당단백질

단백질 (protein)에 탄수화물이 결합된 물질 

목차

당단백질은 문자 그대로 단백질 (protein)에 탄수화물이 결합한 것을 의미한다. 단백질과 당과의 결합은 광범위하게 일어나며 원형질막의 외부에 존재하는 단백질의 다수는 당단백질 상태로 존재한다. 단백질과 당과의 결합은 주로 소포체 (endoplasmic reticulum)와 골지체에서 연속적인 글리코 전이효소 (glycosyl transferase)의 작용에 의해 일어나며 이 당단백질이 원형질막으로 이동하여 당과 결합한 부분이 세포 밖에 위치하게 된다. 원형질막 단백질 이외에도 분비 단백질 (secretory protein)의 다수가 당단백질 형태로 존재한다. 대표적인 경우가 여포자극 호르몬 (follicle-stimulating hormone, FSH), 황체형성 호르몬 (luteinizing hormone, LH), 갑상선 자극 호르몬 (thyroid-stimulating hormone, TSH), 인체 융모성 성선자극 호르몬 (human chorionic gonadotrophin, HCG), 에리스로포이에틴 (erythropoietin)을 포함한 각종 호르몬, 그리고 장점막 세포에서 분비되는 점액소 (mucin) 등을 들 수 있다.  

단백질에 결합하는 당으로서는 포도당, 갈락토스, 만노스, 퓨코스, 아세틸갈락토사민, 아세틸글루코사민, 시알산, 자일로스 등이 있다. 

단백질의 당화는 적절한 접힘 (folding)을 하게 하고 응집을 막아서 단백질의 정확한 기능 수행 및 세포-세포 간 상호 작용, 물질 수송, 당과의 상호 작용, 수용체로서의 기능, 단백질의 적절한 접힘 및 입체 구조의 유지, 호소로서의 기능, 단백질 구조 유지, 세포막 보호 기능, 호르몬으로서의 작용 등에 중요한 역할을 한다. 선천적으로 당단백질의 형성에 장애가 있는 경우 선천성 당화 이상 (congenital disorder of glycosylation, CDG) 으로 신경-근육계 등의 장애로 중증의 질환을 야기할 수 있다. 세포에서 단백질의 당화를 인위적으로 억제하면 단백질의 접힘 이상으로 비접힘단백질 반응 (unfolded protein response, UPR)이 일어나게 되고 심한 경우 세포 사멸로 진행한다 (1, 2).   

단백질의 당화 (glycosylation)의 종류에는 아래와 같은 것이 있다.  

당이 주로 아스파라진의 측쇄에 존재하는 N 분자에 결합한다. N-당화의 경우에 붙는 공통의 구조는 핵심 올리고당 (core oligosaccharide)이라고 하며 2 개의 N-아세틸글루코사민 (N-acetylglucosamine)과 3 개의 만노스로 구성되어 있다. N-당화는 tunicamycin에 의해 억제된다 (그림 1).

그림 1. 당단백질의 구조. N-아세틸글루코사민과 만노스로 이루어진 핵심 올리고당이 단백질의 아스파라진 (Asn)의 측쇄 N 기에 결합되어 N-당화가 일어난다 (출처, Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glicoprotein.svg). 

당이 주로 세린, 트레오닌의 O 분자에 결합한다. 이외에도 하이드록시 리신 또는 하이드록시 프롤린의 O 분자에 결합하는 경우도 있다. O-당화는 tunicamycin에 의해 억제되지 않는다.

당이 주로 인산화세린의 인산기에 결합한다. 

당이 주로 트립토판의 C 분자에 결합한다. 

당화포스파티딜이노시톨 (Glycosylphosphatidylinositol, GPI) 당지질을 단백질에 결합시켜 당단백질 결합을 유도한다.

위와 같은 정상적이고 생리적인 당단백질 이외에 비정상적인 당단백질이 형성되는 경우도 있다. 당뇨병에서는 혈중 포도당치가 높으며 포도당이 헤모글로빈, 알부민 등에 효소의 작용 없이 결합하여 당화 헤모글로빈, 당화 알부민 등을 형성한다. 이 과정은 최근의 많은 연구에 의해 소상히 생화학적 기전이 규명되었다. 혈당이 높으면 포도당과 헤모글로빈, 알부민 등의 단백질 중 리신의 e-아미노기 사이에 비효소적 반응이 일어난다. 우선 알디만 (aldimine) 등의 Schiff 염기가 형성되고 이는 아마도리 변환 (Amadori rearrangement)을 통하여 케토아민 (ketoamine)이 된다. Schiff 염기의 형성은 가역적 반응이지만 케토아민이 형성되면 비가역적 상태가 된다. 비가역적 반응을 통하여 안정화된 케토아민은 고성능 액체 크로마토그래피 (high-performance liquid chromatography, HPLC) 등을 통하여 전기영동상의 운동성 (electrophoretic mobility)이 증가한 당화 헤모글로빈 (glycated hemoglobin) 또는 hemoglobin A1c로 측정하든지 또는 면역 분석법, 효소 분석법을 이용하여 측정할 수 있다. 이는 당뇨병에서 병의 치료 경과를 관찰하는 좋은 지표로 사용된다. 즉 혈당이 높으면 당화 헤모글로빈치가 상승하므로 혈당 조절이 잘 되는지를 알 수 있다. 또한 보통의 혈당 측정은 측정 시점의 혈당 조절이 잘 되는가를 보여주지만 당화 헤모글로빈치는 적혈구 상의 헤모글로빈에 비가역적 변화가 일어난 것이므로 적혈구의 수명이 다할 때까지 그 변화가 유지된다. 따라서 현시점에서의 혈당 조절만이 아니라 지난 3개월간 혈당 조절이 잘 되었는가를 알 수 있다. 즉 당뇨병 환자가 내원하였을 때 그동안 혈당 조절을 잘 안 하다가 병원 내원 시만 조심하고 투약, 인슐린 주자를 잘 해서 최근 몇 일간만 좋아진 것인지, 지난 3개월간 꾸준히 치료/조절을 잘 한 것인지를 알 수 있게 된다.

단백질 (protein), 탄수화물 (carbohydrate), 당화 (glycosylation).

1) Spiro RG. Glucose residues as key determinants in the biosynthesis and quality control of glycoproteins with N-linked oligosaccharides. J Biol Chem 275: 35657-60. 2000

2)    Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p 1057-1061.