[분자생물학 기초 개념] 35. 단백질 구조와 기능 2️⃣ (단백질의 기능적 역할, 단백질의 번역 후 변형, 단백질 구조와 질병)

단백질 구조와 기능은 생명체 내에서 이루어지는 다양한 생화학적 과정의 핵심입니다. 단백질은 아미노산이 결합하여 형성된 고분자로, 그 구조는 1차에서 4차에 이르는 여러 단계로 나누어집니다. 단백질의 구조적 다양성은 그 기능적 특성에 직접적인 영향을 미치며, 효소, 신호 전달, 구조적 지지, 면역 반응 등에서 중요한 역할을 수행합니다.

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단백질의 기능적 역할 (Functional Roles of Proteins)

단백질은 생물체 내에서 매우 다양한 기능을 수행하며, 그 역할은 촉매 작용, 구조적 지지, 운반, 신호 전달, 면역 반응 등 여러 가지로 나눌 수 있습니다. 단백질의 구조는 그 기능적 역할과 밀접하게 연관되어 있으며, 각각의 단백질은 특정 기능을 수행하기 위한 구조적 특징을 가지고 있습니다. 여기서는 단백질의 다양한 기능적 역할에 대해 자세히 설명합니다.

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효소 (Enzymes)

효소는 생명체 내에서 일어나는 생화학적 반응을 촉매하는 단백질입니다. 효소는 기질 특이성(substrate specificity)을 가지고 있으며, 반응의 속도를 높여 생체 내 복잡한 화학 반응이 빠르고 효율적으로 일어나도록 돕습니다.

효소의 역할

효소는 활성화 에너지(activation energy)를 낮추어 생화학적 반응이 더 쉽게 일어날 수 있도록 합니다. 효소는 반응에서 소모되지 않으며, 여러 번 반복적으로 사용할 수 있습니다. 효소의 기능적 역할은 주로 기질과의 결합과 전이 상태 안정화를 통해 이루어집니다.

기질 특이성 (Substrate Specificity)

효소는 활성 부위(active site)에서 특정 기질(substrate)과 결합합니다. 활성 부위는 효소의 입체 구조에서 기질이 정확히 결합할 수 있는 특정한 형태를 가지며, 열쇠와 자물쇠처럼 정확한 기질만이 효소와 결합하여 반응을 촉매할 수 있습니다. 이 특이성 덕분에 효소는 매우 선택적으로 반응을 촉매합니다.

효소 작용 메커니즘

효소는 기질과 결합한 후 전이 상태(transition state)를 안정화시켜 반응이 일어나기 위한 에너지 장벽을 낮춥니다. 이로 인해 반응은 더 적은 에너지로 일어나게 됩니다. 효소는 동종 효소(allosteric enzymes)를 포함하여, 기질 결합 이외에도 조절 부위를 통해 반응을 조절할 수 있습니다.

• 예시: 리파아제(lipase)는 지방을 분해하고, 아밀라아제(amylase)는 탄수화물을 분해하는 효소입니다.

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구조적 단백질 (Structural Proteins)

구조적 단백질은 세포와 생물체의 구조적 안정성을 유지하는 역할을 합니다. 이러한 단백질은 세포의 형태를 유지하고, 조직과 기관을 지지하며 외부 스트레스를 견디는 데 기여합니다.

세포와 조직의 구조

• 콜라겐(collagen)과 케라틴(keratin)은 대표적인 구조적 단백질입니다. 콜라겐은 주로 결합 조직에서 발견되며, 힘과 유연성을 제공합니다. 케라틴은 머리카락, 손톱, 피부 등에서 발견되며, 강한 구조적 보호막을 형성하여 외부 손상으로부터 보호합니다.

세포골격 (Cytoskeleton)

세포 내부의 세포골격(cytoskeleton)은 세포의 형태를 유지하고, 운동과 물질 이동에 중요한 역할을 합니다. 미세소관(microtubules)과 액틴 필라멘트(actin filaments)는 세포골격을 구성하는 주요 요소들로, 세포 내 소기관 이동과 세포 분열을 돕습니다.

