아미노산

아미노산은 단백질(펩타이드)을 구성하는 단위이며 염기성 아미노기와 산성 카복실기 모두 포함하는 유기산을 아미노산이라고 말한다. 아미노산은 수용액에서는 양쪽성을 가지고 있다. 카복실기에 이웃한 아미노기를 가지며 단백질을 구성하는 알파-아미노산은 25개가 알려져 있다. 

아미노산 중 필수 아미노산은 체내에서 합성할 수 없기 때문에 생존하기 위해 음식물로부터 섭취하여야 한다. 음식에서 얻은 아미노산은 수용성이기에 특별한 수송계가 필요하지 않다. 필수 아미노산은 아이소루신, 루신, 페닐알라닌, 라이신, 메싸이오닌, 트레오닌, 트립토판, 발린이다. 비필수 아미노산인 경우에는 알라닌, 아스파라진, 아스파트산, 글루탐산, 글루타민, 글리신, 프롤린, 세린, 티로신이 있다. 아르지닌과 히스티딘은 성장 기간에 꼭 필요하다. 필수 아미노산 모두와 비필수 아미노산 대부분은 한 개 이상의 비대칭 탄소 원자를 가져 광활성을 보여 준다.

목차

α-아미노산은 비휘발성 백색 결정성 화합물로 확정된 녹는점 대신 250-300 °C에서 분해된다. 이러한 성질은 아미노산의 안정한 쯔비터 이온 형성에 기인한다. 적외선이나 라만 분광학적 자료가 쯔비터 이온 형성을 증명한다. 아미노산은 등전점에서 수용액 용해도가 가장 낮기 때문에 등전점에서 아미노산을 정제하거나 재결정하는 것이 유리하다.

가장 간단한 아미노산 글리신 이외  천연의 알파-아미노산은 카이랄하다. 피셔 투영식에서 카복실산 알파(α)-위치의 아민이 왼편에 위치하면 L-입체화학을 가진다라고 한다. 예를 들면 L-트레오닌의 경우 아미노기의 위치의 입체화학은 입체표시자 L(소대문자)로 표시됨에 따라서 알수는 있지만 베타 위치의 하이드록시기의 입체화학에 대해서는 더 이상의 입체화학 표시가 없다. 정확한 표기는 R/S 입체 표기법(CIP 우선권 표시)이 필요하다. 탄수화물의 D/L 입체 구조의 기준을 글리세르알데하이드로부터 출발하는 것과 유사하게 아미노산 입체 구조는 L-세린으로 생각하여, 예전에는 D/L 입체 표시자를 D_s/L_s처럼 아래첨자 s(serine 의미)로 사용하였다.

아미노산의 예로 알라닌을 들면 pH 7에서는 아민과 카복실기 모두 전하를 띠어 분자 내 양전하와 음전하가 동일한 개수인 쯔비터 이온(zwitter ion, 혹은 베테인,(betain))이 되어 전체 전하가 0이지만, 산도가 커지면 카복실기가 중화되어 아민만 양성자화된 암모늄 이온이 되면서 전체 전하가 +1이 된다. 그러나 염기성 수용액에서는 카복실기는 음이온이고 아민은 유리기로 존재하여 전체 전하가 -1이 된다. 단순 아미노산은 이양성자산이 된다. 이양성자산에 해당되는 pK_a1과 pK_a2의 평형 상수는 각각 1)과 2)식에 해당되는 평형상수이다.

전체 전하가 0인 경우 아미노산은 전기장에서 양극이나 음극 방향으로 이동하지 않는다. 이때의 pH 값을 등전점(isoelectric point, pI)이라 한다. pI=1/2(PK_a1 + pK_a2)가 된다. 다음에 단순 아미노산의 적정 곡선을 보여주고 있다

아미노산 분자 간에 아민기와 카복실기가 축합 반응을 일으켜 물이 제거되면서 아미이드를 형성하는데, 이 아마이드 결합을 펩타이드 결합이라고 부른다. 두 아미노산은 하나의 펩타이드 결합을 통하여 다이펩타이드, 세 아미노산은 두 개의 펩타이드 결합을 통하여 트라이펩타이드를 형성하고 이러한 연속적인 아미노산간의 펩타이드 결합을 통하여 펩타이드 화합물을 형성한다. 이러한 펩타이드를 구성하는 아미노산을 잔기라 한다. 비교적 적은 개수의 아미노산으로 구성된 펩타이드는 올리고펩타이드, 긴 사슬의 펩타이드를 폴리펩타이드라 부른다. 펩타이드의 아미노산 잔기의 개수는 대강 2~50개라고 말한다. 50개보다 많은 아미노산으로 구성되면 펩타이드 대신 단백질이라고 부른다.

