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들어가기 | 아미노산의 종류가 20가지인 이유는 무엇일까?
아미노산 20종 = 공통 골격에 R기만 달라져도 전하·극성·크기가 변해 다양한 화학적 역할 수행
20종이라는 한계는 유전 암호와 생합성 비용, 기능 다양성의 절충 결과
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1.1 아미노산은 공통의 구조적 특징을 가지고 있다
α-탄소에 아미노기·카복실기·수소·R기가 결합한 공통 구조
생리 pH에서 NH₃⁺와 COO⁻를 함께 갖는 쌍성이온으로 존재
예외 ① 프롤린은 곁사슬이 질소와 고리를 이뤄 2차 아민
예외 ② 글리신은 Cα에 수소가 둘 → 카이랄 중심 없음
Cα가 카이랄 중심이므로 글리신을 제외한 표준 아미노산은 거울상 이성질체 존재
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1.2 단백질의 아미노산 잔기는 대부분 L 입체배열을 가진다
단백질 잔기는 거의 모두 L 배열, 이는 생합성 효소의 선택 결과이지 열역학적 안정성 때문이 아님
D-아미노산은 일부 세균 세포벽·펩타이드 항생제에 존재
L/D는 글리세르알데하이드 기준 상대배열, R/S는 CIP 우선순위 절대배열
L-Ala는 S, L-Cys는 R → L·R/S를 기계적으로 대응시킬 수 없음
(+)/(−)는 관측 회전 방향으로 L 여부와 무관
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1.3 아미노산은 R기에 따라 분류할 수 있다
비극성: Gly·Ala·Val·Leu·Ile·Pro·Met·Phe·Trp → 소수성 핵 형성
극성 무전하: Ser·Thr·Cys·Asn·Gln·Tyr → 수소결합·인산화 표적
산성: Asp·Glu → 음전하, 염다리·금속 배위
염기성: Lys·Arg·His → 양전하, 핵산·인산기와 정전기적 상호작용
His 이미다졸 pKa ≈ 6.0 → 생리 pH 부근에서 양성자 주고받기 가능해 효소 활성 부위에 빈번
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표준 아미노산 20종의 구조식
표준 아미노산 20종의 구조식 = 참조 자료로 제공
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표준 아미노산의 약어·pKa·등전점 참고표
약어·pKa·등전점 참고표 = 참조 자료로 제공
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별도 설명 3-1 | 분자에 의한 빛의 흡수: 람베르트–베르 법칙
람베르트-베르 법칙 A = εcl → 흡광도로 농도 정량
Trp·Tyr이 280nm 부근에서 흡수 → 단백질 정량(A280)의 근거
농도가 높거나 산란·발색단 환경 변화 시 법칙에서 벗어남
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1.4 특수한 아미노산 역시 중요한 기능을 갖는다
셀레노시스테인(U)·피롤라이신(O)은 특수 번역 기구로 삽입되는 21·22번째 아미노산
하이드록시프롤린·γ-카복시글루탐산은 번역 후 변형 산물로 콜라겐·Ca²⁺ 결합에 관여
GABA는 비단백질 대사물로 신경전달에 작용
D-알라닌은 세균 펩티도글리칸 합성에 사용
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1.5 아미노산은 산과 염기로 작용할 수 있다
브뢴스테드-로우리 산·염기로 작용, 카복실기는 양성자 방출·아미노기는 수용
곁사슬도 이온화 가능해 분자당 여러 개의 pKa 존재
쌍성이온 형태가 용해도와 전기영동 거동을 결정
헨더슨-하셀바흐식으로 특정 pH에서의 전하 분율 계산
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1.6 아미노산은 특징적인 적정곡선을 가지고 있다
글리신은 카복실(pKa≈2.34)·아미노(pKa≈9.60) 두 단계 해리 → 두 개의 완충 구간
