7. 생물공학적 생산물의 특성 -2

지난 포스팅에 이어 생물 공학적 생산물의 특성 2번째 이야기로 '단백질'을 살펴보겠습니다. 

 

A. 생물공학적 생산물로서의 '단백질'

단백질은 고분자 물질로서 생리학적으로 매우 중요합니다. 단백질 분자의 아미노산으로만 구성된 단순 단백질, 아미노산 외에도 당, 지질, 무기물, 색소 등을 함유한 복합 단백질, 천연 단백질을 분해하거나 변성시켜 만든 유래 단백질로 분류됩니다. 단백질 중 생리 활성을 가진 물질에는 효소, 호르몬, 인터페론, 항체가 포함됩니다.

B. 단백질의 구조

단백질 구조는 네 가지 영역으로 나뉩니다: 1차 구조, 2차 구조, 3차 구조, 그리고 4차 구조.
단백질의 1차 구조는 펩타이드 결합의 아미노산 서열을 형성하는 선형 구조로 단백질을 구성하는 아미노산의 종류, 이온화량, 극성 또는 비극성 그룹의 존재 여부에 따라 단백질의 물리적 특성이 결정됩니다.
단백질의 2차 구조는 평면 구조를 형성해 펩타이드 사슬의 C-N 결합은 부분적으로 이중 결합 특성을 가지고 있어 자유롭게 회전할 수 없어 단백질 구조 형성이 가능합니다. 2차 구조의 기본 형태는 펩타이드 중 카복실기와 아민기 사이의 수소 결합으로 구성되며, 오른쪽으로 회전된 형태인 a-helix 결합과 펩타이드 사슬 사이의 수소 결합에 의해 안정적인 병풍형(pleated) B-sheet로 형태를 형성합니다.
단백질의 3차 구조는 단백질 분자의 3차원 입체 구조를 나타내 알킬 그룹(R-group) 간의 상호작용은 펩타이드 사슬이 어떻게 구부러지고 감기는지를 결정합니다. 펩타이드 결합은 이온 결합, 수소 결합, 소수성 상호작용 등 다양한 결합에 의해 밀집된 구조가 겹쳐서 안정화됩니다. 소수성 R 그룹은 단백질 구조 내부로 들어가는 경향이 있으며, 외부에 친수성 R 그룹으로 구성되어 있어 용해성이 높습니다.
각 펩타이드는 모여 4차 구조를 형성하여 단백질 구조 간의 결합 에너지는 3~7kcal/mol로 약하기 때문에 열, pH, 이온 강도, 용액 극성과 같은 환경 변화로 인해 단백질 변화가 발생할 가능성이 높습니다. 생리적 활성을 가진 단백질은 종종 4차 구조에 기인합니다. 또한 탄수화물과 정전기적 인력 또는 약한 상호 연결로 구성된 지질 성분을 포함할 수도 있습니다. 탄수화물을 함유한 당단백질에는 항체와 다양한 종류의 효소가 포함되어 있습니다. 지단백질은 지질을 혈액으로 옮기는 혈장에서 발견될 수 있습니다. 단백질은 힘줄, 유기체의 구조적 구성 요소, 체온을 유지하는 모발, 대사 활동을 조절하는 호르몬, 운동 능력을 가진 근육, 반응의 촉매 역할을 하는 효소 등으로 다양한 기능을 합니다. 그중 중요한 생물학적 활성 단백질의 종류는 다음과 같습니다.

 

① 효소 
효소는 수많은 생화학 반응에서 촉매 역할을 하는 비교적 분자량이 높은 단백질로, 2,000여 종이 알려져 있으며 그 중 약 10%가 산업적으로 사용되고 있습니다. 많은 종류의 효소가 여러 개의 서브 유닛 폴리펩타이드로 구성되어 4차 구조를 형성합니다. 효소 활성에 관여하는 아미노산의 종류에는 아스파르트산, 시스테인, 글루탐산, 히스티딘, 라이신, 메티오닌, 세린, 트레오닌 등이 있습니다. 금속에는 Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, K+, Na+ 등이 있습니다. 이 효소의 독특한 특징은 상온에서 기질 특이성과 반응한다는 점입니다. 무기 반응은 주로 고온에서 일어나는 반면 생물학적 반응은 대부분 상온에서 일어납니다. 생물에서 일어나는 반응은 매우 복잡합니다. 효소 반응 부위는 두 개의 서브 유닛으로 구성되며, 그중 하나는 조절 부위로 구성되고 다른 하나는 기질과 작용하는 활성 반응 부위로 구성됩니다. 따라서 효소 반응은 특정 모양을 형성하는 조절 부위에 의해 조절됩니다. 이 부위가 효소의 구조와 유사한 억제제에 의해 먼저 결합하면 기질과 작용하는 활성 반응 부위의 모양이 달라집니다. 따라서 기질은 효소의 반응 부위에 결합할 수 없어 반응을 억제합니다. 이러한 억제 현상은 효소의 활동을 변화시킵니다.

② 의약용 단백질 
의약 목적으로 사용되는 단백질은 일반적으로 분자량이 10,000 이하인 단백질 또는 폴리펩타이드로 만들어집니다. 여기에는 인터페론, 인슐린, 인터류킨, 인간 성장 호르몬 등이 포함됩니다. 또한 인체에서 중요한 생리 활성을 가지고 있기 때문에 생물 공학에서 큰 관심을 받는 분야이기도 합니다.

③ 항원 및 항체 
항원은 생체 내 면역 반응을 매우 소량 일으키는 이질적인 화합물로, 일반적으로 분자량이 10만 이상인 고분자 단백질과 다당류를 예로 들 수 있습니다. 항체는 항원에 결합하는 물질로 고등 동물에서 생성되는 당단백질인 면역글로불린을 포함합니다. 항원을 가지 모양의 양쪽에 결합하여 불용성 복합체를 형성하여 침전시킵니다.
림프구는 신체의 림프구(림프구, 백혈구)에서 항체를 만들고 림프절·비장·흉선·편도·골극 등에서 만들어집니다. 진단 시약이나 약물용 항체를 대량 생산해야 하지만, 분리된 림프구는 항체 함량이 적습니다. 척수암세포와 림프구 사이의 원형질체 융합으로 만들어진 하이브리드 세포를 배양하여 순수한 항체 생산이 가능합니다.

생물 공학적 생산물의 특성 중 가장 중심이 되는 유용 물질인 '단백질'에 대하여 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 건강기능식품의 대표주자 '비타민'과 제약 분야에서 눈여겨보고 있는 '항생물질과 핵산 및 다당류'에 대하여 알아보도록 하겠습니다.