

Question

단백질이 무질서한 사슬에서 고유한 3차원 구조로 접히는 과정은 계의 엔트로피가 감소하는 과정임에도 불구하고 자발적으로 일어난다고 하네요. 이때 물 분자의 엔트로피 변화(소수성 효과)가 전체 자유 에너지 변화에 어떻게 기여하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

단백질은 합성 직후에는 무질서한 사슬 상태로 존재합니다. 이 상태에서는 아미노산 잔기들이 자유롭게 움직일 수 있어 사슬 자체의 엔트로피가 매우 높습니다. 그러나 생물학적으로 기능을 발휘하려면 특정한 3차원 구조로 접혀야 합니다. 접히는 과정에서 사슬의 자유도가 줄어들고, 이는 곧 단백질 자체의 엔트로피 감소를 의미합니다. 일반적으로 엔트로피가 줄어드는 과정은 자발적으로 일어나기 어렵습니다.

여기서 중요한 역할을 하는 것이 바로 물 분자와 소수성 효과입니다. 단백질의 소수성 잔기가 물에 노출되면, 물 분자들은 그 주위를 둘러싸며 질서 정연하게 배열해야 합니다. 이는 물의 엔트로피를 크게 감소시키는 요인입니다. 하지만 단백질이 접히면서 소수성 잔기들이 내부로 묻히게 되면, 물은 더 이상 강제된 구조를 유지할 필요가 없어지고 자유롭게 움직일 수 있게 됩니다. 그 결과 물 분자의 엔트로피가 크게 증가합니다.

따라서 전체 시스템을 보면, 단백질 사슬의 엔트로피는 줄어들지만 물 분자의 엔트로피가 증가하여 이를 상쇄하고도 남습니다. 자유 에너지 변화(ΔG = ΔH – TΔS) 관점에서 보면, 물의 엔트로피 증가가 ΔS를 크게 양수로 만들고, 결국 ΔG가 음수가 되어 접힘 과정이 자발적으로 일어납니다.

즉, 단백질 접힘은 단백질 자체의 엔트로피 감소에도 불구하고 물의 엔트로피 증가가 주된 동력이 되어 가능해지는 과정입니다. 이 원리가 바로 생명체에서 분자 수준 자기조립이 자연스럽게 일어나는 근본적인 이유 중 하나입니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 단백질이 3차원 구조로 접히는 과정은 엔트로피가 감소하기 때문에 불리해보일 수 있으나, 다수의 물 분자가 질서에서 벗어나 엔트로피가 크게 증가하기 때문에 전체 자유에너지를 낮추므로 자발적으로 일어나는 것입니다.
물 속에서 펼쳐진 단백질은 많은 소수성 곁사슬이 물 분자들에 노출되는데요, 이 경우 물 분자들은 이 비극성 표면과 직접적인 수소결합을 만들 수 없기 때문에, 그 주변에서 서로 간의 수소결합 네트워크를 유지하려고 더 질서화된 구조를 이루며, 이는 물 분자의 자유도를 제한하므로 용매 엔트로피를 크게 감소시킵니다.

반면에 단백질이 3차원 구조로 접히면 소수성 곁사슬들이 단백질 내부로 배향되면서 물과의 접촉 면적이 급격히 줄어듭니다. 결과적으로 물 분자들이 자유롭게 이동하고 회전할 수 있게 되면서 엔트로피가 크게 증가합니다. 또한 엔탈피 측면에서도, 접힘 과정에서 단백질 내부에는 수소결합, 이온결합, 반데르발스 상호작용이 형성되며 물 쪽에서는 깨졌던 수소결합 네트워크가 재구성됩니다. 감사합니다.