• 예시: 미세소관은 세포 분열에서 염색체를 분리하는 데 중요한 역할을 하며, 액틴 필라멘트는 세포막의 형태를 유지하고 세포 이동에 기여합니다.

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운반 단백질 (Transport Proteins)

운반 단백질은 물질을 세포 내외 또는 혈액과 같은 체액을 통해 이동시키는 역할을 합니다. 이러한 단백질은 세포막을 통과하는 물질을 운반하거나, 산소와 같은 중요한 분자를 생체 내에서 운반하는 데 필수적입니다.

헤모글로빈 (Hemoglobin)

헤모글로빈은 적혈구 내에서 산소를 운반하는 단백질입니다. 헤모글로빈은 산소 분자와 결합하여 폐에서 조직으로 산소를 운반하고, 조직에서 이산화탄소를 받아 다시 폐로 운반합니다. 헤모글로빈은 산소와의 결합 능력이 매우 뛰어나며, 이로 인해 산소가 효율적으로 체내 순환될 수 있습니다.

막 단백질 (Membrane Proteins)

막 단백질은 세포막을 통해 이온, 영양소, 물과 같은 물질을 세포 내부로 운반합니다. 채널 단백질(channel proteins)과 수송체 단백질(transporters)은 능동 수송(active transport)과 수동 수송(passive transport)을 통해 물질이 세포 내외로 이동할 수 있도록 돕습니다.

• 예시: 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump)는 세포 내부의 이온 균형을 유지하여 세포 기능을 정상적으로 유지합니다.

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신호 전달 단백질 (Signaling Proteins)

신호 전달 단백질은 세포 간 또는 세포 내부에서 정보를 전달하여 세포 반응을 조절하는 역할을 합니다. 이 단백질들은 주로 신호 분자 또는 수용체로 작용하여 세포 내 신호 전달 경로를 활성화하거나 억제합니다.

수용체 단백질 (Receptor Proteins)

수용체 단백질은 세포막 또는 세포 내에 위치하며, 신호 분자(예: 호르몬, 뉴로트랜스미터)와 결합하여 세포 반응을 유도합니다. 신호 분자가 수용체에 결합하면 세포 내 신호 전달 경로가 활성화되어, 세포가 특정 환경 변화에 대응할 수 있도록 합니다.

• 예시: G-단백질 연결 수용체(GPCR)는 세포 외부의 신호를 세포 내부로 전달하여 호르몬 반응이나 감각 자극을 처리합니다.

호르몬 (Hormones)

호르몬은 내분비계에서 분비되는 신호 전달 단백질로, 특정 세포나 기관에 신호를 전달하여 대사, 성장, 생리적 반응을 조절합니다.

• 예시: 인슐린은 혈당을 낮추고, 성장호르몬은 신체 성장과 발달을 조절합니다.

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면역 단백질 (Immune Proteins)

면역 단백질은 면역 반응에서 중요한 역할을 하며, 외부 침입자인 병원체나 바이러스에 대해 방어 기작을 수행합니다. 항체(antibodies)와 보체 단백질(complement proteins)이 대표적인 면역 단백질로, 이들은 체내에서 면역 기능을 강화합니다.

항체 (Antibodies)

• 항체(면역글로불린, immunoglobulins)는 병원체의 항원과 결합하여 이들을 무력화하고, 다른 면역 세포가 이를 인식하고 제거할 수 있도록 돕습니다. 항체는 특정 항원에 대해 매우 특이적으로 결합하며, 체액 면역 반응에서 핵심적인 역할을 합니다.
• 예시: IgG 항체는 바이러스와 박테리아에 대한 방어를 제공하며, 기억 면역을 통해 재감염에 빠르게 대응할 수 있습니다.

보체 단백질 (Complement Proteins)

보체 단백질은 면역 반응에서 병원체를 식균작용으로 제거하는 데 도움을 줍니다. 이들은 항체와 함께 작용하여 병원체 표면에 결합한 후, 구멍을 형성해 병원체를 파괴하거나 식세포가 이를 더 쉽게 처리할 수 있도록 만듭니다.

