아미노산(Amino Acid) : 우리몸을 구성하는 필수 구성요소 20가지 이야기

아미노산(amino acid)는 단백질의 구성 요소인 유기 화합물입니다.  이들은 아미노기(-NH2)와 카복실기(-COOH)를 모두 가지고 있는 분자입니다.  또한 펩타이드 결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩타이드 사슬을 형성하고, 폴리펩타이드 사슬이 서로 접혀서 단백질을 형성합니다.

이 구성 요소는 생물체의 모든 생화학적 반응에 필수적이며 단백질을 구성하는 것 외에도 신경전달물질, 호르몬, 효소 등 다양한 생체 분자를 구성합니다. 또한, 일부 에너지원으로 사용되기도 합니다.

인체는 20가지 아미노산(amino acid)을 필요로 하는데, 이 중 9가지는 필수이고 나머지 11가지는 비필수입니다. 필수 아미노산(amino acid)은 인체에서 합성할 수 없기 때문에 음식을 통해 섭취해야 합니다. 비필수 아미노산(amino acid)은 인체에서 합성할 수 있지만, 충분한 양을 합성하지 못할 때는 음식을 통해 섭취해야 합니다.

아미노산(amino acid) 이해하기

분류

• 필수 (Essential Amino Acids)

  • 인체가 스스로 합성하지 못하고 외부 식품으로부터 섭취해야 함

• 비필수 (Non-essential Amino Acids)

  • 인체 내에서 스스로 합성할 수 있으며, 외부 섭취가 필요하지 않음

• 조건부 필수(Conditionally Essential Amino Acids)

  • 특정 상황에서는 인체가 필요로 하지만, 일반적으로는 합성될 수 있음

• 분기 사슬 (Branched-Chain Amino Acids, BCAAs)

  • 이소류신, 로이신 및 발린과 같이 분자 구조에 가지가 있는 것을 나타내며, 운동 및 근육 회복과 관련이 있음

공통 구조

• 암인산기 (Amino Group)

  • 기본 구조는 암인산기로, 이것은 질소(N) 원자와 수소(H) 원자로 이루어진 NH2 그룹입니다. 이 그룹은 질소 원자가 중심이 되어 있습니다.

• 탄소원자 (Carbon Atom)

  • 중심 탄소 원자인 탄소(C) 원자를 포함합니다.

• 국인산기 (Carboxyl Group)

  • 탄소 원자에 결합한 이산화탄소(CO2) 원자로 이루어진 카르복실 그룹(-COOH)이 존재합니다.

• 측기(R-Group 또는 Side Chain)

  • 아미노산(amino acid) 각각은 고유한 측기 또는 사이드 체인을 가지고 있는데, 이것이 서로를 구분짓게 합니다. 다양한 종류와 기능은 이 측기에 따라 다릅니다.

주요 기능

1. 단백질 합성

   • 펩타이드 결합을 통해 서로 연결되어 단백질을 형성합니다.

2. 신경전달물질 합성

   • 신경전달물질의 전구체입니다. 신경전달물질은 신경 세포 사이의 정보 전달을 담당하는 화학 물질입니다.

3. 호르몬 합성

   • 호르몬의 전구체 이기도 합니다. 호르몬은 신체의 다양한 기관과 조직의 기능을 조절하는 화학 물질입니다.

4. 효소 합성

   • 효소의 구성 요소입니다. 효소는 생화학적 반응을 촉매하는 단백질입니다.

5. 에너지원

   • 에너지원으로 사용될 수 있습니다. 분해되어 포도당과 같은 다른 에너지원으로 전환될 수 있습니다.

