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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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다양한 항체와 호르몬 생성의 근원, Amino Acid

머리말

아미노산은단백질의monomer 이자다양한항체와호르몬생성의근원입니다. 아미노산은생체내에서굉장히중요한화합물이고, 중요한화학사적발견이많습니다. 아미노산의첫발견부터현대의아미노산연구방법까지, 아미노산의역사를들여다볼까요?

목차

이번 기사의 목차입니다. 먼저 아미노산의 구조, 이성질체, 종류 등 기초 개념을 살펴볼 것입니다. 그리고 최초의 아미노산 Asparagine의 발견을 알아보며, 이어지는 홉킨스 등 여러 과학자들의 실험을 통해 아미노산이 단백질의 monomer 임이 어떻게 증명되었는가에 답변할 것입니다.또한 초기에 설명된 아미노산의 이성질체 개념이 어떻게 나왔는지 에밀피셔의 실험을 살펴보고, 단백질을 이루지 않고 화학적 작용을 하는 Non-Proteinogenic Amino Acid를 다루겠습니다. 마지막으로 현대에서 아미노산의 구조, 성질 연구가 어떻게 이루어지고 있는지 실험 도구, 실험 방법 등을 자세히 소개하며 마무리할 예정입니다.


Amino Acid
Amino acid란?

아미노산은 Amino group(-NH2)와 Carboxyl group(-COOH) 그리고 R group으로 이루어진 유기 화합물입니다. Amino group는 질소원자와 수소원자가 결합한 구조를 가지고 있고. Carboxyl group은 탄소원자와 산소원자가 결합한 구조를 가지고 있습니다. 이 두 기능기는 아미노산의 중심 탄소원자에 각각 결합합니다.


아미노산의 R group은 Amino group과 Carboxyl group을 제외한 나머지 부분입니다. R group은 각각의 아미노산마다 다른 화학적 성질과 생물학적 기능을 결정합니다. 예를 들어, Methionine의 R group은 Methyl group(-CH3)로 이루어져 있습니다. 다음 그림을 통해 Methionine의 Methyl group을 확인할 수 있습니다.


Methyonine

이 R group은 Methionine만의 유일한 구조적 특성입니다. 아미노산의 R group이 다른 아미노산과 구별되는 이유는, R group의 성질이 아미노산의 화학적 특성을 결정하기 때문입니다. 예를 들어, 서로 다른 아미노산은 R group의 종류에 따라 극성, 산성 또는 중성이 될 수 있습니다. 따라서, R group의 성질은 아미노산의 성질과 기능에 중요한 역할을 합니다.

그리고 가장 중요한 아미노산의 특성이 있습니다. 아미노산은 생물학적 조건에서 양성자화, 탈 양성자화 됩니다. NH2는 양성자화 되어 알파-Amino group이라고 불리는 NH3+ 형태가 되고, -COOH는 탈 양성자회 되어 알파-Carboxyl group이라고 불리는 COO- 형태가 됩니다.

아미노산의 생물학적 조건에서의 양성자화, 탈 양성자화

Amino acid의 isomers, L form과 D form

L-form 아미노산은 자연에서 가장 흔하게 나타나는 아미노산의 형태입니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 일정한 방향을 기준으로 알파-Carbon과 Amino group이 같은 평면 위에 존재함을 알 수 있습니다.


아미노산의 L-form과 D-form

D-form 아미노산은 자연계에서 발견되는 단백질 중 매우 드물게 사용됩니다. 그러나 D-form 아미노산은 일부 약물 및 생물학적 분자에 중요한 역할을 하며, 구조적으로는 알파-Carbon과 Amino group이 대칭적으로 배치됩니다. Glyceraldehyde, Alanine 그림으로 L-form 아미노산과 D-form 아미노산의 차이를 명확하게 볼 수 있습니다.



최초의 Amino Acid 발견(Asparagine) - Louis-Nicolas Vauquelin

최초로 분리되어 발견된 아미노산은 Louis-Nicolas Vauquelin과 그의 조수에 의해서 발견된 Asparagine입니다. Vauquelin은 Pierre 조수와 결정 형태로 Asparagine을 최초 분리했습니다. 여기서 흥미로운 사실 하나가 있습니다. Asparagine이 아스파라거스에 풍부하게 존재하기 때문에 Asparagine의 어원이 아스파라거스라는 사실입니다.



Louis-Nicolas Vauquelin(1763 ~ 1829)

다시 본론으로 돌아와서 이후 3년 후에 조수였던 1809년 Pierre Jean Robiquet은 LIquorice(민 감초 뿌리)에서 Asparagine과 매우 유사한 특성을 갖는 물질을 발견했습니다.



Pierre Jean Robiquet(1780 ~ 1840)

약 24년 후 1833년 프랑스의 화학자 Antoine François Boutron Charlardrd 가 1833년, 아미노산의 실험식을 도출했고 이후 활발한 연구가 진행되었습니다.


