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3. Amino Acids and Peptides
Protein은 peptide bond에 의해 결합된 아미노산의 긴 사슬이며, 한쪽 끝에 질소 원자를 포함하는 양전하의 amino group과 다른쪽 끝에 음전하의 carboxyl group을 갖는다. 20 종류의 아미노산 각각은 사슬을 따라 각기 다른 곁사슬을 형성한다. 두 개의 아미노산 결합을 dipeptide라 하고, 세 개의 아미노산은 tripeptide를 형성한다. 아미노산의 서열은 매우 중요하다. Glycine-lysine-alanine은 alanine-lysine-glycine과 다르며, 화학적 의미 또한 다르다. 20개의 아미노산이 길게 배열되면 수 백만 가지의 서열이 가능하며, 100개의 아미노산이 단백질 사슬을 형성하면 우주에 존재하는 원자의 수보다 많은 서열 종류가 가능해 진다. 문자 그대로 서열이라는 것은 message를 의미한다. 그것은 엄밀하게 말하면 단백질이 어떻게 정확한 화학적 기능을 수행하는 3차원 구조를 결정한다.
3.1. Amino Acids-their General Formula and Three-dimensional Structure
단백질에서 발견되는 아미노산은 모든 sequence에 단지 20종류만이 존재한다. 아미노산의 일반적인 구조는 amino group과 carboxyl group이 Ձ carbon에 결합되어 있는 형태이다. Ձ carbon에는 또한 hydrogen과 side chain group(R group)이 결합하고 있다. R group은 아미노산의 특성을 결정한다. 2차 구조식은 아미노산의 공통적인 구조만을 보여줄 수 있다. 왜냐하면 이러한 화합물의 가장 중요한 특성 중의 하나가 3차구조이기 때문이다.
모든 물질은 거울 image를 갖는다. 거울 image로 된 많은 물질들의 쌍들은 돌려서 서로 겹쳐 놓을 수 있다. 다른 경우의 거울 image 물질은 다른 것과 겹칠 수 없지만 한 물질의 오른쪽이 다른 물질의 왼쪽에 해당한다. 겹쳐지지 않는 거울 image를 "chiral"이라 한다. 많은 biomolecule이 chiral이다. Biomolecule에서 종종 마주치는 chiral center는 4개의 다른 group과 결합하고 있는 탄소 원자이다. Glycine을 제외한 모든 amino acid는 중앙에 탄소 원자를 갖는다. Glycine은 Ձ carbon에 두 개의 수소 원자가 결합해 있다. 다시말해서, glycine의 R group(side chain)은 수소이다. Glycine은 이러한 대칭성 때문에 chiral이 아니다(achiral). 다른 모든 amino acid는 Ձ carbon에 각기 다른 4개의 group이 결합되어 두 개의 겹쳐지지 않는 mirror-image를 형성한다. 그림 3.2에서 R group이 -CH3인 alanine의 두 mirror-image의 투시도를 볼 수 있다. V자형으로 만나는 결합은 관찰자의 반대편으로 뻗어 있고, 입체각으로 나타난 결합은 관찰자의 방향에서 종이 평면의 밖으로 뻗어 있다.
다른 chiral 화합물인 glyceraldehyde의 두 가지 가능한 3차구조는 L-glyceraldehyde와 D-glyceraldehyde며, alanine의 형태와 비슷하여 비교해 볼 수 있다. Glyceraldehyde의 두 형태는 아미노산을 L과 D 형태로 분류한 것과 같은 원리로 되어 있다. Left와 right를 의미하는 laevus와 dexter이라는 용어는 라틴어에서 유래하였다. 각 아미노산의 두 3차원 구조는 표준형 glyceraldehyde와 비슷한 원리로 디어 있는 L 아미노산과 D 아미노산이 나타난다. L 형태의 glyceraldehyde는 hydroxyl group이 분자의 왼쪽에 있고, D 형태는 오른쪽에 있다. 아미노산에서 Ձ carbon의 왼쪽과 오른쪽에 결합해 있는 amino group의 위치는 L 또는 D 형태를 나타낸다. 단백질에서 발생하는 아미노산은 모두 L 형태를 갖는다. 비록 D 아미노산이 자연계 혹은 종종 박테리아의 세포벽, 일부 항생물질에서 발견되지만 단백질에서 발견되지 않는다.
