CH 3 아미노산과 펩타이드 (Amino Acid and Peptides)

1. 입체적 구조를 갖는 아미노산 (Amino Acids and Peptides)

1) 아미노산의 개수

- 아미노산은 ‘20개’만 존재 (20개의 아미노산을 암기할 수 있어야 함)

2) 아미노산의 구조

- 아미노산은 탄소 C에 아미노기(amino group) + 카복실기(carboxyl group) + 곁사슬(R) + 수소(H)

  - R에 의해서 아미노산의 종류가 결정됨 (즉, 20종류의 R이 존재함)

  - 중성 용액에서는 카복실기와 아미노기가 각각 음이온과 양이온의 형태로 존재함

    (COOH pKa < 7: 수소 이온 잃은 형태 선호, NH2 pKa > 7: 수소 이온 결합 형태 선호)

  - 해당 작용기를 모두 갖고 있는 아미노산의 중심 탄소를 alpha 탄소라고 함

3) 아미노산의 입체화학 (stereochemistry)

① 카이럴성(chiral)과 비카이럴성(achiral)

- 한 원자에 대해서 서로 다른 4개의 작용기가 결합되어 거울 이성질체를 갖는 물질

  - 아미노산의 경우 4개의 결합을 가질 수 있는 탄소에 나타나며, 글라이신을 제외하면 모든 아미노산은 alpha - 탄소에 대해서 카이럴성을 보임

  cf) 글라이신(R=H): alpha 탄소에 대해서 서로 같은 원소 H가 2개 존재하기에 거울 이성질체가 존재하지 않음 -> 비카이럴성 (achiral)

② 입체화학의 표기법: L - amino acid & D - amino acid

- 글라이신을 제외한 아미노산은 모두 카이럴성을 갖기 때문에 아미노산의 입체 이성질체 정보를 표현하는 것이 중요하며, 이를 L과 D로 표현함

- COOH - alpha C - R을 세로로 그리고 오른쪽에 H가 위치하면 이를 L-아미노산(L-amino acid)라고 하며, H가 왼쪽에 위치하면 이를 D-아미노산(D-amino acid)라고 함

- 대부분 생체 내의 단백질은 L-아미오산이며, 박테리아의 세포벽과 몇몇 항생제에서만 D-아미노산이 관찰됨

  e.g. D-당분자는 달며 L-당분자는 씀

- L-아미노산과 D-아미노산은 R의 종류에 따라 다를 수는 있으나, 유기화학에서 우선 순위를 고려하면 R(clockwise)과 S(counterclockwise)가 다르기에 서로 입체 이성질체 관계에 놓여있음

 

cf) 탄수화물의 경우 CHO - C - CH2OH 골격을 기준으로 하면 H와 OH만 남는 사실을 이용하며, 마찬가지로 H가 오른쪽에 오면 L-탄수화물, H가 왼쪽에 오면 D-탄수화물이라고 함

 

2. 아미노산의 구조와 성질 (Individual Amino Acids: Their Structures and Properties)

- 아미노산의 구조 및 성질은 그들을 특정 짓는 R의 종류와 구조에 영향을 받음

  - R의 극성/비극성 -> 극성 작용기 중 산성(H를 내어놓을 수 있는가?)/염기성(N이 있는가?)를 기준

  - 20개의 아미노산의 이름, 3약어, 1약어를 모두 암기하고, 필수아미노산을 구분할 수 있어야 함

  cf) 필수 아미노산: 체내에서 합성이 불가능해서 직접 섭취를 해야 하는 아미노산 (8가지)

