우리 몸의 바탕을 이루는 성분 "단백질" (Protein) #1

안녕하세요. 유익한 건강 정보를 전달해 드리는 '우파파'입니다. 지난 포스팅까지 미네랄과 비타민의 모든 것에 대해 알아보았는데요. 오늘은 우리 몸의 골격, 뼈대 등 바탕을 이루는 성분, "단백질"에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

#1 단백질

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단백질이란?

인간을 포함한 모든 생물은 단백질 성분의 근육과 골격의 지지를 받는 구조로 이루어져 있습니다. 그만큼 단백질은 모든 생물체에 중요한 비중을 차지한다는 의미입니다. 단백질은 신체 구성에 가장 기본 단위이며, 고분자 유기 물질 또는, 흰지질이라고도 합니다. 단백질 영어명 프로틴(protein)은 단어는 그리스어 proteios '제1 성질', proteis '중요한 것', protos '첫 번째'에서 유래되었습니다. 단백질의 한자어는 독일어 아이바스슈토프(Eiweißstoff) '흰자 물질'에서 유래되었습니다.  단(蛋)이 새알을 뜻하는 것에서 알 수 있듯이, 단백질은 달걀 흰자위를 이루는 주요 성분입니다.

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단백질의 구조

단백질은 아미노산(amino acid)이라고 하는 생명의 기본 단위로 이루어진 긴사슬 분자입니다. 아미노산은 *아민과 *카르복시기 그룹을 포함하고 있습니다. 아미노산은 약 20가지 종류가 있습니다. 필수 아미노산 9 가지와 비필수 아미노산 11 가지, 총 20 가지의 종류가 있습니다. 최근 두 가지 아미노산이 새롭게 발견되어 지구상의 모든 동식물은 이상의 22가지 아미노산을 기본 구조로 이루어져 있습니다. 수많은 아미노산의 연결체로 20 가지의 서로 다른 아미노산들이 펩타이드 결합이라고 하는 화학 결합으로 길게 연결된 것을 폴리펩타이드라고 합니다. 비교적 단순한 아미노산으로 이루어진 단백질이라도 매우 복잡한 분자 구성을 이룰 수 있는 이유는 대부분의 단백질은 고유한 삼차원 구조로 접혀 있기 때문입니다. 생화학자들은 단백질의 구조를 크게 다음 4 가지로 분류하고 있습니다.

• 기본 구조: 선형 구조의 아미노산이 뼈와 함께 결합된 구조로 이것은 펩타이드 결합(peptide bond)이라고 합니다.

아미노산의 결합, 출처=한국통합생물학회

• 2차 구조: 국지적 또는 특별히 부분의 단백질이 삼차원 형태를 이루고 있는 구조. 이러한 국지적 구조는 꼬임 및 회전된 형태를 이루고 수소 원자와 결합하여 안정됩니다.

단백질의 2차 구조, 출처=한국통합생물학회

• 3차 구조: 단일 단백질 분자의 전체적인 형태. 접힘(fold) 이라는 용어와 같은 의미로 3차적 구조는 단백질의 기본 기능을 결정합니다.

단백질 3차 구조의 예(헤모글로빈), 출처=한국통합생물학회

• 4차 구조: 단일 단백질 복합체를 구성하는 몇 가지 단백질 분자(폴리펩타이드 사슬)로 형성된 구조. 일반적으로 단백질의 서브유닛이라고 합니다.

1806년 프랑스 화학자 루이 니콜라이 보클랭(Louis-Nicolas Vauquelin)과 피에르 장 로비케(Pierre Jean Robiquet)는 아스파라긴(aspragine) 이라고 명명하였습니다. 이것이 최초로 발견된 아미노산이었습니다.

• 아민(amin): 질소 원자 한 개와 수소 원자 두 개가 결합된 분자
• 카르복시기(carboxy qroup, carboxylgroup): 탄소 원자 한 개, 산소 원자 두 개, 수소 원자 한 개가 결합된 분자

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단백질의 기능

단백질은 흔히 근육 조직을 구성하는 물질로 잘 알려져 있습니다. 또한 단백질은 우리 몸에서 여러 형태로 다양한 기능을 수행하고 있습니다. 담백질의 주요 기능은 아래와 같습니다.