아미노산(amino acid) 포함 식품과 그 함량

아미노산(amino acid) 특성

아미노산(amino acid)들이 연결되어 폴리펩타이드를 형성하며, 이는 단백질을 구성합니다. 폴리펩타이드는 일련의 선형적 연결된 형태를 가지며, 분지되거나 가지치기되지 않은 사슬입니다. 이러한 선형적인 구조는 그들의 서열과 결합 순서에 따라 다양한 단백질을 형성하게 됩니다. 단백질은 다양한 아미노산(amino acid)의 조합으로 이루어져 있으며, 폴리펩타이드 사슬의 길이와 이들의 서열은 단백질의 특성을 결정하며, 이는 생물학적 기능, 구조, 상호 작용 등을 결정합니다. 이러한 사슬을 연결하는 과정은 축합 반응(Translation)이라고 불리며, 이 과정은 mRNA(메신저 RNA)에 인코딩된 유전 정보를 기반으로 tRNA(전송 RNA)와 리보솜(리보솜 RNA와 단백질로 이루어진 복합체)이 협력하여 아미노산(amino acid)을 이어 붙이는 과정을 포함합니다. 이러한 방식으로 폴리펩타이드가 형성되고, 그 결과로 단백질이 생성됩니다.

1. β-알라닌과 α-알라닌 구조

이성질체(isomer)

동일한 화학식을 가지고 있지만 구조가 다른 화합물로 원자의 연결 순서가 다르거나 원자의 공간적 배열이 다르기 때문에 발생합니다.

1. 구조 이성질체
   • 구조 이성질체(structural isomer)는 원자의 연결 순서가 다른 이성질체입니다. 예를 들어, 에탄올과 디메틸 에테르는 모두 C2H6O라는 화학식을 가지고 있지만, 구조가 다릅니다. 에탄올은 -CH2-CH2-OH라는 구조를 가지고 있고, 디메틸 에테르는 CH3-O-CH3라는 구조를 가지고 있습니다.
2. 입체 이성질체
   • 입체 이성질체(stereoisomer)는 원자의 연결 순서가 같지만 공간적 배열이 다른 이성질체입니다. 입체 이성질체는 거울상 이성질체와 기하 이성질체로 나눌 수 있습니다.
3. 이성질체의 예
   • 에탄올과 디메틸 에테르
   • 왼손잡이와 오른손잡이
   • 시스-2-부텐과 트랜스-2-부텐
   • 글루코스와 프룩토스
   • 우라실과 티민

β-알라닌

알라닌의 베타 이성질체입니다. 베타 이성질체는 알파 이성질체와 달리 카복실기(-COOH)와 아미노기(-NH2)가 반대쪽에 위치합니다.

• 화학식 C₃H₇NO₂
• 분자량 89.09 g/mol
• α-알라닌은 가장 흔하게 나타나는 알라닌 형태
• 흰색 또는 무색의 결정성 고체이며, 물에 잘 녹음
• 이 이름은 알라닌 분자의 탄소 원자들 중에서 중심 탄소 원자(Cα)가 아미노기(OH)와 카르복실기(COOH) 사이에 위치한 것에서 유래
• 구조적으로, α-알라닌은 카르복실기와 아미노기가 동일한 탄소 원자에 결합되어 있으며, 이로 인해 선형적인 형태를 가짐

α-알라닌

알라닌의 알파 이성질체입니다. 알파 이성질체는 카복실기(-COOH)와 아미노기(-NH2)가 같은 쪽에 위치합니다.

• 화학식 C₃H₇NO₂
• 분자량은 89.09 g/mol입
• 흰색 또는 무색의 결정성 고체이며, 물에 잘 녹음
• β-알라닌은 α-알라닌과 구조적으로 다른 이성질체
• 이 이름은 α-알라닌과 비교하여 중심 탄소 원자(Cβ)가 아미노기(OH)와 카르복실기(COOH) 사이에 위치한 것에서 유래
• 구조적으로, β-알라닌은 카르복실기와 아미노기가 서로 다른 탄소 원자에 결합되어 있으며, 이로 인해 α-알라닌과는 다른 3차원 구조를 가집니다.