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단백질의 번역 후 변형 (Post-translational Modifications)

번역 후 변형(PTM, Post-translational Modification)은 단백질이 합성된 후 발생하는 화학적 변형을 의미하며, 이 과정은 단백질의 활성, 기능, 안정성 및 세포 내 위치를 조절하는 중요한 메커니즘입니다. 이러한 변형은 단백질이 특정 기능을 수행하는 데 필수적이며, 세포 내 신호 전달, 유전자 발현, 단백질 분해 등의 중요한 생명 현상을 조절하는 데 관여합니다.

번역 후 변형의 주요 유형으로는 인산화, 유비퀴틴화, 아세틸화, 메틸화, 글리코실화 등이 있습니다. 각 변형은 특정한 효소에 의해 촉진되며, 다양한 생리적 기능에 영향을 미칩니다.

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인산화 (Phosphorylation)

인산화는 단백질의 세린(Serine), 트레오닌(Threonine) 또는 티로신(Tyrosine)과 같은 특정 아미노산 잔기에 인산기(PO₄³⁻)가 부착되는 과정입니다. 이는 단백질 기능 조절의 중요한 기작 중 하나로, 주로 세포 신호 전달 경로에서 중요한 역할을 합니다.

인산화 과정

• 단백질 인산화효소(kinase): 인산화 과정에서 단백질 인산화효소(kinase)가 ATP로부터 인산기를 떼어내 단백질의 특정 아미노산에 결합시킵니다.
• 단백질 탈인산화효소(phosphatase): 반대로, 탈인산화 과정은 단백질 탈인산화효소에 의해 단백질에 붙어 있는 인산기를 제거하는 반응입니다. 이를 통해 단백질의 활성화와 비활성화가 조절됩니다.

인산화의 기능

• 활성화 또는 비활성화: 단백질이 인산화되면 구조 변화가 일어나면서 단백질이 활성화되거나 비활성화될 수 있습니다. 특히 효소나 수용체의 경우, 인산화가 활성 부위의 구조를 변화시켜 효소 반응을 촉진하거나 억제할 수 있습니다.
• 신호 전달 경로 조절: MAPK 경로나 PI3K/Akt 경로와 같은 주요 세포 신호 전달 경로에서 인산화는 신호 전달 단백질 간의 상호작용을 조절하며, 이를 통해 세포의 성장, 분화, 사멸 등의 생리적 과정을 조절합니다.
• 세포 주기 조절: 인산화는 세포 주기의 각 단계에서 중요한 단백질들을 활성화하여 세포 분열을 조절합니다.
• 예시: EGF 수용체는 인산화 과정을 통해 세포 성장 신호를 전달하며, 이 과정이 조절되지 않으면 암과 같은 질병이 발생할 수 있습니다.

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유비퀴틴화 (Ubiquitination)

유비퀴틴화는 작은 단백질인 유비퀴틴(ubiquitin)이 표적 단백질에 결합하는 번역 후 변형입니다. 유비퀴틴화는 단백질을 프로테아좀(proteasome)으로 표적화하여 분해하는 신호로 작용하거나, 비분해성 역할을 통해 다양한 세포 기능을 조절할 수도 있습니다.

유비퀴틴화 과정

• 유비퀴틴 연결 효소(E3 ligase): 유비퀴틴화는 여러 단계를 거쳐 이루어지며, E1 활성화 효소, E2 운반 효소, E3 연결 효소가 유비퀴틴을 단백질에 연결하는 반응을 촉매합니다. 이 과정에서 E3 연결 효소가 특정 단백질을 인식하여 유비퀴틴을 단백질에 결합시킵니다.
• 폴리유비퀴틴화(polyubiquitination): 단일 유비퀴틴뿐만 아니라, 여러 개의 유비퀴틴이 연쇄적으로 단백질에 결합하는 경우, 이는 보통 단백질이 프로테아좀에 의해 분해되는 신호로 작용합니다.