• 구조적 단백질(structural protein): 구조적 단백질은 대부분 섬유와 같은 성질을 나타냅니다. 콜라겐(collagen)과 엘라스틴(elastin)은 질긴 섬유와 같은 단백질입니다. 이 두성분은 연골과 모발에 중요한 영양소이며, 또한 피부 조직을 구성하는 기능을 합니다. 단백질 케라틴(keratin)은 머리카락과 손/발톱을 구성하는 기능하며, 동물의 경우 케라틴은 깃털, 발굽을 구성하는 기능을 합니다. 단백질은 단단한 섬유로 형성되어 세포의 형태와 크기를 유지할 수 있게 합니다.
• 세포 신호 전달(cell signaling): 대부분 단백질은 세포 신호 전달 및 신호 전달(cell signal transduction)과정에 관여합니다. 인슐린과 같은 일부 단백질은 멀리 떨어져 있는 조직 내 세포에서 합성된 신호를 전송하는 기능이 있습니다. 단백질은 세포 신호 과정 모두에 관여하며, 세포 내 수용체로써 세포 신호 분자와 결합하여 생화학 반응을 합니다. 체내에 들어온 이물질과 결합하여 이들을 파괴할 수 있도록 하는 항체는 면역체계와 관련된 단백질의 한 종류입니다.
• 효소 및 호르몬: 세포 내에서 단백질의 역할은 효소로 작용하여 화학 반응을 촉지하는 것입니다. 섭취한 식품을 세포 에너지로 환원하는 과정을 촉진합니다. 또한 단백질은 소화 효소는 항산화 영양소 형태를 구성하기도 합니다. 셀레늄이 함유된 단백질은 글루타치온 과산화효서(glutathione peroxidase)는 인체에서 가장 중요한 항산화 화합물이며, 인슐린 및 글루카곤(glucagon)과 같은 내분비 호르몬 또한 중요한 단백질입니다.

1955년, 인슐린은 처음으로 서열이 완전히 파악된 단백질이 되었습니다. 영국 생화학자 프레더릭 생어(Frederick Sanger)는 이 획기적인 연구를 인정받아 노벨 화학상을 수상하였습니다.
1978년에는 생명공학 회사 제넨테크(Genetech)는 합성 인체 인슐린을 생산할 수 있는 유전자 재조합 기술 개발에 성공하였고, 인슐린은 생명공학 기술을 통해 최초로 제작된 인체 단백질이 되었습니다.

• 기타 단백질 기능: 영양소 운반과 저장, 성장인자, 세포 접착 등의 중요한 역할을 하며, 신경 전달 물질이나 다른 분자에 대한 전구체 역할을 합니다. 신경 전달 물질은 신경 사이로 신경 충격이 전송될 수 있게 하는 분자입니다.

1. 트립토판(tryptophan): 기분 조절 역할을 하는 신경 전달 물질인 세로토닌의 전구체
2. 타이로신(tyrosin)의 전구체인 페닐알라닌(phenylalanine): 도파민(dopamin), 노르에피네프린(norepinephrine), 아민(amin)의 전구체
3. 글리신(glycine): 포르피린(porphyrin), 헴(heme)이라고 하는 혈액을 구성하는 중요한 화합물의 전구체
4. 아르기닌(arginine): 산화질소의 전구체

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글을 마치며

오늘 포스팅을 정리하면, 단백질은 신체 구성의 가장 기본적인 단위이며, 고분자 유기물, 흰지질이라고 합니다. 비교적 단순한 아미노산으로 이루어진 단백질이라도 고유한 삼차원 구조로 접혀 있기 때문에 복잡한 분자 구성을 이룰 수 있으며, 단백질의 구조는 크게 4 가지(기본 구조, 2차 구조, 3차 구조, 4차 구조)로 분류하고 있습니다. 단백질의 기능으로는 구조적 단백질은 특정 세포 내에서 작은 분자나 이온 저장소로 작용하거나 단백질 합성을 위한 아미노산 저장소로 작용하며, 신호 단백질은 세포 간 도는 세포 내에서 정보를 전달해 주며, 효소 단백질은 생화학 반응을 촉매 역할을 합니다. 수용체 단백질은 세포 내 외부의 환경 또는 발생 과정의 신호를 감지하여 세포 안에 전달하고 적절한 세포 반응이 일어나게 합니다. 이상으로 단백질의 구조 및 기능에 대하여 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 필수 아미노산, 비필수 아미노산 등에 대하여 더 상세히 알아보도록 하겠습니다. 

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필수 아미노산 "단백질" (Protein) #2

비필수 아미노산 1편 "단백질" (Protein) #3

 

비필수 아미노산 2편 "단백질" (Protein) #4