알라닌

1. 개요

알라닌은 아세트알데하이드와 암모니아를 사이안화 수소와 결합하여 처음 합성된 아미노산으로, α-탄소에 메틸기가 결합된 지방족 아미노산이다. 인체에서 만들어지며, 포도당-알라닌 회로에서 중요한 역할을 수행한다. 알라닌은 피루브산의 환원적 아미노화 또는 화학적 합성을 통해 얻을 수 있으며, 산화적 탈아미노화에 의해 분해된다. 알라닌 스캐닝과 같은 유전 공학 실험에 활용되며, 알라닌 세계 가설은 유전 부호 레퍼토리에서 아미노산의 진화적 선택을 설명한다.

2. 역사 및 어원

알라닌은 1850년 아돌프 스트레커가 아세트알데하이드와 암모니아, 시안화 수소를 결합하여 처음으로 합성하였다. 이 아미노산의 이름은 알데하이드에서 유래했으며, 발음의 편의를 위해 삽간사 -an-이 추가되었다. 독일어에서 화학 물질에 사용되는 접미사 -in (영어의 -ine에 해당)을 붙여 독일어로 Alanin으로 명명되었다.

3. 구조

알라닌은 α-탄소에 결합된 곁사슬이 메틸기(–CH₃)이기 때문에 지방족 아미노산으로 분류된다. 이는 글리신 다음으로 가장 단순한 구조를 가진 α-아미노산이다. 알라닌의 메틸 곁사슬은 비반응성이며 비활성이어서 단백질의 기능에 직접적으로 관여하는 경우는 거의 없다. 또한 소수성 아미노산이자 비극성 측쇄 아미노산으로 분류된다.

4. 공급원

알라닌은 생체 내에서 피루브산 등으로부터 생합성되거나, 실험실 또는 산업적으로 화학 합성을 통해 얻을 수 있다.

4.1. 생합성

알라닌은 피루브산과 가지사슬 아미노산인 발린, 류신, 아이소류신으로부터 합성될 수 있다.

주요 생합성 경로는 피루브산의 환원적 아미노화 과정으로, 두 단계로 이루어진다.
# 첫 번째 단계에서는 α-케토글루타르산, 암모니아, NADH가 글루탐산 탈수소효소에 의해 글루탐산, NAD⁺, 물로 전환된다.
# 두 번째 단계에서는 새로 형성된 글루탐산의 아미노기가 아미노기전이효소(알라닌 아미노전이효소라고도 함)에 의해 피루브산으로 전달된다. 이 과정에서 α-케토글루타르산이 재생성되고 피루브산은 알라닌으로 전환된다.

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결과적으로 피루브산과 암모니아가 알라닌으로 전환되며, 이 과정에서 하나의 환원 당량이 소모된다. 아미노기 전이 반응은 매우 가역적이며, 모든 세포에 피루브산이 존재하기 때문에 알라닌은 쉽게 형성될 수 있다. 따라서 알라닌의 생합성은 해당과정, 포도당신생합성, 시트르산 회로와 같은 주요 대사 경로와 밀접하게 연관되어 있다.

4.2. 화학 합성

L-알라닌은 산업적으로 L-아스파르트산을 아스파르트산 4-탈카복실화효소를 이용해 탈카복실화하여 생산된다. 이 과정은 알라닌 라세미화효소에 의해 복잡해질 수 있다.

라세미 알라닌은 스트레커 반응을 통해 합성될 수 있는데, 이는 아세트알데하이드를 염화 암모늄 및 사이안화 나트륨과 축합시키는 방법이다.

또 다른 방법으로는 2-브로모프로판산을 가암모니아 분해하여 라세미 알라닌을 제조할 수 있다.

4.3. 분해

알라닌은 산화적 탈아미노화를 통해 분해된다. 이 과정은 환원적 아미노화 반응의 역반응이며, 동일한 효소에 의해 촉매된다. 반응의 방향은 주로 관련된 반응의 기질과 생성물의 상대적인 농도에 의해 결정된다.

5. 생리적 기능

알라닌은 소수성 아미노산이자 비극성 측쇄를 가진 아미노산으로 분류된다. 단백질을 구성하는 아미노산 중 하나이며, 체내에서 합성될 수 있는 비필수 아미노산이다. 알라닌은 포도당 신생 과정이나 지방산 합성, 에너지 생성에 사용되는 중요한 아미노산이다. 또한, 아세트알데히드의 분해를 촉진하는 기능이 있어 숙취나 과음을 예방하는 데 효용이 있다.