펩타이드와 단백질은 아미노산 개수와 화합물의 구조에 따라 이들 사이의 경계는 뚜렷하지는 않다. 예를 들면, Trp 바구니 미니단백질(Trp cage miniprotein, 1L2Y protein data bank code)은 20개의 아미노산 잔기를 가지고 있지만 a-나선 등 일반적인 단백질의 3차 구조를 가지고 있다.

펩타이드 결합은 질소의 비공유 전자쌍과 카보닐기 사이에 공명(resonance)을 가져 카보닐 탄소와 질소 간에 부분적인 이중 결합 성질을 가져 C-N 결합축을 중심으로 한 회전에 에너지 장벽이 생긴다. 또한, 펩타이드 간에 수소 결합이 존재한다. 이러한 이유로 펩타이드 화합물은 구조적으로 견고하다.

펩타이드의 C-N 결합의 이중성으로 시스와 트랜스 이성질체가 존재하는데 안정한 트랜스 이성질체가 시스 이성질체의 100배 정도로 존재한다.

현재 500개 정도의 아미노산이 자연에 존재하지만 유전 암호에 20개[이외에 21번 째로 셀레노시스테인(selenocysteine (Sec)), 22번 째로 피롤라이신(pyrrolysine (Pyl)이 발견되었다]가 나타나고 있다. 22개의 천연 표준 아미노산이 단백질을 구성한다.  아미노산 분류 방법은 다음과 같다.

산성도에 따른 분류 보다 자세한 분류로 곁가지 종류에 따라서 분류한다.

1806년 프랑스 화학자 보클랭(L.N. Vauquelin)과 로비케(P.J. Robiquet)가 최초로 아스파라거스 쥬스로부터 아스파라진을 발견하였으며, 1820년 프랑스 화학자 브라코노 (H. Braconot)가 젤라틴을 황산으로 가수 분해하여 글리신을 발견하였다. 필수 아미노산의 마지막인 트레오닌은 1925년 슈라이버(Schryver)와 버톤(Burton)이 귀리 단백질로부터 분리하였다.

합성은 1850년 슈트레커(Strecker)가 아세트알데하이드, 암모니아와 사이안화 수소를 사용하여 알라닌을 합성하였다. 에셔(Escher)가 필수 아미노산의 가설을 제안하였고 에밀 피셔 (Emil Fischer)가 단백질이 아미노산으로 구성되어 있음을 발견하였다. 압더할덴(Abderhalden)이 아크릴산 유도체와 메탄올을 사용하여 트레오닌을 합성하였다. D,L-메타이오닌이 산업적으로 독일에서 생산되었다. 1948년과 1956년 L-글루탐산이 일본에서 발효에 의하여 생산되었다.

아미노산 통상명 유래

Alanine: 알데하이드 (acetaldehyde로부터 합성)

Arginine: 그리스어 Argentum (은염이 수용성이 낮음)

Aspartatic acid: 아스파라거스 Asparagus

Cystein: 그리스어 kystis (방광)

Glycine: 그리스어 glykys (달다)

Histidine: 그리스어 histos (조직)

Leucine: 그리스어 leukos (흰색)

Proline: 피롤리딘(pyrrolidine)의 단축어

Serine: 라틴어 sericum (비단)

Tyrosine: 그리스어tyros (치즈)

Threonine: 트레온산 (threonic acid, i.e., 2-amino-2,4-dideoxy-D-threonic acid)

Tryptophan: 독일어 (tryptic, 트립신) + 그리스어 phainein (나타나다)

Valine: 아이소발레르산(isovaleric acid)단축어

Glutamine: 라틴어 (glut, 아교) + 아민

밀러-유리 실험

지구상 생물이 나타나기 이전에 원시 대기 조건에서 시초의 아미노산이 합성되었다고 본다. 이러한 가설에 따라서 1952년 스탠리 밀러와 해롤드 유리는 메테인, 수소, 물과 암모니아로 원시 대기를 모방하여 전기 방전을 시켜 글라이신, 알라닌, 아스파트산, 글루탐산 등을 합성하였다. 이 실험을 밀러-유리 (Miller-Urey) 실험이라고 한다.