      - IWF/VLM//T//K

R의 특성		전체 이름	3약어	1약어	R의 구조식
비극성 (9) (IWF/VLM/GAP)		메티오닌 (Methionine)	Met	M	CH2CH2SCH3
		류신 (Leucine)	Leu	L	CH2CH(CH3)2
		트립토판 (Tryptophan)	Trp	W	CH2CHNH(C6H4)
		페닐알라닌 (Phenylalanine)	Phe	F	CH2(C6H5)
		아이소류신 (Isoleucine)	Ile	I	CHCH3CH2CH3
		발린 (Valine)	Val	V	CH(CH3)2
		글라이신 (glycine)	Gly	G	H
		알라닌 (Alanine)	Ala	A	CH3
		프롤린 (Proline)	Pro	P	CH2CH2CH2
극성	전하 X (6) SYNQ/CT	트레오닌 (Threonine)	Thr	T	CHOHCH3
		시스테인 (Cysteine)	Cys	C	CH2SH
		타이로신 (Tyrosine)	Tyr	Y	CH2(C6H4)OH
		세린 (Serine)	Ser	S	CH2OH
		아스파라진 (Asparagine)	Asn	N	CH2CONH2
		글루타민 (Glutamine)	Gln	Q	CH2CH2CONH2
	산 (2) (DE)	아스파트 산 (Aspartic acid)	Asp	D	CH2COOH
		글루탐산 (Glutamic acid)	Glu	E	CH2CH2COOH
	염기 (3) (RK/H)	라이신 (Lysine)	Lys	K	CH2CH2CH2CH2NH3+
		아르지닌 (Arginine)	Arg	R	CH2CH2CH2NHCNH2+NH2
		히스티딘 (Histidine)	His	H

* color 처리가 되어있는 아미노산은 ‘필수 아미노산’

* Bold 처리가 되어있는 아미노산은 신경전달과 관련한 아미노산

- 지방족(aliphatic): 벤젠 고리와 그의 유도체가 없는 물질

- 방향족(Aromatic): 벤젠 고리와 그의 유도체가 있는 물질

  -> 분자 구조를 통해서 분류할 수만 있으면 됨

1) 비극성 아미노산 (IWF/VLM/GAP, 9)

① 프롤린 (Pro, P)

  - 지방족 고리구조: rotation이 어려움 (불리한 구조)

  - N에 대해 C 2개가 연결: 2차 아민 (imino acid)

② 메티오닌 (Met, M)

  - R에 들어있는 S가 활성산소를 제거하는 역할을 함

  - 닭사료의 주 성분으로 시장성이 높은 아미노산

③ 트립토판 (Try, W)

  - 진정작용을 할 수 있는 신경물질인 세로토닌(serotonin)의 전도체 (Transport)

④ 페닐알라닌 (Phe, F)

  - 도파민/에피네프린의 전구체로 기능

2) 극성, 전하 X 아미노산 (SYNQ/CT)

- 글라이신을 이 그룹에 포함시하기도 함

- 전하를 띠지 않는다는 것은 ‘중성’상황에서 말하는 것이며 pH가 변하면 이온화가 되어 작용기가 전하를 띨 수 있음

  e.g. 높은 pH에서는 -OH를 갖고 있는 세린(Ser, S)과 트레오닌(Thr, T)은 양성자를 잃음

① 세린 (Ser, S)와 트레오닌 (Thr, T)

-  -OH가 곁사슬에 포함되어 있어서 높은 pH(염기성 상황)에서는 H+를 잃어서 이온 형태를 띰

② 타이로신 (Tyr, Y)

- 곁사실이 페놀이기 때문에 -OH보다 더 강산이고 적당한 pH 하에서도 H+를 잃을 수 있음

- 신경전달물질(도파민, 에피네프린)의 전구체

③ 시스테인 (Cyc, C)

- 곁사슬에 싸이올 작용기 (thiol, -SH)이 있으며, 수용액 내에서 다른 시스테인과 반응하여 이황화결합(S-S 결합)을 형성할 수 있음

- S-S 결합은 금과 결합을 할 수 있는 특성을 갖고 있으며 3D 구조에도 유효한 영향을 미침

④ 글루타민 (Gln, Q)과 아스파라진(Asn, N)

- 곁사슬에 아미노기를 갖고 있으며, 각각 글루탐산과 아스파트산의 유도체임

3) 산성 아미노산 (DE)

- alpha carbon에 연결되어 있는 카복실기를 제외하고, 곁사슬 R에도 추가적인 카복실기가 들어있음

  e.g. 아스파트산(Asp, D), 글루탐산(Glu, E)

