3.1 아미노산

단백질은 다양한 생명 활동을 수행하지만, 그 주된 구성 요소는 공통된 골격을 갖는 약 20종의 표준 아미노산이다. 수용액에서 아미노산은 전하를 띠며, 곁사슬의 화학적 성질에 따라 용해도·단백질의 접힘·효소 반응성이 달라진다. 예를 들어 글리신은 작고 유연한 부위에, 프롤린은 사슬의 굽힘에, 히스티딘은 산·염기 촉매에 자주 관여한다. 이처럼 작은 분자의 작용기가 단백질의 입체구조와 기능을 좌우한다.

본 단원에서는 자유 아미노산의 성질을 먼저 다룬다. 단백질 내부의 아미노산 잔기는 양쪽의 α-작용기가 펩타이드 결합을 이룰 수 있으므로, 자유 아미노산과 전하 특성이 완전히 같지는 않다. 이 차이는 3.2단원에서 다시 설명한다.

1. α-아미노산의 공통 구조

아미노산은 분자 안에 아미노기와 카복실기를 함께 갖는 유기 화합물이다. 단백질을 구성하는 대표적인 아미노산에서는 두 작용기가 같은 α-탄소(Cα)에 연결되어 있다. Cα에는 수소 원자와 곁사슬 R도 결합한다. R기의 구조가 달라지면 아미노산의 크기, 극성, 소수성, 산·염기 성질과 화학 반응성이 달라진다.

α-아미노산을 중성 공유결합식으로 쓰면 H₂N–CH(R)–COOH이고, 물속에서 흔히 나타나는 형태는 H₃N⁺–CH(R)–COO⁻이다. 두 식은 결합 골격은 같지만 양성자가 어디에 결합했는지 달라지는 산·염기 상태를 나타낸다. 아미노기 질소는 양성자를 받을 수 있고, 카복실기는 양성자를 내놓을 수 있다.

2. 두 가지 중요한 예외

글리신(Gly)은 R=H이므로 Cα에 수소가 두 개 결합한다. 따라서 α-탄소가 카이랄 중심이 아니며 L·D 입체이성질체로 구분하지 않는다. 프롤린(Pro)은 곁사슬이 아미노기 질소와 연결되어 고리를 형성한다. 프롤린의 아미노기는 자유형에서 2차 아민 구조를 갖고, 단백질 사슬의 유연성을 제한한다.

1. 카이랄성과 거울상 이성질체

글리신을 제외한 표준 α-아미노산은 일반적으로 Cα에 네 종류의 원자단이 결합하여 카이랄성을 나타낸다. 카이랄 중심을 가진 분자는 서로 겹쳐지지 않는 거울상 이성질체(enantiomer)를 가질 수 있다. 단백질의 리보솜 합성에서 사용되는 표준 아미노산은 주로 L-형이며, 글리신은 카이랄성이 없는 예외이다.

2. L·D와 R·S는 같은 표기법이 아니다

L·D는 글리세르알데하이드에 대한 상대적인 입체배열을 뜻하며, R·S는 원자단 우선순위를 이용한 절대배열을 뜻한다. 표준 L-아미노산의 Cα는 대부분 S이지만 L-시스테인은 황 원자가 원자단 우선순위를 바꾸므로 R이다. 따라서 L을 모두 S로 환산하면 오류가 생긴다. L·D는 편광의 회전 방향(+/−)을 직접 의미하지도 않는다.

세포벽 펩타이드글리칸에 들어 있는 D-알라닌과 D-글루탐산처럼 D-아미노산도 생명계에서 중요한 역할을 한다. 다만 이러한 사용 방식은 리보솜에서 만들어지는 일반적인 단백질의 표준 L-아미노산 잔기와 구분한다.

표준 아미노산 20종은 곁사슬의 크기, 극성 및 이온화 경향에 따라 비극성, 극성·무전하, 산성, 염기성의 네 범주로 묶는 일이 많다. 분류는 절대적인 것이 아니다. 예컨대 타이로신과 시스테인은 특정 pH에서 음전하를 띨 수 있고 히스티딘의 이미다졸기는 중성 부근에서 양성자를 받거나 내놓기 쉽다.