1. 화학적 성질
   • β-알라닌은 α-알라닌보다 산성이 강합
     • β-알라닌의 카복실기가 α-알라닌의 카복실기보다 더 전자를 끌어당기기 때문
   • β-알라닌은 또한 α-알라닌보다 친수성이 더 큼
     • β-알라닌의 카복실기가 α-알라닌의 카복실기보다 물 분자와 더 강하게 결합하기 때문
2. 생리적 역할
   • β-알라닌은 카르노신의 합성에 중요한 역할을 합니다. 카르노신은 근육에서 발견되는 디펩타이드로, 피로를 지연시키고 근육 성장을 촉진하는 역할을 합니다. α-알라닌은 단백질 합성에 중요한 역할을 합니다. 단백질은 신체의 모든 세포와 조직을 구성하는 필수적인 물질입니다.
3. 식이 공급원

• • β-알라닌은 육류, 생선, 계란, 유제품 등에 함유되어 있습니다. α-알라닌은 육류, 생선, 계란, 유제품, 콩류, 견과류, 씨앗 등 다양한 식품에 함유되어 있습니다.

2. 셀레노시스테인 구조 다이어그램

셀레노시스테인은 25개의 알려진 단백질에서 발견되었습니다. 이러한 단백질은 항산화 효소, 티로이드 호르몬 대사 효소, 면역 체계 효소 등 다양한 기능을 합니다. 그리고 황과 비슷한 원자인 셀레늄(Selenium)이 함유된 특별한 아미노산(amino acid)으로 이들은 단백질 내에 특정 기능을 수행하기 위해 사용되며, 일반적인 아미노산(amino acid)과는 다른 합성 메커니즘을 통해 통합됩니다. 셀레노시스테인의 구조는 황을 포함한 시스테인과 유사하지만, 황 대신 셀레늄이 함유되어 있습니다. 아래는 셀레노시스테인의 구조를 나타내는 간단한 다이어그램입니다

다이어그램에서 볼 수 있듯이, 셀레노시스테인 구조는 시스테인과 유사하게 아미노기(아미노와 카르복실기), 중심 탄소 원자, 셀레늄 원자, 그리고 측기(OH)로 이루어져 있습니다. 셀레늄은 일반적으로 이 다이어그램에서 Se로 나타내며, 시스테인의 황(Sulfur, S) 대신 셀레늄이 결합되어 있는 것을 나타냅니다. 셀레노시스테인은 특별한 합성 메커니즘을 통해 단백질에 통합되며, 이 과정은 SECIS 요소 및 특정 효소와 함께 이루어집니다. 이러한 특별한 아미노산(amino acid)은 생물학적 기능에서 중요한 역할을 하며, 예를 들어 셀레노효소(Selenoenzyme)라고 불리는 효소의 활성 부위의 촉매 부분으로 사용됩니다.

3. 단백질 생성

단백질의 전구체로 작용하며, 단백질 합성 과정인 번역(Translation)을 통해 단백질을 형성하는 데 필수적입니다. 이 과정에서 단백질 사슬에 순서대로 결합되어 단백질의 구조를 결정하고 단백질의 기능을 수행합니다.

번역 과정

1. 메신저 RNA (mRNA)는 DNA에서 전사된 것으로, 단백질을 생성하는데 필요한 정보를 운반
2. 리보솜(Ribosome)이라는 구조에서 mRNA를 읽고, tRNA(전송 RNA)라는 분자들이 mRNA의 코돈(codon)과 상응하는 아미노산(amino acid)을 운반
3. tRNA는 mRNA의 코돈과 상응하여 합성하고 리보솜 내에서 단백질 사슬에 결합
4. 이러한 과정을 반복하여 단백질 사슬에 순서대로 추가되며, 단백질이 형성
5. 단백질의 구조와 기능은 이들의 순서와 배치에 따라 결정

4. 표준과 비표준 아미노산(amino acid)

표준 아미노산(amino acid)(Standard Amino Acids)

• • 인체와 다른 유기체에서 단백질 합성에 직접적으로 사용되는 20개를 말함
  • 일반적으로 모든 생물체에서 단백질 합성에 사용되며, 특별한 합성 메커니즘이나 경로 없이도 번역과정을 통해 폴리펩티드에 통합
  • 알파-헬릭스나 베타-시트 등의 단백질의 3차원 구조를 안정화하는 역할을 하며, 다양한 단백질 기능을 수행

