펩타이드

펩타이드는 몇 개의 아미노산이 펩타이드 결합을 통해 서로 연결된 물질이며 가장 짧은 펩타이드는 두 개의 아미노산이 하나의 펩타이드 결합으로 연결된 다이펩타이드(dipeptide)이다. 아미노산 3개로 이루어진 펩타이드는 트라이펩타이드(tripeptide)이며 아미노산 4개로 이루어지면 테트라펩타이드(tetrapeptide)라고 부른다. 폴리펩타이드(polypeptide)는 많은 숫자의 아미노산이 연결된 펩타이드 사슬로서 단백질이 이 범주에 해당한다. 펩타이드와 단백질은 크기를 기준으로 구분하고 있으며 일반적으로 약 50개 미만의 아미노산을 포함하고 있으면 펩타이드로 부르는 경향이 있다.¹⁾ 단백질은 하나 이상의 폴리펩타이드가 생물학적 기능을 수행할 수 있도록 적절한 삼차 구조를 형성하고 있으며 조효소(coenzyme)나 보조인자(cofactor)가 결합하거나 다른 단백질이나 DNA, 또는 RNA와 결합하여 복잡한 생체고분자를 형성하기도 한다.

목차

펩타이드 구조식. 4개의 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결된 테트라펩타이드(tetrapeptide)를 보여주고 있다. R 그룹에 존재하는 화학 구조에 따라 아미노산의 종류가 결정된다. ()

펩타이드 결합은 한 아미노산의 아미노기(―NH₂)와 또 다른 아미노산의 카복실기(―COOH) 사이에서 물 분자가 빠져나오는 축합 반응(condensation reaction)을 통하여 형성된다. 펩타이드 결합은 질소와 카보닐기 사이에 공명 구조를 가지고 있으며 이러한 이중 결합의 특성 때문에 일반적인 C-N 단일 결합보다 단단하고 강하다. 펩타이드 결합을 포함하는 가장 대표적인 생체 물질로는 인슐린(insulin), 글루카곤(glucagon) 등의 펩타이드 호르몬이 있으며 나일론은 헥사메틸렌다이아민(hexamethylenediamine)이 펩타이드 결합으로 연결된 대표적인 합성 고분자 물질이다.

아미노산 축합반응. 2개의 아미노산이 축합반응을 통하여 펩타이드 결합으로 연결되고 물이 생성됨. ()

화학적인 펩타이드의 합성 방법에는 액상(solution-phase) 방법과 고상(solid-phase) 방법이 있다. 액상 합성 방법은 시약과 재료의 비용이 적게 드는 장점이 있지만, 정제가 어려운 단점이 있고, 긴 사슬의 펩타이드 합성에는 많은 시간과 노력이 든다는 문제점이 있다. 이러한 난관을 극복한 기술이 1963년 브루스 메리필드 (Bruce Merrifield)에 의해 고안된 고상 합성 방식(Solid Phase Peptide Synthesis)이며²⁾ 펩타이드를 분리, 정제할 수 있는 크로마토그래피(chromatography) 기술과 함께 펩타이드 합성 기술 발전과 펩타이드의 상업적인 대량 생산에 크게 기여하였다.

생명체에서는 효소를 촉매로 사용하여 아미노산 사이의 축합 반응을 수행하여 펩타이드를 생산한다. 길이가 긴 아미노산 사슬인 폴리펩타이드는 1-2개의 효소 반응에 의해 펩타이드가 생산되지 않고 RNA 로부터 리보솜 단백질 복합체와 많은 종류의 단백질 인자들을 활용하여 높은 효율과 빠른 속도로 아미노산 사이의 펩타이드 결합을 만든다.

두 개의 아미노산이 펩타이드가 되는 과정에서 합성보다는 가수분해되는 쪽이 열역학적으로 더 안정하기 때문에 펩타이드 결합의 생합성에는 에너지의 투입이 필요하다. 그러나, 펩타이드 결합은 동역학적으로 매우 안정하여 촉매가 없이 수용액에서 펩타이드 결합이 분해되는 데에는 몇백 년 이상의 시간이 걸릴 수 있다. 생체에서는 펩티데이스(peptidase) 또는 프로티에이스(protease) 등의 효소에 의해 빠른 시간에 가수분해 반응이 이루어진다.

펩타이드 호르몬 인슐린 주사제. 대표적인 펩타이드 호르몬인 인슐린을 제1형 당뇨병 치료제로 사용하기 위한 주사제 ()

세포 및 조직에 작용하여 생리작용을 일으키는 펩타이드를 생리활성 펩타이드(bioactive peptide)라고 부른다. 생리활성 펩타이드에는 펩타이드성 호르몬 (hormone) 및 세포성장 인자(growth factor), 신경전달물질 (neurotransmitter), 항균 펩타이드(antimicrobial peptide) 등이 있으며 이들의 약리 작용을 의약품으로 활용하고자 하는 노력이 꾸준히 이루어지고 있다. 펩타이드는 물과 잘 결합하여 보습 효과가 뛰어나고, 일정 기간 효과를 발휘한 후 아미노산으로 분해되었을 때 부작용의 우려가 크지 않아 고기능성 화장품 원료로서도 큰 주목을 받고 있다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고 생체 내 흡수가 잘되지 않고 혈중에서도 쉽게 분해가 되는 등, 구조적 안정성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 또한, 제조 비용이 다른 저분자 물질에 비해 비싸기 때문에 가격 경쟁력 측면에서 약점을 가지고 있기도 하다. 생리활성 펩타이드의 구조와 기능에 관한 연구를 바탕으로 이러한 단점을 극복하고자 하는 펩타이드 공학(peptide engineering) 기술이 최근 빠르게 발전하고 있다. 자연에 존재하는 생리활성 펩타이드를 개선하여 약효 및 안정성이 뛰어난 펩타이드를 제작할 수 있다면 항생제, 각종 질환 치료제, 백신 및 식품 보존제 등의 개발에 크게 기여할 수 있을 것이다.

1. 'Peptides vs Proteins'
2. 'R. B. Merrifield (1963). 'Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide'. J. Am. Chem. Soc. 85 (14): 2149–2154.