아미노산의 역할, 입체이성질체, 적정 (쉽게 배우는 생화학 02)

아미노산의 역할, 입체이성질체 그리고 아미노산의 적정

  단백질은 생물체의 구성 성분이기도 하면서, 다양한 역할을 수행합니다. 그중 아미노산 단위에서의 역할은 무엇이 있는지 살펴보고, 아미노산의 변형, 입체이성질체를 설명드리겠습니다. 마지막으로 아미노산의 적정, 즉, pH가 아미노산 구조에 미치는 영향에 대해 풀어보도록 하겠습니다.

 

생물학적 활성이 있는 아미노산

 아미노산은 단백질의 기본단위이면서, 아미노산 자체(유도체)로도 생물학적 역할을 수행합니다.

 

 첫 번째, 여러 α-아미노산(알파-아미노산)과 그 유도체들은 화학전령(chemical messenger)으로 작용하게 됩니다.
예를 들면, 신경전달물질(neurotransmitter)에 해당하는 글리신, GABA(글루탐산 유도체, 감마아미노부티르산), 세로토닌(트립토판 유도체), 멜라토닌(트립토판 유도체) 등이 있습니다. 또 다른 예로 갑상선 호르몬 중 하나인 티록신도 티로신유도체이며, 인돌아세트산도 트립토판 유도체인 호르몬입니다.

 

 두 번째, 아미노산은 질소가 필요한 다양한 분자의 전구물질(precursor)로 뉴클레오티드(nucleotide), 핵산(nucleic acid), 헴(heme), 클로로필(Chlorophyll) 등이 있습니다.

 

 세 번째, 1편에 소개드린 20개의 표준 아미노산 중 여러 표준 아미노산과 이에 해당하지 않는 비표준 아미노산은 생체 대사과정의 중간 물질로 작용합니다. 요소 합성은 주로 간에서 일어나고, 질소 노폐물을 제거하는데 이때, 요소회로의 중간 물질로 아르기닌, 시트롤린, 오르니틴 등이 있습니다.

 

 

아미노산의 입체이성질체(stereoisomer)

 20개의 표준 아미노산 중 19개 아미노산의 α-탄소가 4개의 서로 다른 그룹과 결합되어 있습니다. 알파 탄소를 중심으로 수소, 카르복실기, 아미노기, R기가 결합되어 있는 형태입니다. 이러한 α-탄소를 비대칭(asymmetric) 또는 키랄탄소(Chiral carbon)라고 합니다. 유일하게 글리신은 α-탄소가 2개의 수소와 결합되어 있어서 대칭 아미노산입니다.

 

By Synpath - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=139489607

 

 키랄탄소를 가진 분자와 같이 원자의 공간상 배열의 차이만으로 다른 분자를 나타내는 경우를 입체이성질체라고 합니다.
위 그림은 알라닌 입체이성질체 구조입니다. 2개의 이성질체 원자들은 마치 거울에서 마주하듯 암모늄기와 수소원자의 위치를 제외하고 동일한 구조를 가지고 있습니다. 이러한 분자를 거울상 이성질체(enantiomer)라고 합니다.

 

 또 다른 거울상 이성질체의 예로 글리세르알데히드(glyceraldehyde)가 있습니다. 글리세르알데히드는 광학이성질체를 결정하는 데 사용되는 참고 화합물입니다. 거울상 이성질체는 광학 이성질체이기도 합니다. 광학 이성질체의 성질은 면편광을 반대 방향으로 회전시키는 것을 제외하고는 동일한 분자를 의미합니다. 

 

  글리세르알데히드가 광선을 시계방향으로 회전시킬 경우, 우선성(dextrorotary, 보통 '+'로 표시)이라 합니다. 만약 같은 각도로 시계 반대 방향으로 광선을 회전시키면 이를 좌선성(levorotary, '-'로 표시)이라고 합니다. 보통 광학이성질체를 D 또는 L로 나타냅니다. D 또는 L 표시는 한 분자의 비대칭 탄소 주위의 원자 배열이 글리세르 알데히드 이성질체 중 어느 하나의 비대칭 탄소와 유사한가에 따라 결정됩니다. 흥미롭게도 생물에서 발견되는 대부분의 비대칭 분자는 D 또는 L형의 입체이성질체 중 어느 한 형태로만 존재합니다. 예시로 극소수를 제외하고는 L-아미노산만 단백질에서 발견됩니다.