- 수용액에서 양성자를 잃은 형태(음전하)로 존재하기에 특별히 아스파트산염(aspartate)와 글루탐산염(glutamate)라고 함

- 글루탐사니 MSG의 주 성분(염이 혀에 관여해서 감칠맛을 돋구어줌), 신경전단물질의 전구체

4) 염기성 아미노산 (RKH)

- 곁사슬에 N이 포함되어 있으며 이는 비공유 전자쌍 제공을 할 수 있음. 즉 수용액 상태에서도 아미노산이 양성자-결합 형태를 선호하며 실제로 양전하를 띠고 있음

  e.g. 아르지닌(Arg, R), 라이신(Lys, K), 히스티딘(His, H)

① 아르지닌 (Arg, R)

- 구아니디노(guanidino)가 곁사슬에서 염기성 작용기로

② 히스티딘 (His, H)

- 이미디졸(imidazole, 오각형)이 염기성 작용기이며, pKa가 6.0 (생리적 pH인 7.4정도로 유사)

- 수소 결합 형태(양성자화, protonated)와 수소 탈착 형태(탈양성자화, unprotonated)

- nano structure을 이용할 때 니켈(Ni)과 특이적인 결합성을 보이는 물질

5) 드문 아미노산

- 일부 단백질에서 발견이 되나 모든 단백질에서 발견되는 것은 아님

- 앞으로 제시할 아미노산은 일반적인 아미노산의 번역 후 변형 과정을 통해서 생성 (아미노산 유도체)

① -OH를 포함하고 있는 아미노산: 하이드록시프린(hydroxyproline), 하이드록라이신(hydroxylysine)

- 프롤린과 라이신에서 유도가 되었으나 프롤린과 라이신에는 -OH 가 없음

- 콜라겐 같은 결합조직 단백질에서 발견

② 타이록신 (Thyroxine)

- 타이로신과 달리 곁사슬에 요오드가 달려있음

- 갑상선 작용 중 처음 방출하는 호르몬에 포함된 단백질 중 하나로, 히스타민의 전구체

3. 산-염기로 동시에 작용할 수 있는 아미노산 (Amino Acids can Act as Both Acids and Bases)

1) 쌍극성이온(zwitter-ion)

- 아미노산은 pH = 7에서 카복실기는 음전하를 띠고 아미노기는 양전하를 띠고 있어서 알짜 전하를 띠고 있지 않음

- 이처럼 양전하와 음전하가 공존하고 있는 이온을 쌍극성이온(zwitterion)이라고 함

2) 아미노산의 적정

- 아미노산은 그 이름에서 나타나듯이 산, 염기로 작용할 수 있으며 이를 적정을 통해서 산/염기의 강도를 알아낼 수 있음

- 카복실기와 아미노기가 산-염기 반응에 관여하면서 발생하는 현상

  - 카복실기의 pKa low -> 산처럼 관여 & 아미노기의 pKa high -> 염기처럼 관여

① 아미노산의 산-염기 반응 (2양성자산-like, 알라닌)

 

- 중성 상태에서는 아미노기와 카복실기가 각각 양이온과 음이온의 형태로 존재함

- 매우 낮은 pH에서는 카복실기는 양성자화 되어있어 COOH로 존재하고, 아미노기도 양성자화 되어있어서 NH3+형태로 존재함 (산성 용액에서의 아미노산 거동)

  -> 이 상황에서 아미노산의 알짜 전하는 +1

- 매우 높은 pH에서는 카복실기도 탈양성자화 상태여서 COO−형태로 존재하고, 아미노기도 탈양성자화 되어있어 NH2형태로 존재함 (염기성 용액에서의 아미노산 거동)