산성·염기성 아미노산은 곁사슬 해리가 추가되어 3단계 곡선
곡선의 평평한 구간이 pKa, 각 단계에서 순전하가 1씩 변함
반당량점에서 두 화학종의 농도가 같아짐
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1.7 적정곡선으로부터 아미노산의 전하를 예측할 수 있다
등전점 pI = 순전하가 0이 되는 pH, 양쪽 pKa의 평균으로 근사
pH < pI이면 양전하, pH > pI이면 음전하 → 전기영동 이동 방향 결정
평균 순전하 = 각 이온화기의 전하 × 분율의 합
전하 계산으로 이온교환 크로마토그래피 조건 설계 가능
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1.8 아미노산마다 산·염기 성질이 다르다
곁사슬 pKa가 생리 pH 근처인 His·Cys·Tyr이 촉매·조절에 자주 이용됨
단백질 내부 환경이 pKa를 이동시켜 활성 부위의 성질을 바꿈
아미노산별 산·염기 성질 차이가 단백질 기능의 미세 조정 근거
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정량 예제 | 이해와 계산을 연결하기
정량 예제 = 교재 수록 계산 예제로, 본 웹 교재에서는 참조 표로 갈음
참조 자료 · References
표 3.1-1 핵심 정리 | α-아미노산은 구조상 ‘아미노기 + Cα + 카복실기 + 곁사슬 R’로 표현한다. 쌍성이온의 순전하 0은 형식전하가 모두 0이라는 뜻이 아니다.핵심 정리 | α-아미노산은 구조상 ‘아미노기 + Cα + 카복실기 + 곁사슬 R’로 표현한다. 쌍성이온의 순전하 0은 형식전하가 모두 0이라는 뜻이 아니다.
표 3.1-2 개념 · 의미 · 대표 사례개념 의미 대표 사례 L / D 상대 입체배열; 피셔 투영식으로 판단 대부분의 단백질 아미노산: L R / S 원자단 우선순위에 따른 절대배열 L-Ala: S, L-Cys: R (+)/(−) 편광면의 관측 회전 방향 L이라는 이유만으로 (−)로 판단할 수 없음 글리신 Cα에 H가 두 개 → 카이랄 중심 없음 L·D 구분이 성립하지 않음
표 3.1-3 핵심 정리 | 알라닌의 곁사슬이 –CH₃라는 사실과 라이신의 곁사슬이 –(CH₂)₄–NH₂라는 사실은 동일한 ‘아미노산’이라는 범주 안에서 화학적 성질이 다양핵심 정리 | 알라닌의 곁사슬이 –CH₃라는 사실과 라이신의 곁사슬이 –(CH₂)₄–NH₂라는 사실은 동일한 ‘아미노산’이라는 범주 안에서 화학적 성질이 다양해지는 이유를 보여 준다.
표 3.1-4 이름 · 3자 · 1자 · 분류 · pKa α-COOH · pKa α-NH₃⁺ · pKa R · pI이름 3자 1자 분류 pKa α-COOH pKa α-NH₃⁺ pKa R pI 글리신 Gly G 비극성(작음) 2.34 9.60 — 5.97 알라닌 Ala A 비극성 2.34 9.69 — 6.00 발린 Val V 비극성 2.32 9.62 — 5.96 류신 Leu L 비극성 2.36 9.60 — 5.98 아이소류신 Ile I 비극성 2.36 9.60 — 6.02 메싸이오닌 Met M 비극성 2.28 9.21 — 5.74 프롤린 Pro P 비극성 1.99 10.60 — 6.30 페닐알라닌 Phe F 비극성 1.83 9.13 — 5.48 트립토판 Trp W 비극성 2.83 9.39 — 5.89 세린 Ser S 극성 2.21 9.15 — 5.68
표 3.1-5 이름 · 3자 · 1자 · 분류 · pKa α-COOH · pKa α-NH₃⁺ · pKa R · pI이름 3자 1자 분류 pKa α-COOH pKa α-NH₃⁺ pKa R pI 트레오닌 Thr T 극성 2.09 9.10 — 5.60 아스파라진 Asn N 극성 2.02 8.80 — 5.41 글루타민 Gln Q 극성 2.17 9.13 — 5.65 시스테인 Cys C 극성 1.96 10.28 8.18 5.07 타이로신 Tyr Y 극성 2.20 9.11 10.07 5.66 아스파트산 Asp D 산성 1.88 9.60 3.65 2.77 글루탐산 Glu E 산성 2.19 9.67 4.25 3.22 라이신 Lys K 염기성 2.18 8.95 10.53 9.74 아르지닌 Arg R 염기성 2.17 9.04 12.48 10.76 히스티딘 His H 염기성 1.82 9.17 6.00 7.59