유비퀴틴화의 기능

• 단백질 분해: 폴리유비퀴틴화된 단백질은 26S 프로테아좀에 의해 분해되며, 이를 통해 세포 내 손상된 단백질이나 필요 없는 단백질을 제거합니다. 이 과정은 세포의 정상 기능 유지에 필수적입니다.
• 비분해성 유비퀴틴화: 일부 유비퀴틴화는 단백질의 기능 조절이나 세포 내 위치 이동을 촉진하는 비분해성 역할을 합니다. 예를 들어, 유비퀴틴화된 단백질이 특정 세포소기관으로 이동하거나 신호 전달을 조절할 수 있습니다.
• 예시: 세포 주기 조절에 관여하는 단백질인 사이클린(cyclin)은 유비퀴틴화되어 세포 주기 진행이 필요 없을 때 프로테아좀에 의해 분해됩니다.

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아세틸화 (Acetylation)

아세틸화는 단백질의 라이신(lysine) 잔기에 아세틸기(-COCH₃)가 부착되는 과정으로, 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 합니다. 아세틸화는 주로 히스톤 단백질에서 일어나며, 염색질 구조와 전사 활성에 영향을 미칩니다.

아세틸화의 과정

• 히스톤 아세틸전이효소(HATs, Histone Acetyltransferases)는 히스톤 단백질의 라이신 잔기에 아세틸기를 부착하여, 히스톤과 DNA 간의 전기적 상호작용을 약화시킵니다. 이는 염색질 구조를 느슨하게 하여 전사 인자가 유전자에 접근할 수 있게 만듭니다.
• 히스톤 탈아세틸화효소(HDACs, Histone Deacetylases)는 반대로 아세틸기를 제거하여 염색질을 다시 압축하고, 유전자 발현을 억제합니다.

아세틸화의 기능

• 유전자 발현 활성화: 히스톤 아세틸화는 염색질 구조를 풀어 주어 RNA 중합효소와 전사 인자가 DNA에 결합할 수 있도록 해 유전자 발현을 촉진합니다.
• 비히스톤 단백질 아세틸화: 아세틸화는 히스톤 외에도 다양한 비히스톤 단백질에서 발생할 수 있으며, 세포 성장, 대사 조절, 신호 전달 등 다양한 생리적 과정에 영향을 미칩니다.
• 예시: p53 단백질은 아세틸화되어 세포 주기 정지와 세포 사멸을 촉진하는 기능을 강화합니다.

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메틸화 (Methylation)

메틸화는 단백질의 라이신(lysine)이나 아르지닌(arginine) 잔기에 메틸기(-CH₃)가 부착되는 과정입니다. 단백질 메틸화는 유전자 발현과 에피제네틱(epigenetic) 조절에서 중요한 역할을 하며, 세포 신호 전달에도 영향을 미칩니다.

메틸화의 과정

• 메틸전이효소(methyltransferase)는 단백질의 특정 아미노산에 메틸기를 부착하는 효소입니다. 메틸화는 단일, 이중, 삼중 메틸화가 가능하며, 이러한 변형은 단백질 기능에 정교한 조절을 제공합니다.

메틸화의 기능

• 유전자 발현 억제: 히스톤 메틸화는 염색질을 더 응축된 상태로 만들어 전사 인자가 DNA에 결합하는 것을 막아 유전자 발현을 억제합니다.
• 특정 유전자 활성화: 메틸화가 특정 위치에서 일어나는 경우, 유전자 발현을 촉진할 수도 있습니다.
• 신호 전달 조절: 일부 단백질의 메틸화는 신호 전달 경로에서 중요한 역할을 하여 세포 생리학적 변화를 조절합니다.
• 예시: 히스톤 3의 라이신 9 메틸화(H3K9me)는 유전자 발현 억제와 관련이 있으며, 염색질 리모델링을 통해 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 합니다.

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기타 번역 후 변형 (Other Post-translational Modifications)

글리코실화 (Glycosylation)

 

글리코실화는 단백질에 당이 부착되는 변형으로, 단백질 안정성, 세포 간 상호작용, 면역 반응 조절에 중요한 역할을 합니다. N-글리코실화와 O-글리코실화가 대표적인 유형입니다.

• N-글리코실화: 단백질의 아스파라긴(Asparagine)에 당을 부착.
• O-글리코실화: 세린(Serine) 또는 트레오닌(Threonine)에 당을 부착.