단백질을 구성하는 일차 아미노산은 산업적 규모로 1) 단백질 가수 분해 공정 2) 발효 공정  3) 화학 합성 공정이 있다. 산업적으로 가장 먼저 생산한 아미노산은 글루탐산이다. 글루탐산은 글루탐산 모노소듐 (monosodium glutamate, MSG)의 원료로 초기에는 밀 글리아딘 단백질의 가수 분해로 얻었지만 현재는 사탕수수로부터 얻어지는 설탕(슈크로스)+암모늄염 발효 배지에 토양박테리아을 배양하여 얻는다. 합성 공정은 슈트레커(Strecker) 반응을 사용한다. 이외에 효소 반응 공정 등이 있다. 다음은 슈트레커 반응을 사용한 L-메타이오닌의 합성 공정이다. 마지막 단계의 광분할은 효소를 이용하였다.

단백질 형성

RNA가 DNA의 코드에 따라서 특정 아미노산을 연결하여 단백질을 합성하면 단백질의 아미노산의 화학 구조가 단백질의 구조를 제어하고 이러한 단백질의 형태가 단백질 기능을 결정한다.

대사 참여

아미노산은 필요하면 대사에 의하여 에너지로 변환한다. 이외에 글루탐산, 시스테인 및 글리신은 항산화제인 글루타싸이온을 형성한다. 히스티딘은 효소 반응 자리에서 수소 이동에 역할을 하며 적혈구 생산과 건강한 신경 유지에 중요한 아미노산이다. 타이로신은 갑상선 호르몬 생산에 사용된다. 메싸이오닌은 S-아데노실메싸이오닌으로 변하여 메틸화 작용을 함으로써 DNA와 신경전달 물질 대사에 참여한다. 아르지닌은 산화 질소를 생성하여 혈관 근육을 이완시켜 혈압을 낮추며 동맥의 혈소판 형성을 억제한다고 한다

신경 전달 물질

트립토판과 타이로신 같은 아미노산은 신경전달 물질을 형성한다. 트립토판은 세로토닌을 생성하고 타이로신은 노르에페드린과 아드레날린을 합성한다. 뇌 안의 트립토판은 졸음을 유발하고 타이로신은 더 많은 에너지를 공급하게 해준다. 이외에 흥분성 신경전달 물질로 글루탐산과 아스파트산이 있다. 

음식으로 섭취된 단백질은 식이 효소에 의하여 아미노산으로 분해된다. 위장에서는 펩신 효소가 단백질을 작은 펩타이드로 분해한다. 이후에 작은 창자에서 트립신, 카이모트립신과 엘라스테이스(elastase) 효소가 앞서의 펩타이드를 더 작은 크기의 펩타이드로 분해한다. 한편, 카복시펩티데이스 A와 B가 펩타이드의 C-말단기로부터 차례로 아미노산을 제거하기 시작한다. 이렇게 분해되어 얻어진 아미노산은 우리 체내로 흡수된다. 루신 · 라이신 · 메티오닌 · 발린 · 아이소루신 · 트레오닌 · 트립토판 · 페닐알라닌의 8개 필수 아미노산은 체내에서 합성이 되지 않아 음식으로 섭취하여야 한다. 시스테인과 타이로신은 체내에서 합성은 되지만 충분한 양이 되지않아 음식물로부터 보충하여야 한다.

아미노산 섭취 권장량

인체는 필요에 따라 11가지의 아미노산을 생산한다. 나머지 9가지는 음식으로부터 섭취하여야 한다. 여성은 매일 46 그램, 남성은 56그램의 아미노산 섭취가 권장된다. 9가지 아미노산을 포함하는 단백질 음식을 완전 단백질이라고 한다. 육류, 콩과 퀴노아는 완전 단백질 음식이라고 부른다. 식물성 음식물은 9가지 아미노산 중 결핍되는 것이 있기 때문에 보충이 되도록 다양하게 섭취하여야 한다.

1.   Chemistry and Biochemistry of Amino Acids, G.C. Barrett Ed., Chapman and Hall, 1985.

2.   D. Whitford, Proteins, Wiley, 2005.

3.   G. Wu, Amino Acids, CRC Press, 2013.