올리고당

올리고당은 적은 수의 단당류(2-10개)를 포함한 당 고분자이다.^1)2)3)4) 일반적으로 올리고당은 글리칸(glycan) 형태로 존재하며, 이들은 지방 또는 단백질의 아미노산 곁가지와 연결된 형태로, 일반적으로 N연결되거나, O-연결된 올리고당의 두가지 형태로 발견된다. N-연결된 올리고당은 곁가지에 있는 아민질소의 베타 결합을 통해 아스파라긴에 부착되어 발견된다.⁵⁾ O-연결된 올리고당은 일반적으로 트레오닌(threonine) 또는 세린(serine)기의 곁가지 알콜 그룹에 부착되어 있다. 올리고당은 세포인지와 세포결합을 포함한 많은 기능을 한다.

목차

글리코실화 반응은 탄수화물이 유기 분자에 공유결합하는 것으로 당단백질과 당지질을 생성할 때 일어난다.⁵⁾

N-연결된 글리코실화 반응은 올리고당을 아스파라긴의 곁가지 아민 질소에 부착시키는 과정을 포함한다.⁶⁾ 이 과정은 단백질이 번역될 때 동시에 일어남으로써 이 때 결합된 올리고당의 친수성이 당단백질의 3차 구조 형성에 도움을 줄 것으로 생각된다. 모든 N-연결된 올리고당은 다섯개 단당류 길이를 가지는 펜타-사카라이드(pentasaccharide)로 알려져 있다. 진핵생물의 N-글리코실화 반응은 소포체 막에서 진행되는 반면, ⁷⁾ 원핵생물에서는 세포막(plasma membrane)에서 일어난다. 두 생물 모두에서 수용체는 아스파라긴 잔기들이다. N-연결된 올리고당은 아스파라긴(asparagine)-X-세린/트레오닌 순서의 단백질 배열에서 아스파라긴 잔기에 연결된다.⁶⁾ X는 특정 아미노산인데 프롤린(proline)을 제외한 아미노산이다.

N-연결된 올리고당(출처:https://commons.wikimedia.org)

O-연결된 글리코실화 반응은 올리고당이 단백질의 트레오닌과 세린의 히드록실기 (hydroxyl group, -OH)에 부착된다.⁶⁾ O-연결된 글리코실화 반응은 골지체에서 일어나는데 단당류가 완전한 구조를 가진 단백질에 부착되며, 세포 표면과 세포 밖에 존재하는 단백질들에서 O-연결된 글리코실화 반응이 일어난다.⁸⁾ O-연결된 글리코실화 반응은 글리코실트랜드퍼레이즈(glycosyltransferase)에 의해 진행되며, 단백질의 2차와 3차 구조에 올리고당이 결합된다.

O-연결된 올리고당(출처:https://commons.wikimedia.org)

당단백질과 당지질은 당이 단백질 혹은 지질에 공유결합으로 연결되어 있는 형태이다. 이들은 세포 표면에 아주 풍부하고 세포의 전반적인 안정성에 기여한다.

당단백질은 폴리펩티드 측쇄에 공유결합된 올리고당 사슬(글리칸)을 함유하는 단백질이다.⁹⁾ 당은 단백질 생성 중에(cotranslational) 또는 단백질 생성 후(posttranslational)에 단백질에 부착되며 이 과정을 당화(glycosylation)라고 한다. 세포 밖으로 분비되는 단백질도 종종 글리코실화된다. 독특한 올리고당 구조를 갖는 당단백질은 항원성, 용해도, 단백질분해효소에 대한 저항성 등과 같은 중요한 기능을 세포에서 수행한다. 또한 당단백질은 세포표면 수용체, 세포접착 분자, 면역글로불린, 암세포 항원으로도 역할을 한다.¹⁰⁾¹¹⁾

당단백질의 아스파라긴 잔기(아스파라긴(asparagine)-X-세린(serine)/트레오닌(threonine) 모티프)에서 N-연결된 단백질 당질화 (N-글리칸의 N-글리코실화)(출처:서미정)

당지질은 글리코시드 결합에 의해 부착된 탄수화물 지질이다. 당지질은 일반적으로 막의 인지질 이중층에 존재하며, 세포 인식과 세포 신호전달을 위한 수용체로서 기능을 한다. 올리고당의 머리 부분은 수용체 활동에서 결합부위로 역할한다.¹²⁾ 당수용체에 결합하는 기작은 생물체에 따라 매우 다양하며, 세포막 밖에 존재하는 당 성분이 중요하다. 특히 당지질 결합 기작은 병원균의 특정 세포내 유입과도 밀접한 관련이 있다.¹³⁾ 예를 들어, 당지질의 샤페론 활성과 HIV 감염과의 상관성이 보고된 바 있다.

당지질(출처:서미정)

모든 세포들은 세포 유형을 결정짓는데 도움을 주는 당단백질 또는 당지질로 덮여있다.⁶⁾ 렉틴(lectin) 또는 탄수화물과 결합해있는 단백질은 특정한 올리고당을 인식하고, 올리고당 결합에 기초한 세포 인식을 위한 유용한 정보를 제공한다. 올리고당 세포 인식의 중요한 예는 혈액형을 결정짓는 당지질의 역할이다. 다양한 혈액형 유형들은 혈구세포 표면에 존재하는 글리칸의 변형 형태에 따라 구별될 수 있으며, 이는 질량 분석기를 사용하여 도식화 할 수 있다.¹⁴⁾ A, B형, 그리고 H항원(O형 타입 혈액형)은 올리고당 비환원 말단에 작용한다. H항원은(이는 혈액형 O형을 말함) A, B항원의 전구체로 역할을 한다.⁶⁾ 그러므로 A형인 사람은 A항원과 H항원이 혈구세포 세포막 당지질에 존재한다. AB형인 사람은 A, B, H항원을 갖으며, O형인 사람은 오직 H항원만 갖는다. 이는, 모든 혈액형이 H항원을 갖는 것을 의미하고 왜 O형이 일반적인 기증자(universal donor)인지를 설명해준다.

많은 세포들은 렉틴으로 알려진 특정 당단백질을 생성하는데, 이는 올리고당과 함께 세포 접합(adhesion)을 매개한다.¹⁵⁾ 내피세포의 백혈구의 셀렉틴(렉틴의 종류중 하나)은 세포-세포 접합 과정을 매개한다. 면역반응에서, 내피세포는 공격이나 상처에 대응하여 특정한 셀렉틴을 일시적으로 표출시킬 수 있다.⁶⁾ 셀렉틴-올리고당 두 분자 사이의 상호 결합 작용은 백혈구 세포가 감염 및 손상을 제거시키는 것을 돕는다. 단백질-탄수화물 결합은 종종 수소결합 및 반데르발스 힘에 의해 매개된다.

세포고정(출처:서미정)

모유 수유는 출생 후에 HIV-1 전달에 매우 큰 영향을 미치는 요소이다.¹⁶⁾ 그러나 대부분 모유 수유를 받은 아기들은 감염된 모체로부터 바이러스를 자가 반응으로 줄이지 못한다. 모유에 들어있는 특정한 글리칸들은 HIV-1 표면 당단백질 gp120과 경쟁하여 실제로 HIV-1 이동을 억제시킨다. 모유는 아주 높은 양의 복잡한 올리고당을 포함하는데 이는 다양한 루이스 항원 글리칸을 운반시킨다. 인간 모유의 올리고당(HMOs)은 gp120과의 결합을 줄여주고 이는 모체로부터 아이로의 HIV-1 이동을 저지시키는 결과를 가져온다.

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