비표준 아미노산(amino acid)(Non-Standard Amino Acids)

• • 일반적인 번역 메커니즘을 통해 단백질에 통합되지만, 표준(amino acid)과는 다른 합성 경로나 특수한 조건이 필요한 경우가 있습니다.
  • 특수한 기능을 수행하거나 특정 화학적 프로세스(셀레노시스테인, 피롤리신 드)에 참여하는 데 사용됩니다.
  • 셀레노시스테인(Selenocysteine)과 피롤리신(Pyrrolysine)은 비표준 (amino acid)으로 분류되며, 이들은 특별한 조건하에서 특수한 합성 메커니즘을 통해 단백질에 통합됩니다.
  • 특정 효소나 RNA 요소의 도움을 받아 통합

5. 비단백질성

단백질 생성 이외의 다양한 기능을 수행하며, 다양한 생물학적 과정에 참여하고 있습니다. 이들은 종종 생체 내에서 신경전달물질, 항산화물질, 에너지 생산 및 다른 생화학적 경로에서 사용됩니다.

티로신 (Tyrosine)

• 티로신은 페닐알라닌의 대체물로, 도파민, 에피네프린, 노르에피네프린과 같은 카테콜아민 신경전달물질의 전구체
• 티로신은 또한 갑상선 호르몬인 티로신스와 단백질 키나제에 참여하여 신체 대사와 호르몬 제어에 기여

페닐알라닌 (Phenylalanine)

• 페닐알라닌은 티로신의 전구체로 작용하며, 카테콜아민 신경전달물질의 합성 기여
• 페닐알라닌은 단백질 합성 이외에도 산화방지 작용을 하는 항산화물질로 활용될 수 있음

히스티딘 (Histidine)

• 히스티딘은 히스타민의 전구체로 작용하며, 염증 및 신경전달물질로서 기여
• 히스티딘은 또한 급성 단백질 합성 경로와 관련된 효소의 활성화에 참여

프롤린 (Proline)과 히드록시프롤린 (Hydroxyproline)

• 프롤린과 히드록시프롤린은 콜라겐의 주요 구성 요소로, 결합 조직의 강도와 탄성에 기여
• 이러한 아미노산(amino acid)들은 콜라겐 섬유의 안정성을 높이는 데 기여

감마-아미노부티르산 (Gamma-Aminobutyric Acid, GABA)

• GABA는 중추 신경계의 억제성 신호 전달물질로 작용
• GABA는 뇌의 화학적 평형을 조절하고 뇌 기능을 안정시키는 데 기여

아미노산(amino acid) 용도

화공업

1. 생분해성 플라스틱
   • 이러한 폴리머는 환경 친화적인 포장재, 약물 전달 시스템, 의학 분야에서의 보철 임플란트 구성 등에 사용
   • 생분해성 스케일 방지제 및 부식 억제제로도 활용
2. 화학빌딩블럭
   • 순수한 키랄 화합물의 합성에 사용됨
   • 키랄 화합물은 거울상 이성질체를 가질 수 있는 화합물
   • 거울상 이성질체는 서로의 거울상이며, 화학적 성질은 동일하지만 생물학적 성질은 다를 수 있음
   • 약물, 화학 촉매 및 다양한 화학물질을 효과적으로 합성하고 정제할 수 있음
3. 합성섬유
   • 나일론(Nylon)
     • 나일론은 주로 헥사메틸렌다이아민과 아딸산(딸리언산)을 사용하여 제조
     • 나일론 섬유는 강도와 내구성이 뛰어나며, 의류 및 타이어 등 다양한 용도로 사용
   • 폴리에스터(Polyester)
     • 폴리에스터 섬유는 테렟사민과 비닐렌글라이콜을 사용하여 제조
     • 이러한 섬유는 가볍고 내구성이 뛰어나며, 의류, 침구 및 포장재 등에 사용
   • 아크릴(Acrylic)
     • 아크릴 섬유는 아크릴 원료로 사용
     • 가볍고 부드럽며, 우비, 담요, 모자 및 섬유 충전재로 널리 사용
4. 고무
   • 스티렌과 부타디엔을 원료로 합성
   • 스티렌과 부타디엔은 에멀젼 중합법 또는 용액 중합법을 통해 중합되어 합성고무를 형성
5. 페인트
   • 아크릴산과 메타크릴산은 중합되어 아크릴 수지와 메타크릴 수지를 형성
   • 아크릴 수지와 메타크릴 수지는 페인트의 결합제로 사용