표 3.1-6 T = I / I₀ A = −log₁₀(T) = log₁₀(I₀ / I)T = I / I₀ A = −log₁₀(T) = log₁₀(I₀ / I)
표 3.1-7 A = εcl ε: 몰 흡수계수 (M⁻¹ cm⁻¹), c: 농도 (M), l: 광로 길이 (cm)A = εcl ε: 몰 흡수계수 (M⁻¹ cm⁻¹), c: 농도 (M), l: 광로 길이 (cm)
표 3.1-8 핵심 정리 | 흡광도와 투과율은 서로 다른 척도다. A=1.0은 빛의 100%가 흡수되었다는 뜻이 아니라, 단순 모형에서 입사광의 약 10%가 통과했다는 뜻이핵심 정리 | 흡광도와 투과율은 서로 다른 척도다. A=1.0은 빛의 100%가 흡수되었다는 뜻이 아니라, 단순 모형에서 입사광의 약 10%가 통과했다는 뜻이다.
표 3.1-9 유형 · 예 · 화학적 특징과 기능유형 예 화학적 특징과 기능 유전 암호에 따라 삽입 셀레노시스테인(Sec, U) 특수 번역 기구가 UGA를 재해석하며 산화·환원 효소 등에 관여한다. 유전 암호에 따라 삽입 피롤라이신(Pyl, O) 특정 미생물에서 특수 번역 기구에 의해 UAG에서 삽입된다. 번역 후 변형 하이드록시프롤린 프롤린 잔기의 하이드록실화; 콜라겐 안정화와 관계된다. 번역 후 변형 γ-카복시글루탐산 글루탐산 잔기가 추가 카복실화되어 Ca²⁺ 결합에 관여한다. 비단백질 대사 물질 γ-아미노뷰티르산(GABA) 신경 전달 및 대사에 관여하는 비표준 아미노산이다. 비단백질/세포벽 구성 D-알라닌 세균의 펩타이드글리칸 합성에 사용된다.
표 3.1-10 pH = pKa + log₁₀([A⁻] / [HA])pH = pKa + log₁₀([A⁻] / [HA])
표 3.1-11 H₂A⁺ ⇌ HA + H⁺ pKa₁ = 2.34 HA ⇌ A⁻ + H⁺ pKa₂ = 9.60H₂A⁺ ⇌ HA + H⁺ pKa₁ = 2.34 HA ⇌ A⁻ + H⁺ pKa₂ = 9.60
표 3.1-12 Gly: pI = (2.34 + 9.60) / 2 = 5.97Gly: pI = (2.34 + 9.60) / 2 = 5.97
표 3.1-13 Glu: pI = (2.19 + 4.25) / 2 = 3.22 Lys: pI = (8.95 + 10.53) / 2 = 9.74Glu: pI = (2.19 + 4.25) / 2 = 3.22 Lys: pI = (8.95 + 10.53) / 2 = 9.74
표 3.1-14 z̄ ≈ Σ 1 / (1 + 10^(pH−pKa,base)) − Σ 1 / (1 + 10^(pKa,acid−pH))z̄ ≈ Σ 1 / (1 + 10^(pH−pKa,base)) − Σ 1 / (1 + 10^(pKa,acid−pH))
표 3.1-15 곁사슬 · 대표 pKa · pH 7 부근의 경향 · 생화학적 의미곁사슬 대표 pKa pH 7 부근의 경향 생화학적 의미 Asp –COOH 3.65 대부분 COO⁻ 염다리·금속 이온과의 상호작용 Glu –COOH 4.25 대부분 COO⁻ 산·염기 촉매, 음전하 환경 His 이미다졸 6.00 주로 중성, 일부 양전하 양성자 전달, pH 감응 Cys –SH 8.18 주로 SH 산화·환원 및 이황화 결합 Tyr –OH 10.07 주로 OH 인산화, 수소결합, 자외선 흡수 Lys –NH₃⁺ 10.53 주로 NH₃⁺ 음전하 물질과 결합 Arg 구아니디늄 12.48 주로 양전하 핵산 등과 정전기적 상호작용
표 3.1-16 핵심 정리 | 아미노산의 전하는 ‘이름’이 아니라 pH와 각 작용기의 pKa로 결정된다. 단백질 속 잔기의 pKa는 주변 환경에 따라 변한다.핵심 정리 | 아미노산의 전하는 ‘이름’이 아니라 pH와 각 작용기의 pKa로 결정된다. 단백질 속 잔기의 pKa는 주변 환경에 따라 변한다.