S-니트로실화 (S-nitrosylation)

S-니트로실화는 단백질의 시스테인(Cysteine) 잔기에 질소 산화물(NO)이 부착되는 과정으로, 주로 세포 신호 전달과 혈관 확장에 중요한 역할을 합니다.

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단백질 구조와 질병 (Protein Structure and Disease)

단백질 구조는 그 기능에 직접적으로 영향을 미치며, 단백질이 정상적으로 접히거나 변형되는 과정에서 문제가 발생할 경우 다양한 질병이 나타날 수 있습니다. 유전적 돌연변이, 잘못된 접힘(misfolding), 그리고 비정상적 변형으로 인해 단백질이 제 기능을 수행하지 못하게 되면, 세포 기능 장애 및 질병으로 이어질 수 있습니다. 이러한 단백질 구조와 관련된 질병은 유전적, 환경적 요인에 의해 발생할 수 있으며, 단백질 접힘 질환, 유전적 질병, 퇴행성 신경질환 등이 있습니다.

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변형된 단백질과 질병 (Mutated Proteins and Diseases)

단백질 구조에 유전적 돌연변이가 생기면, 단백질의 아미노산 서열에 변화가 생기고, 그 결과 기능적 결함이 발생할 수 있습니다. 단일 아미노산 치환이나 서열 결손은 단백질의 접힘과 안정성에 영향을 주며, 그로 인해 질병이 발생합니다. 이러한 유전적 돌연변이는 다양한 질병을 유발하는 핵심적인 요인 중 하나로 작용합니다.

낫형 적혈구 빈혈 (Sickle Cell Anemia)

• 낫형 적혈구 빈혈은 헤모글로빈 단백질에 발생한 단일 아미노산 변이로 인해 발생하는 유전 질환입니다. 정상적인 헤모글로빈 단백질에서는 글루탐산(Glutamic acid)이 존재하지만, 돌연변이에 의해 이 위치가 발린(Valine)으로 대체됩니다. 이 작은 변화는 헤모글로빈이 비정상적인 섬유 구조를 형성하게 하며, 적혈구가 낫 모양으로 변형됩니다.
• 변형된 적혈구는 산소를 효율적으로 운반하지 못하며, 혈관을 통과하는 과정에서 서로 응집되어 혈류를 차단할 수 있습니다. 이로 인해 환자는 빈혈, 통증, 혈전 및 장기 손상을 경험하게 됩니다.

파브리병 (Fabry Disease)

• 파브리병은 특정 라이소좀 효소의 결핍으로 인해 발생하는 유전적 대사 질환입니다. 이 효소는 지방을 분해하는 역할을 하며, 결핍 시 지질이 세포에 축적되어 세포 기능 장애와 손상을 유발합니다. 이 질병은 신경계, 심혈관계, 신장 등에 영향을 미치며, 유전자 돌연변이로 인해 효소의 기능적 변형이 일어나는 것이 원인입니다.

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프리온 질환 (Prion Diseases)

프리온 질환은 잘못 접힌 단백질이 다른 정상 단백질을 전염성으로 변형시키면서 발생하는 퇴행성 신경질환입니다. 프리온(prion)은 잘못 접힌 단백질이 자기복제를 하며, 전염성을 띠어 신경계에 치명적인 손상을 초래합니다. 이러한 질병은 고유의 돌연변이 없이도 질병을 유발할 수 있어, 유전자 외적 전염이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다.

크로이츠펠트-야코병 (Creutzfeldt-Jakob Disease, CJD)

• 크로이츠펠트-야코병은 프리온 질환의 일종으로, 잘못 접힌 프리온 단백질이 정상 프리온 단백질을 변형시키면서 뇌에 스펀지처럼 구멍을 만듭니다. 이로 인해 뇌가 퇴행성 손상을 입으며, 운동 실조, 인지 장애, 기억 상실 등이 나타납니다.
• 프리온 단백질이 신경계에서 비정상적인 응집체를 형성하여, 신경세포가 파괴되고 신경 조직에 구멍이 생깁니다. 이 질병은 치명적이며, 빠른 진행으로 인해 발병 후 몇 개월 내에 사망에 이를 수 있습니다.