농식품

1. 비료
   • 요소와 인산암모늄으로 합성
   • 질소비료, 인산비료, 칼륨비료 등의 비료를 만드는 데 사용
   • 질소비료는 질소를 함유한 비료로, 식물의 생장에 필수적인 영양소
   • 인산비료는 인산을 함유한 비료로, 식물의 뿌리 발달과 꽃, 열매 형성에 도움이 됨
   • 칼륨비료는 칼륨을 함유한 비료로, 식물의 생장과 항병성을 높이는 데 도움이 됨
2. 가축 사료
   • 리신, 메티오닌, 트레오닌, 트립토판등이 사용
   • 가축의 생장과 발육에 필수적인 영양소
   • 리신은 근육 형성, 메티오닌은 깃털과 털의 형성, 트레오닌은 면역 체계와 소화 기관에 기여, 트립토판은 신경 전달 물질의 합성에 참가
3. 식물의 생장을 촉진하는 호르몬
   • 트립토판과 아르기닌
   • 트립토판은 오신을 합성하는 데 사용되고, 오신은 식물의 뿌리 발달과 꽃, 열매 형성을 촉진
   • 아르기닌은 사이토키닌을 합성하는 데 사용되고, 사이토키닌은 식물의 세포 분열과 신초 발달을 촉진

기타

1. 화장품
   • 보습제, 피부 미백제, 주름 개선제 등으로 사용
   • 보습제
     • 글리세린, 프로필렌 글리콜, 세린, 알라닌 등이 보습제로 사용
   • 피부 미백제
     • 글루타치온, 아르부틴, 티로신 등이 피부 미백제로 사용
   • 주름 개선제
     • 글리신, 프로린, 라이신 등이 주름 개선제로 사용
2. 약품
   • 항생제
     • 박테리아의 세포벽 합성을 억제하여 박테리아를 죽이는 항생제를 만드는 데 사용
     • 페니실린, 세팔로스포린, 아미노글리코사이드 등의 항생제
   • 진통제
     • 아스피린, 이부프로펜, 아세트아미노펜 등의 진통제
   • 항암제
     • 암세포의 성장을 억제하는 항암제를 만드는 데 사용
     • 메토트렉세이트, 플루오로우라실, 시스플라틴 등의 항암제가 대표적
   • 당뇨병
     • 아르기닌과 글루탐산
   • 비만
     • 카르니틴과 메티오닌
   • 심장병
     • 아르기닌과 타우린
3. 비타민
   • 비타민 B1
     • 티아민은 비타민 B1
     • 비타민 B1은 신체의 에너지 대사에 기여
   • 비타민 B2
     • 리보플라빈을 합성하는 데 사용되고, 리보플라빈은 비타민 B2
     • 비타민 B2는 신체의 세포 증식과 에너지 대사에 기여
   • 비타민 B6
     • 피리독신을 합성하는 데 사용 되고, 피리독신은 비타민 B6
     • 비타민 B6는 신체의 단백질 대사와 면역 체계에 기여
   • 비타민 C
     • 아스코르빈산을 합성하는 데 사용
     • 아스코르빈산은 비타민 C
     • 비타민 C는 신체의 면역 체계와 항산화 작용
4. 식품 첨가물
   • 향미 증진제
     • 글루탐산나트륨, 아스파탐, 아세설팜칼륨 등
     • 바닐린, 에틸말톨, 피페라진 등
   • 발제
     • 카로틴, 리코펜, 클로로필
5. 세제
   • 세제의 계면활성제로 사용
   • 계면활성제는 세제가 물과 기름을 혼합하여 세탁하는 역할
   • 글리신, 알라닌, 세린
6. 건강보충제
   • 근육량 증가
     • BCAA(분지쇄 아미노산(amino acid))와 글루타민
   • 피로 회복
     • BCAA와 아르기닌이
   • 면역 체계 강화
     • 글루타민과 아르기닌

