탄수화물과 단백질당 그리고 무신

세포에서의 상호작용 매개체, 탄수화물

여러 해 동안 탄수화물에 관한 연구는 생화학분야의 주된 관심분야에서 소외되어 왔다. 탄수화물은 주된 연료 분자이며 세포의 구성 성분으로 매우 중요하게 인식되어 왔으나 세포의 핵심이 되는 활동에서는 지엽적인 역할을 하는 것으로 간주되었다. 본질적으로 이들은 생화학적 구조물을 떠받치는 연료로 큰 비중을 차지한다고 생각되어 왔다. 이러한 견해는 최근 수년동안 극적으로 변했다. 모든 유기체의 세포들은 두텁고 복잡한 탄수화물의 외투로 둘러 싸여 있음을 알게 되었고 또 분비되는 단백질은 가끔 광범 위하게 탄수화물로 장식되는데 그것은 이 단백질의 기능에 필수적이라는 것을 알게 되었다.

 

고등 진핵생물에서의 세포 바깥표면, 그 세포가 살아가는 주변에는 부착된 탄수화물이 풍부한데 이것은 세포 생존과 세포와 세포간 통신에 긴요하게 사용된다. 탄수화물은 모든 유기체의 발육과 기능에 있어서 연료로 사용될 뿐 아니라 정보가 풍부하게 담긴 중요한 물질이다. 탄수화물, 탄수화물을 포함한 단백질 그리고 탄수화물에 결합하는 특이한 단백질들은, 세포들이 모여 조직을 형성할 때 상호작용하기 위해서 필요하고 그뿐 아 니라 사람 혈액형의 기초이며, 그리고 다양한 병원체들이 숙주세포에 접근하는데 사용된 다. 실로 탄수화물은 단순히 세포 구성성분으로가 아니라 세포의 생화학적 구조물에 세부적인 마감과 기능 증진을 할 수 있게 해 주며 세포의 아름다움, 기능성, 그리고 독특한 성질을 규정하는데 도움을 준다.
세포에서의 상호작용을 매개하는 역할을 하는 탄수화물이 가지는 중요한 특성은 이 부류의 분자들 안에서 엄청난 구조적 다양성이 가능하다는 것이다. 탄수화물은 단당류로 구성되는데, 단당류는 전형적으로 히드록실기들에 결합된 세 개에서 아홉개까지의 탄소 원자들로 구성되는 작은 분자이다. 단당류는 크기가 다양하며 한 개 이상의 탄소 중심들에서 입체화학적 배열이 서로 다르다. 이 단당류들은 서로 연결되어서 여러 가지 소당류 구조들을 형성한다. 가능한 소당류의 개수가 아주 많기 때문에 그것은 이 부류의 분자를 정보가 풍부한 고분자로 만들게 된다. 이 정보가 단백질에 부착될 때에는 단백질 자체가 이미 갖고 있던 엄청난 다양성에 더하여 훨씬 더 정보가 늘어나게 된다.

 

생화학의 여러 분야에서 탄수화물의 중요성이 알려지면서 당생물학(glycobiology)이라는 새로운 연구분야가 태동하기 시작하였다. 당생물학은 탄수화물의 합성과 구조연구는 물론, 어떻게 탄수화물이 단백질들과 같은 다른 분자들에 부착되는지 또 어떻게 이 러한 분자들에 의해서 인식되는지를 연구하는 학문이다. 새로운 분야가 생기면서 우리는 유전체학(genomics), 단백체학(proteomics)에서처럼 "체학(omics)”이라는 어미를 붙인다. 당체학(glycomics)은 당체(glycome)를 연구하는 학문이며 세포에서 만들어진 모 든 탄수화물과 탄수화물 관련 분자들에 대해서 연구한다. 단백체와 마찬가지로 당체도 정적인 것이 아니고 세포와 그 주변 환경에 따라 변화한다. 소당류 구조들을 해명하는 것 과 이들이 다른 분자에 부착되었을 때 내는 효과를 밝히는 것은 생화학 연구 분야에서 커다란 과제가 되고 있다.

연골의 중요한 성분, 단백질당

이 다양한 부류 중에서 가장 잘 규명된 구성원은 연골의 세포밖 기질에 있는 단백질당이다. 단백질당인 아그레칸(aggrecan)과 단백질인 콜라겐은 연골의 핵심 구성성분이다.콜 라겐의 삼중 나선은 구조와 신장력을 제공하는 반면, 아그레칸은 충격을 흡수하는 역할을 한다. 아그레칸의 단백질 성분은 2397개의 아미노산으로 구성된 커다란 분자이다. 단백질은 세 개의 구형 모양의 영역을 가지고 있다. 직선 부분은 매우 반복적인 아미노산의 연 속부분으로 되어 있는데, 이곳에 황산 케라탄과 황산 콘드로이틴이 부착한다. 수많은 아그레칸 분자들이 그들의 첫 번째 구형 영역을 비공유적으로 매우 긴 필라멘트에 번갈아 결합한다.

 

 

이 필라멘트는 히알루로난 분자들이 함께 모여 형성된 긴 사슬이다. 물은 많은 음 전하에 이끌려서 글리코사민당에 결합된다. 변형된 다음 원래대로 돌아갈 수 있도록 흡수된 물이 작용하기 때문에 아그레칸은 압축되는 힘을 완충할 수 있 다. 걷는 동안 발이 땅을 칠 때 처럼 압력이 관절에 가해지면, 물은 글리코사민당에서 짜여 나오면서 충격을 완화시킨다. 압력이 완화되면, 물은 원래대로 결합한다. 골관절염 (osteoarthritis)은 연골의 아그레칸과 콜라겐의 단백질 분해의 결과로 생길 수 있다. 구조적 조직의 핵심적인 성분이라는 것 이외에도 글리코사미노글리칸은 생물권 전체 에 걸쳐서 아주 흔한 화합물이다. 키틴은 곤충이나 갑각류 또 거미류의 껍질등에서 발 견 되는 글리코사민당으로 자연계에서는 셀룰로오스 다음으로 풍부한 다당류이다.

 

점액의 당단백질 성분, 무신

 

당단백질의 또 다른 부류는 무코단백질인 무신들로 구성된다. 무신의 단백질 성분에 있는 세린이나 트레오닌 잔기는 N-아세틸글루코사민으로 철저히 글리코실화 된다. 무신들은 커다란 중합체성 구조를 형성하는 능력이 있으며 보통 점액으로 분비된다. 이 당단백질들은 기관지와 위장 그리고 비뇨기의 도관에 있는 특성화된 세포에서 합성된다. 무신들의 주된 기능이 윤활제로 사용되는 것이기 때문에 침에 풍부하다.

 

※ 대학교 수업 때 가장 좋아했던 생화학의 기초 내용 부분을 일부 발췌하였다. Stryer 생화학 내용이 번역된 책자를 옮겼다.