  -> 이 상황에서 아미노산의 알짜 전하는 -1

② 알라닌의 적정 곡선 형태

ⅰ) 산성 수용액 하에 존재하는 아미노산에 대해 think

- NH3+와 COOH에서 H가 나올 수 있으므로, 아미노산을 2양성자산으로 간주할 수 있음

ⅱ) NH3+와 COOH 중 어느 작용기에서 먼저 탈양성자화 반응이 진행될 것인지를 생각

- 이를 위해서 pKa를 비교해야 하며, COOH의 값이 NH3+ 보다 작기에 더 산성을 보임 -> 먼저 탈양성자화 반응을 진행할 수 있음 (COOH의 pKa = 2.34)

ⅲ) 어느 정도 pH가 더 증가하면 중성 상황에서 추가적으로 탈양성자화 반응이 진행됨

- 이때는 남아있던 작용기 NH3+에서 탈양성자화 반응이 진행 (NH3+의 pKa = 9.69)

ⅳ) 적정 곡선의 그래프: 2양성자산에서의 적정곡선과 마찬가지로 해석하면 됨

- 1차 적정 구간: COOH에 의해 적정이 진행됨 (완충효과 O)

- 1차 중화반응 완료 지점 pI = (pKa1+ pKa2)/2

- 2차 적정 구간: NH3+에 의해서 적정이 진행됨 (완충효과 O)

 

③ 아미노산의 산-염기 반응 (다양성자산-like, 히스티딘)

- 히스티딘과 같이 곁사슬에 적정이 가능한 작용기가 포함이 되어 있는 아미노산은 다양성자산으로 생각해서 해석할 수 있음 (히스티딘의 경우 이미다졸 곁사슬에서 적정 가능한 N이 있음)

  e.g. 시스테인(Cys), 타이로신(Tyr) + 작용기가 산성/염기성인 아미노산

 

- 위의 상황과 비슷하게 염기를 가하여 pH를 증가시켰다고 하자

ⅰ) pH가 매우 낮은 상황에서의 아미노산에 대해 think

- NH3+, COOH 그리고 R-NH+에서 H가 나올 수 있으므로, 아미노산을 3양성자산으로 간주

ⅱ) - NH3+, COOH 그리고 NH+ 중 어느 것이 먼저 양성자화 될 것인지에 대해 판단해야 함

- 가장 처음으로는 pKa가 제일 낮은 COOH에서 탈양성자화가 진행

ⅲ) 어느 정도 OH-의 농도가 더 높아지면 2번째 탈양성자화 진행: NH3+ vs R-NH+

- Asp, Glu, His, Cys의 경우는 R-NH+가 먼저

- Tyr, Lys, Arg의 경우는 NH3+가 먼저  

ⅳ) 최종적으로 3번째 탈양성자화 진행

- 2번째 탈양성자화 진행 후 남아있는 작용기 혹은 곁사슬기에서 진행

  - Asp, Glu, His, Cys의 경우는 NH3+가 마지막으로 탈양성자화

  - Tyr, Lys, Arg의 경우는 R-NH+가 마지막으로 탈양성자화

④ 히스타딘의 적정 곡선 형태

- 3양성자산이 갖고 있는 적정 곡선의 형태를 그래도 따르기에 해석 방법도 동일함

- n차 당량점에 도달하기 위해 거치는 구간들은 완충 작용이 보여질 수 있음

 

⑤ 펩타이드 결합 내에서의 아미노산의 적정

- 아미노산이 펩타이드 및 단백질 내에 삽입이 되어있다고 하더라도 적정은 가능함

- 다만, 화학적 변화가 진행되었기 때문에 같은 종류의 아미노산이더라도 고유한 상태의 pKa와 subunit으로 기능할 때의 pKa는 다를 수 있음 (때로는 매우 다름)

- 아미노산, 펩타이드, 그리고 단백질 내의 pKa 값이 서로 다르다는 사실은 동일한 pH 내에서도 서로 다른 전하를 가질 수 있음을 의미함

  -> pH 내에서 net charge가 차이가 날 수 있음

  -> 이 특성은 단백질 정제 방법 중 하나인 전기영동(electrophoresis)에 잘 사용됨

 

3) 아미노산의 등전점 pI (isoelectric point)