생명의 기원

아미노산(amino acid)과 지구상 생명의 기원은 긴밀한 관련이 있습니다. 이들은 단백질의 구성 요소이며, 단백질은 모든 생명체의 근본이라 할 것입니다. 일단 지구상의 모든 유기체는 L-amino acid으로 구성되어 있고, D-amino acid은 거의 발견되지 않습니다. 이는 지구상의 생명체가 L-amino acid을 사용하여 진화했기 때문입니다. 왜 지구상의 유기체가 D-amino acid 대신 L-amino acid으로 구성되어 있는지에 대한 질문은 여전히 풀리지 않은 수수께끼입니다.

그러나 과학자들은 이에 대한 몇 가지 가설을 제시하고 있습니다.

1. 초기 지구에서 아미노산(amino acid)의 전구체였던 유기 화합물의 상당 부분이 혜성과 운석의 충돌로 인해 파생되었을 수 있다는 것
   • 유기물이 풍부한 운석 충돌 중 하나는 1969년 9월 28일 호주 빅토리아주 머치슨 상공에서 발생했습니다. 이 운석은 수분 함량이 12%로 높아 혜성에서 기원한 것으로 추정됩니다. 머치슨 운석 내에서는 수십 가지의 서로 다른 아미노산(amino acid)이 확인되었으며, 그 중 일부는 지구에서도 발견됩니다. 그러나 운석에서 확인된 일부 화합물은 뚜렷한 육상 출처가 없습니다. 가장 흥미로운 것은 머치슨 운석의 아미노산(amino acid)이 과량의 L-아미노산(amino acid)을 나타낸다는 보고입니다. 태양계의 L-아미노산(amino acid) 과잉에 대한 외계 공급원은 지구 생명체의 기원보다 이전에 존재했을 수 있으며, 따라서 생명체 이전 지구에 유사한 L-아미노산(amino acid) 과잉의 존재를 설명할 수 있습니다.
2. 지구 초기의 환경이 L-amino acid의 생성에 더 유리했을 수 있다는 것
   • 자외선이나 방사선과 같은 환경 요인이 D-amino acid을 파괴했을 수 있습니다.
3. 초기 지구에 존재했던 생명체가 L-amino acid을 사용했기 때문에 L-amino acid이 우세하게 되었다는 것
   • 생명체가 L-amino acid을 사용하는 데 더 효율적이었거나, L-amino acid이 더 풍부했기 때문일 수 있습니다.

이러한 아미노산과 관련한 지구상 생명의 기원에 대한 연구는 아주 흥미로운 주제이며 우리의 근본을 파악하는 중대한 내용일수 있습니다. 그리고 아직 초기 단계에 있으며 과학자들은 점차 이 문제에 대한 이해를 넓혀가고 있습니다. 앞으로의 연구를 통해 아미노산과 지구상 생명의 기원에 대한 더 많은 정보가 밝혀질 것으로 기대됩니다.

생명의 시작과 끝

아미노산(amino acid)은 생명체 시작에 함께하였으며 피와 살을 만들고 다시 자연 속으로 돌아가는 우리 삶을 표시하는 핵심 주체이자 요소입니다. 또한, 현대 산업 전반에 걸쳐 우리 생활 속에 깊숙이 관련되어 있으며 마치 공기처럼 그 존재를 인식하지 못 할 때도 있습니다.

일부는 우리 건강과 노화에 관련되어 깊은 연구가 이루어지고 있으며 그 발전 방향 또한 밝습니다. 그 내용을 상세하게 안다는 것은 활용에 좀 더 유리하고 도구를 잘 사용하면 생활이 편리해지는 그것처럼 우리 건강 또한 아미노산(amino acid)을 앎으로써 더 나아지지 않을까 합니다.