 

 키랄성(chirality)은 생체 분자의 구조와 기능에 굉장히 큰 기여를 합니다. 단백질에서 우선성 나선은 L-아미노산만을 갖고 있을 때 나타납니다. 실험실에서 D-와 L-아미노산 양쪽으로부터 합성된 폴리펩티드는 나선을 형성하지 않습니다. 게다가 효소는 키랄 분자이기 때문에 한 거울상 이성질체형의 기질만 결합할 수 있습니다. 특이성을 가지게 되는 것입니다. 예로 프로타아제(펩티드 결합을 분해하는 단백질분해효소)는 D-아미노산으로 구성된 인공 폴리펩티드를 분해하지 못합니다.

 

 

아미노산의 적정

 아미노산 적정이란 pH가 아미노산 구조에 미치는 영향을 나타낸 것입니다. 이를 이용하여 곁사슬의 반응도를 측정할 수 있습니다. 아미노산은 이온 그룹을 가지고 있으므로 용액 내의 가장 우세한 이온 형태는 pH에 의해 결정됩니다. 

 

 예를 들어 간단한 아미노산인 알라닌은 2개의 적정할 수 있는 그룹이 있습니다. 강염기인 수산화나트륨(NaOH)으로 적정할 경우, 알라닌은 단계적으로 2개의 양성자(+)를 잃습니다. pH가 0인 강산 용액에서 알라닌의 카르복실기는 전하를 띠지 않고 암모늄기는 양성자를 받아서 분자의 순전하(net charge)는 +1이 됩니다. 양성자(H+)의 농도를 낮추면 카르복실기는 양성자를 잃고 음전하(-)의 카르복실염기(COO-)가 됩니다.
 이 시점에서 알라닌은 전하를 띠지 않고 전기적으로 중성이 됩니다. 이때의 pH를 등전점(isoelectric point, pI)이라고 합니다. 등전점에서는 전하가 없으므로 이 pH에서는 잘 녹지 않습니다. 앞 포스팅에서 언급되었던 쯔비터이온은 쉽게 결정체를 만들기도 합니다. 알라닌을 적정을 계속하게 되면 암모늄기는 양성자를 잃고 전하를 띠지 않은 아미노기가 됩니다. 그리고 카르복실염기 때문에 전하는 음성이 됩니다.

 

 간단한 아미노산인 알라닌과 달리 이온성 곁사슬을 가진 아미노산은 더 복잡한 적정곡선을 가집니다. 예를 들면 글루탐산은 한 카르복실 곁사슬을 가지고 있고, 낮은 pH에서 순전하가 +1이 됩니다. 염기를 추가하면 α-카르복실기는 양성자를 잃고 카르복실염이 됩니다. 따라서 글루탐산의 순전하는 0이 됩니다. 더 많은 염기를 첨가하면 카르복실기는 양성자를 잃어 분자의 순전하는 -1이 됩니다. 계속해서 염기를 더 넣으면 암모늄 이온은 양성자를 잃어 글루탐산의 순전하가 -2가 됩니다. 글루탐산의 등전점은 2개의 카르복실기의 pKa값의 중간 값에 해당됩니다.

 

 단순히 한 분자만 있는 것이 아니라 펩티드나 단백질에 포함되어 있는 경우, 아미노산의 pKa와 pI값은 자유 상태의 아미노산에 있는 pKa 값과 pI와는 약간 다릅니다. 왜냐하면 대부분의 α-아미노기와 α-카르복실기가 이온화 상태에 있는 것이 아니라 펩티드 결합에 의한 공유 결합으로 연결되어 있기 때문입니다.