C4H8N2O3

Antoine François Boutron Charlardrd (1796 ~ 1879)
Protein의 monomer 증명, Amino Acid - Frederick Gowland Hopkins

노벨생리의학상 수상자인 Frederick Gowland Hopkins가 1901년에 아미노산 Tryptophan을 발견했습니다.


Frederick Gowland Hopkins (1763 ~ 1829)

Tryptophan

대망의 아미노산이 단백질의 monomer임을 증명하는 일은 1921년에 시작됩니다. Hopkins는 1921년 다양한 동물 조직에서 추출한 Glutathione을 발견하고 특성화한 공로를 인정받습니다.



당시 그는 그 화합물이 Glutamic Acid와 Cysteine의 Dipeptide라고 제안한데 이어, 1929년, 그것이 Glutamic, Cysteine, 그리고 Glycine의 tripeptide라고 결론 지었습니다. 아미노산이 단백질의 monomer라는 주장을 특정 예시로 설명했다는 점이 인상깊고 Glutathione이 Glutamic, Cysteine, 그리고 Glycine의 Crystalline tripeptide라는 사실이 밝혀진 현대, 더욱 대단한 주장입니다.




Cysteine


Amino Acid의 Chemical structure와 Concept of isomers - Emil Fischer

Glucose-Purine 합성 연구로 노벨 화학상을 수상한 화학자, Emil Fisher는 단백질 성분 구조로 많은 아미노산을 얻어 거기에서 많은 Polypeptide를 합성한 실험을 진행하였습니다. 그리고 현재까지 유기, 생화학에서 매우 중요하게 사용되고 있는 Fisher 투영도, Fisher 투영식의 고안자이기도 합니다. 이러한 그는 1891년 아미노산의 Isomers 개념을 제안하게 됩니다. 그는 아미노산 분자가 가지는 광학적 활성성에 주목했으며, 이를 이용하여 아미노산 분자가 가질 수 있는 두 가지 Isomers를 정의했습니다. 아미노산의 Amino group, Carboxyl group의 위치로 결정되는 L-form Amino Acid와 D-form Amino Acid가 이 때 Emil Fisher에 의해 처음 제안되었습니다.


Emil Fisher (1852 ~ 1919)

피셔 투영식

Emil Fisher는 아미노산의 Isomers개념을 제안한 이후, Isomers를 분석하기 위한 실험을 수행했습니다. 그는 우선 Metaldehyde와 같은 시약을 사용하여 아미노산 분자의 Carboxyl group과 Amino group의 위치를 확인했습니다.


이후에는 아미노산 분자의 광학 활성성을 이용하여 이성질체를 구분했습니다. 그는 일련의 실험을 통해, L-form Amino acid와 D-form Amino Acid가 거울 상 구조를 가지고 있으며 광학 활성도 측정으로 분석할 수 있다는 사실을 밝혔습니다. 참고로 Polarimeter를 사용하여 빛의 진동 방향 변화를 분석하여 광학 활성도를 측정할 수 있습니다.


2-chloroethanol

Polarimeter
non-proteinogenic amino acids의 발견

Non-Proteinogenic Amino Acid는 단백질을 합성하지 않습니다. Non-Proteinogenic Amino Acid가 인식된 때는 19세기 후반입니다. 1865년, 영국의 화학자 Alexander Crum Brown은 Albino-mine을 분리하여 이를 “Amino Acid”로 기술했습니다.


Alexander Crum Brown (1838 ~ 1922)

Albino-mine

그리고 20세기 초반, 노벨 화학상을 두번이나 수상한 영국의 화학자 Frederick Sanger가 인슐린의 아미노산구조를 연구했고 인슐린에서 당시 비단백질아미노산이라고 여겨졌던 Cysteine과 Proline을 발견하는데 성공합니다.


Frederick Sanger (1918 ~ 2013)

인슐린

Cysteine

Proline
현대 Amino Acid 분석법

현대 아미노산 분석법은 크게 2가지로 나눠집니다. 수화 및 적색-감색 반응법 및 고급 기술을 사용하는 방법입니다. 수화 및 적색-감색 반응법에서 일반적인 경우 Ninhydrin Reaction이 사용됩니다. 고급기술은 Chromatography와 Mass Spectrometry가 있습니다. 이 외에도 미생물의 유전자 조작을 통해 Non-Proteinogenic Amino Acid를 합성할 수 있는 기술이 최근에 개발되며 Non-Proteinogenic Amino Acid 연구도 활발히 진행 중입니다.