3.2. The Structure and Properties of The Imdividual Amino Acids
R group과 그것들의 각 아미노산은 몇 가지 표준에 의해 분류되며, 특히 두 가지가 중요하다. 첫번째는 R group의 polar 또는 nonpolar 특성이다. 두번째는 R group이 산성을 나타내거나 염기성을 나타낸다. 다른 유용한 표준은 side chain에서 작용기와 다른 group의 특성을 포함한다.
앞에서 언급한 가장 단순한 glycine amino acid의 side chain(R group)은 수소 원자로 구성되어 있고, Ձ carbon에 두 개의 수소 원자가 결합해 있다. 다른 모든 아미노산의 side chain은 더 크고 복잡하다. 아미노산의 이름은 3자로 나타내거나 약어로 한자를 쓰기도 한다.
Group1 : Amino Acids with Nonpolar Side Chains
한 아미노산의 group은 비극성 곁사슬을 가지고 있다. 이러한 group은 alanie, valine, leucine, isoleucine, proline, phenylalanine, tryptophan 그리고 methionine으로 구성된다. 이러한 group의 일부 종류(alanine, valine, leucine, isoleucine)는 각 side chain에 지방족 gydrocarbon group을 갖는다(유기화학에서 aliphatic(지방족 화합물)은 벤젠 고리 또는 이와 관련된 화합물이 없는 화합물을 나타내는 용어이다. Proline은 지방족 고리 구조를 이루며, 엄격하게 말하면 질소가 두 개의 탄소 원자와 결합해 있기 때문에 imino acid이다. Phenylalanine에 있는 hydrocarbon group은 aliphatic(지방족)이라기 보다는 aromatic(방향족, 벤젠 고리같은 환형 group을 포함한다)이다. Tryptophan의 side chain은 방향족인 indole 고리를 포함한다. Methionine의 side chain은 황 원자에 지방족의 hydrocarbon group을 함유하고 있다.
Group2 : Amino Acids with Electrically Neutral Polar Side Chains
아미노산의 다른 group들은 전기적으로 중성이며 pH가 중성인 극성은 side chain을 갖는다. 이러한 group에는 serine, threonine, tryosine, cysteine이 포함된다. Glycine은 비극성 side chain이 부족하기 때문에 이러한 group에도 포함된다. Serine과 threonine의 극성 group은 지방족의 hydrocarbon group에 결합되어 있는 hydroxyl(-OH)이다. Tyrosine의 hydroxyl group은 방향족 hydrocarbon group에 결합되어 있고, 결국 proton을 잃고 높은 pH를 갖는다. Cysteine의 극성 side chain은 -SH group으로 구성되어 있고, 다른 cysteine의 -SH group과 반응하여 단백질에서 disulfide 결합(-S-S-)을 형성한다.
Group3 : Amino Acids with Carboxyl Groups in Their Side Chains
Glutamic acid와 asparitic acid 두 아미노산은 그들의 side chain에 carboxyl group을 갖으며, 모든 아미노산은 carboxyl group을 갖는다. Carboxyl group은 proton을 방출할 수 있어 탄산 음이온(carboxylate anion)을 형성한다. 이러한 두 아미노산은 side chain에 carboxylate를 가지고 있기 때무에 음으로 하전된 중성의 pH를 나타낸다. Glutamic acid와 asparitic acid는 side chain에서 -CH2- group에서만 다르다. 곁사슬의 carboxyl group이 종종 -NH2와 결합하여 amide group을 형성하여 이와 비슷한 glutamine과 asparagine amino acid를 생산한다. Amide group의 side chain은 전기적으로 중성이며, 중성 pH를 나타낸다.