1. 비극성 곁사슬

알라닌(Ala), 발린(Val), 류신(Leu), 아이소류신(Ile), 메싸이오닌(Met) 등은 상대적으로 비극성인 곁사슬을 가지며 단백질 내부의 소수성 환경에 자리하는 경우가 많다. 페닐알라닌(Phe)과 트립토판(Trp)은 방향족 고리를 갖는다. 프롤린(Pro)은 고리 구조 때문에 사슬의 굽힘과 국소 구조에 영향을 준다. 글리신(Gly)은 분류표에서 비극성으로 묶기도 하지만, 곁사슬이 수소 하나뿐인 작은 아미노산이라는 특징이 더 중요하다.

2. 극성·전하 없는 곁사슬

세린(Ser)과 트레오닌(Thr)은 하이드록시기를 가지고 수소결합에 참여한다. 아스파라진(Asn)과 글루타민(Gln)은 아마이드기를 가지며 물과 상호작용한다. 시스테인(Cys)의 티올기는 산화되어 이황화 결합을 형성할 수 있고, 타이로신(Tyr)의 페놀성 하이드록시기는 수소결합과 인산화 반응의 표적이 된다.

3. 산성 및 염기성 곁사슬

아스파트산(Asp)과 글루탐산(Glu)은 곁사슬 카복실기가 중성 부근에서 주로 –COO⁻로 존재한다. 라이신(Lys)은 말단 아미노기, 아르지닌(Arg)은 구아니디늄기, 히스티딘(His)은 이미다졸기를 가진다. 라이신과 아르지닌은 중성 부근에서 보통 양전하를 띠며, 히스티딘은 이온화 비율이 pH에 민감하다.

다음 4개 도판은 단백질을 구성하는 표준 아미노산 20종의 결합 구조를 제시한다. 구조식은 비교를 위해 자유 아미노산의 중성 공유결합 형태로 나타냈으며, 실제 물속의 이온화 상태는 pH에 따라 달라진다. Cα의 쐐기/점선 결합은 가능한 입체배열을 나타내고, 글리신은 카이랄성이 없다.

아래 수치는 주로 25°C 부근의 수용액에서 이용하는 대표 참고값이며 문헌, 이온강도, 온도, 측정 방법에 따라 조금씩 달라질 수 있다. pKa(α-COOH), pKa(α-NH₃⁺), pKa(R)는 서로 다른 해리 단계에 대응한다. 곁사슬이 이온화하지 않는 아미노산은 ‘—’로 표시했다.

용액이 특정 파장의 빛을 얼마나 흡수하는지 측정하면 용질의 종류와 농도에 관한 정보를 얻을 수 있다. 빛을 조사한 쪽의 광 세기를 I₀, 시료를 통과한 뒤의 광 세기를 I라고 할 때 투과율 T와 흡광도 A는 다음과 같다.

흡광도 A는 무차원량이며, 투과율 50%는 T=0.50, A≈0.301에 해당한다. 파장과 매질이 일정하고 단색광·균일한 용액·적절한 농도 범위와 산란 무시 등의 조건이 만족되면 람베르트–베르 법칙이 성립한다.

예를 들어 ε=1200 M⁻¹ cm⁻¹, l=1.00 cm이고 A=0.300이라면 c=A/(εl)=2.50×10⁻⁴ M=0.250 mmol/L이다. 광로가 0.50 cm로 줄면 같은 농도에서 흡광도도 절반이 된다. 실제 측정에서는 용매와 큐벳에 의한 배경을 블랭크(blank) 측정으로 보정한다.

방향족 아미노산과 단백질의 자외선 흡수

트립토판과 타이로신은 280 nm 부근에서 비교적 강한 자외선 흡수를 나타내며, 페닐알라닌은 이보다 훨씬 약하다. 따라서 정제된 단백질의 아미노산 조성과 몰 흡수계수를 알면 A₂₈₀으로 농도를 추정할 수 있다. 그러나 아미노산의 수, 단백질 접힘, 혼탁, 핵산 혼입, pH와 용매 조건이 측정값에 영향을 줄 수 있다.