그림 3.1-1 α-아미노산의 공통 구조. 중성 부근에서 R기가 이온화되지 않는 경우의 대표적 쌍성이온 형태이다.
그림 3.1-2 α-아미노산의 L·D 피셔 투영식. 위에는 COOH, 아래에는 R을 두었을 때 아미노기가 왼쪽이면 L, 오른쪽이면 D이다.
그림 3.1-3 R기의 대표적인 성질에 따른 표준 아미노산 분류. 곁사슬의 전하와 극성은 pH와 주변 환경에 따라 달라질 수 있다.
그림 3.1-4 표준 아미노산의 결합 구조식 (1~5번째). 화학 구조 렌더링은 RDKit으로 직접 작성했다.
그림 3.1-5 표준 아미노산의 결합 구조식 (6~10번째). 화학 구조 렌더링은 RDKit으로 직접 작성했다.
그림 3.1-6 표준 아미노산의 결합 구조식 (11~15번째). 화학 구조 렌더링은 RDKit으로 직접 작성했다.
그림 3.1-7 표준 아미노산의 결합 구조식 (16~20번째). 화학 구조 렌더링은 RDKit으로 직접 작성했다.
그림 3.1-8 종 아미노산의 등전점 비교. 값이 클수록 중성의 평균 순전하에 도달하는 pH가 높다.
그림 3.1-9 Beer–Lambert 법칙을 이용해 계산한 이론적 검량선. 실험값이 아니라 ε=1200 M⁻¹ cm⁻¹, l=1 cm인 모형이다.
그림 3.1-10 방향족 아미노산의 대표적 자외선 흡수 경향을 표현한 교육용 정규화하지 않은 개념 모형. 정확한 실측 스펙트럼이 아니다.
그림 3.1-11 곁사슬이 이온화하지 않는 자유 아미노산의 pH별 주요 형태와 순전하. 이는 대표적인 지배적 화학종을 간략화한 도식이다.
그림 3.1-12 글리신의 양이온·쌍성이온·음이온 몰분율을 독립 평형식으로 계산한 이론곡선. 활동도·이온강도 차이는 무시했다.
그림 3.1-13 글리신의 이상화된 적정곡선. 반당량 부근의 pH는 대응하는 pKa와 가깝고, 중간 당량 부근의 pH는 pI에 가깝다.
그림 3.1-14 글루탐산의 이론적 3단계 적정곡선. pKa 값은 2.19, 4.25, 9.67을 적용했다.
그림 3.1-15 라이신의 이론적 3단계 적정곡선. pKa 값은 2.18, 8.95, 10.53을 적용했다.
그림 3.1-16 글리신·글루탐산·라이신·히스티딘의 평균 순전하를 독립 이온화 모형으로 계산한 값. 자유 아미노산을 대상으로 한다.
그림 3.1-17 pH와 pI의 상대 크기에 따른 전하와 전기영동 이동 방향의 개념. 실제 이동 속도는 크기와 매질의 영향을 받는다.