Group4 : Amino Acids with Basic Side Chains
Histidine, lysine, arginine의 세 아미노산이 여기에 속하며 염기성의 side chain을 가지고 있다. 이들의 side chain은 양으로 하전되어 있으며 거의 중성 pH에 가깝다. Histidine에 있는 imidazole(히스타민, 히스티딘, 프로빈 등의 유도물 합성) group의 pK'a는 생리적인 pH와 매우 비슷하고, 하전되거나 그렇지 않은 각각의 histidine 잔기에 의해 많은 protein의 특성이 나타난다. Lysine의 amino group은 지방족 gydrocarbon 꼬리에 붙어 있다. Arginine의 염기성 group인 guanidino group은 amino group보다 복잡하지만, 이것 역시 지방족 hydrocarbon 꼬리에 결합해 있다.
Uncommon Amino Acids
몇 가지 다른 amino acid는 모든 protein에서는 아니지만 일부에서 발견된다. 이것들은 공통적인 amino acid로부터 기원하며, 단백질이 유기체에서 합성된 후에 원래의 amino acid가 변형되어 생성된다. Hydroxyproline과 hydroxylysine은 side chain에 hydroxyl group을 가지고 있는 원래의 amino acid와 다르다. 이 두 amino acid는 collagen과 같은 일부 결합조직 단백질에서만 발견된다. Thyroxine은 side chain에 요오드를 포함하는 방향족 group을 갖는 tyrosine과 구별된다(thyroglobulin 단백질에 붙어 있는 thyroid gland에서 발견된다).
3.3. Titration Curves of The Amino Acids
아미노산의 carboxyl gorup과 amino group의 일반적인 구조는 중성 pH를 나타낸다(카르복시산 부분은 음전하이고, amino group은 양전하이다). 하전된 group이 없는 아미노산은 전하가 없는 zwitterion과 같은 중성 용액에 존재한다. Zwitterion은 같은 양의 음전하와 양전하를 갖기 때문에 용액 상태에서 전기적으로 중성이다.
아미노산을 적정할 때, 그것의 적정 곡선은 H+과 각 작용기의 반응을 나타낸다. Alanine의 carboxyl group과 amino group은 적정 곡선을 형성할 수 있는 두 개의 group이다. 아주 낮은 pH 상태의 alanine은 양성자를 가지고 있는 carboxyl gorup과 양전하로 하전되어 양성자를 갖는 amino group를 포함하고 있다. 이러한 상태에서의 alanine의 순수한 양전하는 1이다. 여기에 염기를 첨가하면 carboxyl group에서 양성자를 잃고 음전하의 carboxyl group이 되며, 용액의 pH는 상승한다. Alanine은 이제 순수한 양전하를 가지고 있지 않게 된다. 염기를 계속 첨가하여 pH가 상승하면 양성자를 가지고 있던 amino group은 양성자를 잃게 되고, alanine 분자의 음전하는 1이 된다. Alanine의 적정 곡선은 이염기(dibasic)의 acid 곡선을 그린다.
Histidine의 imidazole side chain 역시 적정 곡선을 그리는 group이다. 아주 낮은 pH 상태의 histidine 분자는 imidazole group과 amino group이 모두 양전하를 띠기 때문에 순수한 양전하 2를 갖는다. 여기에 염기를 첨가하면 pH는 상승하게 되고, carboxyl group은 하나의 하던된 imidazole group이 양성자를 방출하게 되고, histidine이 전하를 갖지 않는 지점에 도달한다. 분자는 음전하 1을 나타낸다. Histidine의 적정 곡선은 3염기(tribasic) 산의 곡선을 그린다.
우리가 2장에서 살펴 보았던 아미노산들은 적정할 수 있는 group들의 특정 K'as와 pK'as값을 갖는다. Ձ carboxyl group의 pK'as는 매우 낮아 2에 가깝다. Amino group의 pK'as값을 9∼10.5의 값으로 적당히 높다. Carboxyl group과 amino group을 포함하여 side-chan group의 pK'as는 각 group의 화학적 특성에 의해 다르게 나타난다. Amino acid를 산성 또는 염기성으로 분류되는 side chain의 pK'a값을 기준으로 결정한다. 이러한 groupemfdms 아미노산이 peptide나 protein으로 합성된 후에도 적정할 수 있다. 그러나 적정 가능한 group의 pK'a는 amino acid 상태, 필요한 만큼 단백질에서 필요한 것은 아니다.