일반 가시광 분광 센서만으로는 280 nm 자외선의 직접 측정이 불가능할 수 있다. 예컨대 가시광 채널을 사용하는 AS7341 기반 분광 장치는 원리 학습용 색소의 가시광 흡광도 실험에는 활용할 수 있지만, 단백질의 A₂₈₀ 정량에는 자외선 광원·광학계·자외선 감지기가 별도로 필요하다.

표준 20종 이외에도 생체 내에서 중요한 아미노산이 존재한다. 일부는 번역 과정에서 유전 암호에 따라 직접 삽입되고, 일부는 단백질 합성 후 효소에 의해 화학적 변형을 받으며, 또 다른 종류는 단백질에 편입되지 않고 대사 산물로 기능한다. 이 세 부류를 구분하는 것이 중요하다.

셀레노시스테인은 ‘21번째’, 피롤라이신은 ‘22번째’ 아미노산으로 소개되지만 모든 생물의 모든 단백질이 이들을 사용하는 것은 아니다. 하이드록시프롤린은 원래의 프롤린이 단백질에 삽입된 뒤 변형된 결과이므로 셀레노시스테인과 같은 방식으로 분류할 수 없다.

1. 브뢴스테드–로우리 산과 염기

산은 양성자(H⁺)를 내놓는 화학종이고, 염기는 양성자를 받아들이는 화학종이다. 아미노산의 카복실기(–COOH)는 산으로 작용하고 아미노기(–NH₂)는 염기로 작용한다. 이 때문에 아미노산은 양쪽성(amphoteric)을 갖는다. 단, 각 작용기가 실제로 양성자를 주거나 받는 정도는 용액의 pH와 그 작용기의 pKa에 따라 달라진다.

2. 쌍성이온과 용해도

쌍성이온(zwitterion)은 한 분자 안에 양전하와 음전하가 함께 있으면서 전체 순전하가 0인 상태를 말한다. 자유 아미노산의 쌍성이온은 내부 전기적 상호작용 때문에 결정 구조와 수용액의 성질에 영향을 준다. 그러나 특정 아미노산의 물에 대한 용해도는 온도, 다른 용질, 이온강도, 결정형 등에 따라 달라지므로 ‘등전점이면 항상 불용성’이라고 일반화할 수 없다.

3. 헨더슨–하셀바흐식 복습

pH=pKa이면 산형과 짝염기형의 농도비가 1:1이다. pH가 pKa보다 1.0 높으면 염기형/산형의 농도비는 약 10:1이고, 1.0 낮으면 약 1:10이다. 아미노산에 이온화 작용기가 여러 개 있으면 각 작용기의 해리 단계를 함께 고려해야 한다.

1. 글리신의 두 단계 해리

글리신은 곁사슬에 해리성 작용기가 없어서 크게 두 단계의 산·염기 평형을 보인다. 산성 영역에서는 양전하 +1인 H₂A⁺가 우세하고, 첫 해리(카복실기)를 거쳐 중성 쌍성이온 HA가 많아지며, 두 번째 해리(아미노기)를 거쳐 음전하 −1인 A⁻가 우세해진다. 각각의 대표 pKa는 약 2.34와 9.60이다.

2. 산성·염기성 아미노산의 세 단계 해리

글루탐산은 α-카복실기, 곁사슬 카복실기, α-아미노기의 세 단계를 거쳐 전하가 +1→0→−1→−2로 변한다. 라이신은 α-카복실기, α-아미노기, 곁사슬 아미노기의 세 단계를 거쳐 전하가 +2→+1→0→−1로 변한다. 적정곡선의 완만한 구간은 각각 대응하는 pKa 근처에서 나타난다.

실제 실험의 적정곡선에서는 농도와 이온강도, 부피 희석, 활동도, 온도, 전극 오차, 출발용액의 산 첨가량 등이 영향을 준다. 따라서 계산 모형의 ‘정확한 반당량점’과 실험 기록에서 눈으로 찾은 굴절점이 반드시 일치하지는 않는다.