① 등전점

- 분자의 알짜 전하가 0인 상태에서 보이는 지점

- 해당 지점에서는 수용액에 전압을 가하더라도 아미노산이 이동하지 않음

② 등전 pH (isoelectric pH)

ⅰ) 대부분의 아미노산 (2양성자산-like)

pI = (pKa1+ pKa2)/2

ⅱ) 몇몇 아미노산 (3양성자산-like)

pI = (pKa2+ pKa3)/2

- 위의 경우와 달리 약간의 추가적인 논의가 필요함 (올바른 pKa 선정 필요)

- 사용해야 하는 pKa 값은 등전 상태에 도달지점을 기준으로 전/후 단계의 pKa를 선정해야 함

 

 

4. 펩타이드 결합 (Peptide Bond)

 

1) 형성 원리 및 구조

- 펩타이드 결합: 한 alpha carbon의 카복실기 + 다른 alpha carbon의 아미노기 -> 이 과정에서 물을 방출하고, 이 특성을 따라 해당 펩타이드 결합을 탈수축합 반응이라고 부름

- 펩타이드 결합이 연속적으로 형성되더라도, 그 결합의 수가 유한하다면 복합체의 첫 부분과 마지막 부분은 결합에 관여하지 않은 카복실기와 아미노기가 각각 하나씩 존재함

  - > 이처럼 남아있는 작용기를 잔기(residue)라고 함

2) 폴리펩타이드 사슬(polypeptide chain)

- 펩타이드 결합이 여러 번 생성되어 생기는 화합물

- 때로는 아마이드 (amide)라고 부름

3) 펩타이드 결합의 화학적 특성: 공명구조 (resonance structure)

- 펩타이드 결합 주변의 카르보닐기와 산소에 의한 공명안정화 때문에 이중결합의 성질을 가지며 안정

- 펩타이드 결합을 기준으로 아마이드 평면 형성

 

5. 생리활성이 있는 작은 펩타이드 (Small Peptides with Physiological Activity)

1) 다이펩타이드 (Dipeptide)

- 아미노산 2개가 결합하여 하나의 분자 형태를 유지하는 물질

e.g. 카르노신 (Carnosine)

- 근육 조직에서 발견되는 항산화제(산화제를 환원시켜 산화 작용을 억제)

- bata 알라닌과 히스티딘 사이의 결합을 갖고 있음

e.g. 아스파탐 (aspartame)

- L 아프파틸과 L 페닐랄라닌이 결합하여 형성 (L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester)

- phenyl기를 분해하지 못하면 다른 형태로 축적이 되며, 정신지체 및 뇌질환의 원인 (페닐케톤증)

2) 트라이펩타이드 (Tripeptide)

- 아미노산 3개가 결합하여 하나의 분자 형태를 유지하는 물질

e.g. 글루타치온 (Glutathione)

- 항산화제

- gamma 글루타민 + L 시스테인 + 글라이신 (gamma-glutamyl-L-cycteinylglycine)

- 시스테인이 이황화결합을 형성하면서 (thiol기를 제거하면서) 산화가 됨

3) 펜타펩타이드 (Pentapeptide)

e.g. 엔케팔린 (enkephalin)

- Leucine enkephalin: Tyr(T) - Gly(G) - Gly(G) - Phe(F) - Leu(L)

- Methionine enkephalin: Tyr(T) - Gly(G) - Gly(G) - Phe(F) - Met(M)

4) 고리형펩타이드 (cyclicepptide)

① 1.6-이황화결합(S-S bond)에 의해서 고리형이 유지됨

- 9개의 아미노산으로 구성됨

e.g. 옥시토신 (Oxytocin): 3Ile(아이소류신) 8Leu(류신)

- 임산부의 출산을 유도하며, 자궁 근육의 수축 조절

- 모유를 생성

 e.g. 바소프레신 (Vasopressin): 3Phe(페닐알라닌) 8Arg(아르지닌)

- 혈압을 조절

② 분자 내부의 결합으로 형성

e.g. 항생제

- Ornithine (Orn)

- Gramicidin S

- Tyrocidine A