광우병 (Bovine Spongiform Encephalopathy, BSE)

• 광우병은 소에서 발생하는 프리온 질환으로, 감염된 고기를 통해 인간에게 변종 크로이츠펠트-야코병(vCJD)이 전염될 수 있습니다. 이 질병은 비정상적인 프리온 단백질이 축적되어 발생하며, 감염된 소의 신경 조직을 통해 전염됩니다.
• 인간에게 전염되면 정신 착란, 기억 상실, 신경 퇴행 등의 증상이 나타나며, 인간의 뇌에도 심각한 손상을 일으킵니다.

프리온 질환의 메커니즘

• 정상 단백질은 α-나선(α-helix) 구조를 가지고 있지만, 프리온 질환에서는 이 구조가 비정상적으로 β-병풍(β-sheet) 형태로 변형됩니다. 이 비정상적인 구조는 자기복제를 통해 주변 정상 단백질도 같은 구조로 변형시키고, 이 과정에서 신경 조직에 독성을 일으킵니다.

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단백질 관련 질병 (Protein-related Diseases)

다양한 질병에서 단백질 구조와 기능 장애가 중요한 역할을 합니다. 잘못 접힌 단백질, 변형된 단백질 또는 비정상적인 응집체가 생기면, 이는 신체의 정상적인 생리적 과정을 방해하며 질병을 유발할 수 있습니다. 여기서는 대표적인 단백질 관련 질병 몇 가지를 살펴봅니다.

알츠하이머병 (Alzheimer's Disease)

• 알츠하이머병은 베타 아밀로이드(beta-amyloid) 단백질이 잘못 접혀 아밀로이드 플라크라는 응집체를 형성하는 퇴행성 신경질환입니다. 이 응집체는 뇌의 신경 세포 사이에 축적되어 신경 신호 전달을 방해하고, 신경 세포 손상을 초래합니다.
• 타우(tau) 단백질도 비정상적으로 인산화되어 신경섬유 엉킴(neurofibrillary tangles)을 형성하며, 이 역시 신경 세포 기능을 저하시킵니다. 알츠하이머병은 기억 상실, 인지 능력 저하와 같은 증상을 동반하며, 결국 신경 세포 사멸로 이어집니다.

파킨슨병 (Parkinson's Disease)

• 파킨슨병은 알파-시누클레인(alpha-synuclein)이라는 단백질이 잘못 접혀 루이 소체(Lewy bodies)라는 응집체를 형성하는 질환입니다. 이 응집체는 도파민을 생성하는 신경 세포에 손상을 입혀, 운동 기능 장애를 일으킵니다.
• 파킨슨병은 떨림, 느린 운동, 근육 경직 등의 증상을 유발하며, 시간이 지나면서 신경 퇴행이 심화됩니다. 도파민 결핍으로 인한 운동 제어 문제와 함께, 인지 장애 및 정신 건강 문제도 발생할 수 있습니다.

헌팅턴병 (Huntington's Disease)

• 헌팅턴병은 헌팅틴 단백질(huntingtin)의 CAG 반복 서열이 비정상적으로 확장되어, 단백질이 잘못 접히고 독성 응집체를 형성하는 유전성 질환입니다. 이러한 비정상적인 헌팅틴 단백질은 신경 세포에 독성을 일으켜, 주로 기저핵을 손상시킵니다.
• 헌팅턴병은 비자발적 운동, 인지 저하, 행동 변화를 유발하며, 시간이 지나면서 신경 퇴행이 점진적으로 진행되는 질병입니다.

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단백질은 생명체의 모든 생화학적 과정에서 핵심적인 역할을 하며, 그 구조적 다양성과 기능적 특성은 생명 유지의 기초가 됩니다. 단백질의 구조와 기능에 대한 이해는 질병의 원인과 치료법을 탐구하는 데 중요한 단서를 제공하며, 생명과학과 의학 연구의 핵심 과제로 자리 잡고 있습니다. 이러한 연구를 통해 우리는 질병의 예방과 치료는 물론, 단백질을 활용한 새로운 기술과 응용 분야를 지속적으로 발전시킬 수 있을 것입니다.