사실 아미노산, 펩티드, 단백질은 다른 pK'a를 갖기 때문에 pH를 증가시키는 능력이 다르다. Alanine과 histidine을 예로 들어보면, 이들 모두는 10이상의 pH에서 -1의 전하를 갖는다(하전된 group은 carboxylate anion이다). 5 정도의 낮은 pH에서 alanine은 전하가 없는 zwittrion이 되지만 histidine은 이 상태의 pH에서 imidazole group이 양성자를 방출하기 때문에 +1의 전하를 갖는다. 이러한 특성은 전하를 이용해 분자를 분리하는 방법인 electrophoresis(전기영동)의기초이다. 이런 방법은 대개 단백질과 핵산의 구조를 결정하는 데 유용하다. 전하를 갖지 않는 분자의 pH를 isoelectric pH(pI, 등전 pH)라 한다. Isoelectric pH 상태의 분자는 전기장의 변동이 없다. 따라서 이런 특성은 분리하는 방법에서 사용된다.
3.4. The Peptide Bond
각 아미노산은 공유결합에 의해 서로 결합되어 있다. 그 결합은 한 아미노산의 Ձ-carboxyl group과 다음 아미노산의 Ձ-amino group 사이에 형성된다. 이 과정에서 물이 제거되고, 물의 제거 후에 남은 아미노산이 결합된다. 이러한 방법으로 형성된 결합을 peptide bond라 한다. Peptide는 적은 수의 아미노산이 결합하여 형성된 화합물이다. 단백질에서는 많은 아미노산이 peptide bond에 의해 결합되어 polypeptide chain을 형성한다. Amino group과 carboxyl group 사이의 반응에 의해 형성된 화합물의 다른 이름은 amide라 하는데, "amide bond"는 peptide bond를 가리키는 별칭이다.
두 아미노산 사이에서 peptide bond가 형성될 때 탄소-질소 결합의 생성은 일반적으로 단일결합으로 표기되며, 두 원자 사이의 전자쌍을 공유한다. 그런데 전자쌍의 위치를 조금 변경하면 이 결합을 이중결합으로 표기할 수 있게 된다. 이러한 전자의 이동은 전자의 위치 차이로 구별되는 구조인 공명구조(resonance structure) 결과로 유기화학에서는 잘 알려져 있다. 한 공명구조의 이중결합과 단일결합의 위치는 똑같은 화합물의 또 다른 공명구조의 위치와 종종 구별된다. 하나의 공명구조는 화합물의 결합에서 실제로 나타나지는 않지만 모든 공명구조는 결합상태를 조절한다. Peptide bond는 두 가지 형태의 공명구조를 쓸 수 있다. 하나는 탄소와 질소 사이의 단일결합이고, 다른 하나는 탄소와 질소 사이의 이중결합이다. Peptide bond는 부분적으로 이중결합의 특성을 갖고, 그 결과 두 아미노산 사이에서 형성되는 peptide group은 평면이다. Peptide bond는 또한 공명구조를 형성하기 때문에 보통 단일결합보다 강한 결합이다.
이러한 구조적 특징인 peptide와 protein의 3차구조 형성에 중요한 의미를 갖는다. 아미노산의 Ձ-carbon과 질소, 탄소 사이의 결합은 자유롭게 회전할 수 있다. 그러나 peptide bond 주위의 회전은 표시되지 않는다. 이러한 입체화학적 작용인 단백질의 골격이 어떻게 접할수 있는지를 결정해 주는 중요한 기능을 한다.