1. 등전점의 정의와 계산

등전점(isoelectric point, pI)은 분자 집단의 평균 순전하가 0이 되는 pH이다. 곁사슬이 해리하지 않는 글리신의 pI는 전하 0인 쌍성이온 종을 둘러싼 두 pKa의 평균으로 계산할 수 있다. 같은 논리는 글루탐산, 라이신 등 해리기가 더 많은 아미노산에도 적용되지만, 반드시 전하 0인 화학종을 사이에 두는 두 pKa를 선택해야 한다.

글루탐산에 무작정 가장 작은 pKa와 가장 큰 pKa를 평균하거나, 라이신에서 가장 작은 두 pKa를 평균하면 잘못된 결과가 나온다. 중성 화학종이 형성되는 해리 단계의 양쪽 pKa를 찾아야 한다.

2. pH와 평균 순전하

pH가 pI보다 낮으면 평균적으로 양전하를 띠고 pH가 높으면 평균적으로 음전하를 띤다. 그러나 이 규칙은 전체 평균에 대한 설명이며, 용액에는 서로 다른 전하를 띠는 여러 화학종이 공존한다. 특히 pH=pI에서도 각 분자가 모두 정확히 전하 0인 것은 아니다.

3. 평균 순전하를 구하는 정량 모형

서로 독립적인 이온화기로 근사하면 산성 작용기의 평균 전하는 –1/[1+10^(pKa−pH)]로, 염기성 작용기의 평균 전하는 +1/[1+10^(pH−pKa)]로 근사할 수 있다. 모든 작용기의 평균 전하를 더하면 자유 아미노산의 평균 순전하를 계산할 수 있다.

예를 들어 pH 7.0에서 글루탐산은 두 카복실기가 대부분 해리되어 음전하 두 개, α-아미노기는 대부분 양전하 한 개이므로 평균 순전하는 약 −1이다. 히스티딘은 이미다졸기의 pKa가 약 6.0이므로 pH 7.0에서 이미다졸기에 양성자가 붙어 있는 비율은 약 1/(1+10)=0.091이다. 이것만으로도 히스티딘이 중성 부근의 pH 변화에 민감하다는 사실을 알 수 있다.

같은 –COOH라 하더라도 근처에 있는 원자단과 용매 환경이 다르면 해리 경향이 달라진다. 시스테인의 –SH는 약염기로서가 아니라 주로 약산으로 이온화하며, 타이로신의 페놀성 –OH도 높은 pH에서 해리할 수 있다. 히스티딘의 이미다졸 고리는 세포 내 pH 부근에서 양성자 이동에 참여하기 때문에 효소 활성부위의 산·염기 촉매로 자주 등장한다.

단백질 안에 편입된 아미노산 잔기의 pKa는 자유 아미노산의 참고값과 다를 수 있다. 단백질의 소수성 내부, 주변 전하, 수소결합, 금속 이온 결합이 국소 미세환경을 변화시키기 때문이다. 그러므로 자유 아미노산 참고표만으로 단백질 전체의 pI를 단순히 평균해서는 안 된다.

예제 1. 글리신 0.050 mol/L에서 pH 2.34인 용액

글리신의 첫 해리에서 pH=pKa₁=2.34이므로 두 화학종 H₂A⁺와 HA의 농도비가 거의 1:1이다. 이때 다른 해리 단계의 기여가 매우 작다는 근사 아래 각 종의 농도는 약 0.025 mol/L이다.

예제 2. pH 7.0에서 히스티딘 곁사슬의 양성자화 분율

이미다졸기의 pKa를 6.0으로 두면 [중성형]/[양성자화형] = 10^(7.0−6.0)=10이다. 따라서 양성자화 분율은 1/(1+10)=0.0909, 즉 약 9.1%이다. 이 수치는 히스티딘 전체 분자의 순전하와는 구분된다.

예제 3. A=0.602인 시료의 투과율

A=−log₁₀(T)이므로 T=10^(−0.602)≈0.250이다. 입사광 대비 투과광의 비율은 약 25.0%이다. 흡수와 산란이 혼재하는 시료라면 측정된 A를 전부 분자의 고유 흡수라고 해석해서는 안 된다.