Ninhydrin Reaction, Chromatography

첫 번째, Ninhydrin Reaction은 다음과 같은 순서로 진행됩니다. 먼저 시료 채취와 전 처리 과정이 이루어지고 Ninhydrin Solution을 제조합니다. Ninhydrin Solution은 일반적으로 0.2%로 제작, 냉장 보관합니다. 시료와 Ninhydrin을 혼합한 뒤 반응에서 가장 중요한 단계인 Sodium Chloride Solution첨가 과정을 수행합니다. Sodium Chloride Solution은 PH를 조절하는 과정으로 Ninhydrin Reaction에 필수적입니다. 참고로 Ninhydrin Reaction은 알칼리성 시료 조건에서 일어나지 않습니다. 섭씨 100도에서 10분간 가열한 뒤 시료가 분홍, 청, 보라색의 색상을 띠면 Ninhydrin Reaction이 일어났음을 판단할 수 있습니다. Ninhydrin Reaction이 일어났다는 것은 적어도 하나 이상의 아미노산이 시료 내에 존재한다는 것을 의미하고 Light Spectrometer로 정량 분석하면 보다 더 정확한 아미노산의 정량 정성적 분석이 가능합니다. 위의 그림은 Ninhydrin Reaction의 전체적인 과정입니다. 반응의 진행과정에서 Ninhydrin 시약과 Sodium Chloride Solution의 첨가가 일어났음을 쉽게 확인할 수 있습니다.



두 번째, Chromatography는 Liquid-Chromatography로 정제 이후 Gas-Chromatography 또는 정교한 High Performance Liquid Chromatography(HPLC)를 사용할 수 있습니다.


Chromatography

HPLC를 보면, 샘플을 고압으로 챔버에 공급하면 컬럼에 Injection되는데 이 때, 각각의 컬럼은 다른 분리 특성을 가지고 있고 시료는 이 특징을 기준으로 각각 다른 시간에 검출기로 도착합니다. 여기서 보정곡선을 이용하여 y절편과 기울기를 통해 특정 아미노산의 농도를 측정할 수도 있고, 아미노산 각각의 유전 시간, 스펙트럼 분석 등으로 정확한 아미노산의 종류를 구별해낼 수도 있습니다.



Mass Spectrometer

아미노산 분석 외에도 물리, 화학 분야에서 가장 중요한 실험기구인 Mass Spectrometer를 자세히 다뤄보려 합니다. 간단하게 다뤄보면, 첫 번째, 이온화 및 가속으로 다양한 이온화 조건을 통해 이온화 된 입자가 E = 1/2*mv^2의 형태인 운동에너지를 가지고 Electro-Magnetic Field에서 가속됩니다. 두 번째, 분리과정에서는 이온의 전자기장 내부 운동이 일어납니다. 이온의 속도는 전자기장과 수직인 Vector 방향이고 전하에는 F=q*E형태의 힘이 작용합니다. 이동거리는 Ion Mass의 제곱근에 반비례함을 쉽게 유도할 수 있습니다.

더 자세히 아미노산의 경우, 아미노산 샘플을 가스 상태로 만들기 위해 전자충돌이온화(EI) 또는 전자 부식 이온화(ESI) 등으로 이온화 시킵니다. 이온추출로 사전에 이온을 분리하거나 질량 분석기 내부에서 이온을 분리할 수 있습니다. 질량 분석기는 최종적으로 아미노산의 Mass-Ion비를 측정하여 그래프나 스펙트럼으로 나타냅니다. 실험자는 아미노산의 기존 데이터인 대조군과 비교하여 아미노산의 구조 및 항원성을 분석할 수 있습니다.



맺음말

많은 생명체에서 중요한 역할을 담당하는 아미노산은 단백질의 구성 성분으로서, 세포의 구조와 기능을 유지하고 조절하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 아미노산은 우리 몸에서 적절한 양과 비율로 섭취되어야 하며, 부족하거나 지나치게 과다한 경우에는 다양한 질환을 유발할 수 있습니다. 또한, 최근 연구에서는 아미노산이 인체 내에서 단순히 단백질의 구성 성분의 역할 뿐만 아니라, 뇌 기능 및 면역 기능에도 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 중요성으로 인해, 아미노산 연구는 항암제나 항생제 등 다양한 의약품 및 건강식품 분야에서 활발히 이루어지고 있습니다. 평소 적절한 양의 아미노산을 섭취하여 건강한 삶을 유지하시면 좋겠습니다. 육류, 해산물, 콩류, 견과류, 유제품, 곡류, 채소, 과일 등 대부분의 음식에 다양한 아미노산이 많이 함유되어 있다고 하니, 맛있게 드시고 건강하게 지내시기를 바랍니다.



 

박정현 학생기자 | Biology | 지식더하기


참고자료

[1] https://namu.wiki/w/

[2] https://ko.wikipedia.org/wiki/

[3] https://www.sciencetimes.co.kr/news/


첨부한 사진 출처

[1] https://section.blog.naver.com/

[2] https://kr.123rf.com/photo

[3] https://www.google.com/

[5] https://namu.wiki/w/

[6] https://ko.wikipedia.org/wiki/



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