3.5. Some Small Peptides of Physiological Interest
아미노산 조합에서 가장 단순한 공유결합은 dipeptide로 두 개의 아미노산이 펩티드 결합에 의해 연결되어 있다. 가장 일반적으로 발생하는 dipeptide의 예는 근육조직에서 발견되는 carnosine이다. 이 화합물은 흥미있는 구조적 특징을 지니는 Ղ-alanyl-L-histidine이다(Peptide의 구조에 대한 명명법에서 free amino group을 가지고 있는 N-terminal이 처음 있게되고 다음에는 다른 아미노산들이 사슬을 이루게 된다. Free carboxyl group을 갖고 있는 C-terminal 아미노산은 맨 나중에 있다). N-terminal 아미노산인 Ղ-alanine은 Ձ-amino acid와 구조적으로 다르다. 이름이 의미하는 것처럼 amino group은 alanine의 두번째 또는 Ղ carbon에 결합되어 있다. 이러한 dipeptide에서의 peptide bond는 Ղ-alanine의 carboxyl group과 C-terminal 아미노산인 histidine의 amino group 사이에서 형성된다.
Glutathione은 일반적으로 tripeptide로 나타나고, 산화제를 청소해 주기 때문에 생리학에서 매우 중요하다고 여겨진다(일부 산화제는 생명체에 해를 끼치고, 암을 유발시키는 것으로 추측된다). Glutathione의 아미노산 조성과 배열을 나타내는 용어는 Ճ-glutamyl-L-cysteinylglycin이다. 한 번 반복되는 N-terminal 아미노산이 처음에 있다. 이 경우에서 glutamic acid의 Ճ-carboxyl group은 peptide bond에 속해 있고, xysteine의 amino group에 차례로 결합해 있다. Glycine의 carboxyl group은 분자의 다른쪽 끝인 C-terminal을 형성한다. 그림 3.11a에 있는 glutathione 분자는 축소한 형태이다. 그것은 서로 반응하여 산화제를 제거한다(산화된 glutathione의 형성은 두 개의 cysteine에 있는 -SH group 사이에서 형성되는 disulfide bond에 의해 생성된 peptide에서 발생한다).
뇌에서 발견되는 두 개의 pentapeptide는 대체로 진통제에 들어 있는 enkephalin이다. 이 크기의 분자에는 아미노산의 약자가 구조식 보다 적당하다. 동일한 표기법이 아미노산 서열에서 사용되는데 아미노산의 처음을 N-terminal로 표기하고, 마지막을 C-terminal로 표기한다. Leucine과 methionine, enkephalin은 단지 C-terminal 아미노산만 다르다.
이러한 peptide에서 lyrosine과 phenylalanine의 방향족 곁사슬은 그들의 활성에 작용하는 것으로 생각되어 진다. 또한 morphine과 같은 마취제의 3차구조와 enkephalin은 유사점을 가지고 있다고 생각된다. 이러한 구조적 유사성 때문에 뇌의 수용체에 결합해 있는 마취제는 enkephalin과 그것의 산물이 생리적인 활성을 일으키도록 한다.
일부 중요한 peptide는 고리구조를 형성한다. 잘 알려진 두 가지 예로는 oxytocin과 vasopressin이 있는데 모두 많은 구조적 특징을 가지고 있다. 이들은 각각 glutathione이 산화되어 형성된 -S-S- bond와 비슷한 결합을 하는데, disulfide bond는 고리구조를 형성시킨다. 이들은 각각 9개의 아미노산 분자를 가지고 있으며, C-terminal 끝에 free carboxyl group보다 amino group을 가지고 있고, 1번과 6번에 위치한 cysteine 사이에 disulfide 결합을 형성한다. 이들 두 peptide의 차이점을 보면 oxytocin은 3번 자리에 isoleucine이 있고 8번 자리에는 leucine이 있는 반면, vasopressin은 3번 자리에 phenylalanine을, 8번 자리에 arginine을 가지고 있다. 이들 두 peptide는 모두 hormone처럼 생리적으로 매우 중요하다고 여겨진다.
다른 peptide들의 고리구조는 peptide bond에 의해 형성된다. 고리구조를 하는 두 개의 deca- peptide(10개의 아미노산 분자를 포함하는 peptide)는 Bacillus brevis 박테리아에 의해 생산된다. 이러한 peptide인 gramicidin S와 tyrocidine A은 항생제 이며, D amino acid와 L amino acid를 포함한다. 게다가 ornithine을 모두 포함하고 있으며, 단백질에서나 나타나지 않지만 일부 공통적인 과정에서 신진대사에 중요한 기능을 수행한다.