5.1. 포도당-알라닌 회로

포유류에서 알라닌은 조직과 간 사이의 포도당-알라닌 회로에서 중요한 역할을 한다. 에너지를 생성하기 위해 아미노산을 분해하는 근육 및 기타 조직에서는 아미노기가 아미노기 전이반응을 통해 글루탐산의 형태로 모아진다. 그런 다음 글루탐산은 알라닌 아미노기전이효소의 작용을 통해, 근육의 해당과정 산물인 피루브산으로 아미노기를 전달하여 알라닌과 α-케토글루타르산을 생성한다. 생성된 알라닌은 혈류로 들어가 간으로 운반된다. 간에서는 알라닌 아미노기전이효소에 의한 반응이 반대로 일어나며, 재생된 피루브산은 포도당신생합성을 통해 포도당으로 전환되어 순환계를 통해 근육으로 돌아간다. 간의 글루탐산은 미토콘드리아로 들어가 글루탐산 탈수소효소에 의해 α-케토글루타르산과 암모늄 이온으로 분해된다. 이 암모늄 이온은 요소 회로에 참여하여 요소로 전환된 후 신장을 통해 배설된다.

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포도당-알라닌 회로는 근육에서 생성된 피루브산과 글루탐산을 알라닌 형태로 안전하게 간으로 운반하는 역할을 한다. 간으로 운반된 알라닌은 다시 피루브산으로 전환된 후 포도당신생합성 과정을 거쳐 포도당으로 재생성된다. 이 포도당은 혈류를 통해 다시 근육으로 이동하여 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 회로를 통해 포도당신생합성에 필요한 에너지 부담이 근육 대신 간으로 옮겨지므로, 근육은 가용한 ATP를 근육 수축에 집중적으로 사용할 수 있게 된다. 이 경로는 근육 조직의 단백질 분해에 의존하는 이화 경로이다. 포유류가 아닌 다른 동물에서도 이 회로가 존재하는지, 존재한다면 어느 정도 활성화되는지는 명확하지 않다.

5.2. 당뇨병과의 관련

알라닌 아미노기전이효소(ALT) 수치를 증가시키는 포도당-알라닌 회로의 변화는 제2형 당뇨병 발병과 관련이 있다.

6. 화학적 특성

알라닌은 소수성 아미노산이자 비극성 측쇄 아미노산으로 분류된다. 단백질을 구성하는 아미노산 중 하나이며, 인체 내에서 합성될 수 있는 비필수 아미노산이다. 포도당 신생이나 지방산 합성, 에너지 생성 과정에 중요한 역할을 한다.

유전 공학 분야에서는 인산화와 관련된 기능 상실 실험에 유용하게 사용된다. 특정 단백질의 기능을 연구할 때, 특정 위치의 아미노산을 알라닌으로 치환하는 알라닌 스캐닝 기법이 사용되기도 한다. 이는 단백질의 특정 부위 기능을 이해하는 데 도움을 준다.

알라닌을 수소화하면 아미노 알코올의 일종인 알라닌올이 생성된다. 알라니놀은 카이랄성을 가지는 중요한 화학 합성 중간체(빌딩 블록)로 사용된다.

또한, 알라닌은 아세트알데히드의 분해를 촉진하는 효과가 있어, 숙취 해소에 도움을 줄 수 있다.

6.1. 물리적 특성

* 분자량: 89.09
* 등전점: 6.00
* 반 데르 발스 반지름: 67
* 용해도:
물, 개미산에 잘 녹는다.
에탄올, 다이에틸 에테르에는 녹지 않는다.
묽은 염산, 묽은 황산에는 녹는다.
물에 대한 용해도 (g/100g):
* 15.8 (20°C)
* 19.6 (40°C)
*** 24.3 (60°C)

7. 알라닌 세계 가설

알라닌은 리보솜 매개 단백질 합성을 위한 단위체로 사용되는 20가지 단백질생성성 아미노산 중 하나이다. 알라닌은 유전 부호 표준 레퍼토리에 포함된 최초의 아미노산들 중 하나로 여겨진다. 이러한 사실에 근거하여 "알라닌 세계" 가설이 제안되었다.

이 가설은 화학적 관점에서 유전 부호의 레퍼토리에서 아미노산의 진화적 선택을 설명한다. 이 모델에 따르면, 리보솜의 단백질 합성을 위한 단위체(즉, 아미노산)의 선택은 α-나선이나 β-시트와 같은 2차 구조 요소를 구축하는 데 적합한 알라닌 유도체로 제한되었을 수 있다. 우리가 아는 생명체에서 지배적인 2차 구조는 α-나선과 β-시트이며, 대부분의 표준 아미노산은 알라닌의 화학적 유도체로 볼 수 있다. 따라서 단백질을 구성하는 대부분의 표준 아미노산들은 점 돌연변이에 의해 알라닌으로 바뀌더라도 2차 구조가 크게 손상되지 않는 경향이 있다. 알라닌이 대부분의 암호화된 아미노산의 2차 구조 선호도를 모방한다는 사실은 알라닌 스캐닝 돌연변이 유발 연구에서 실질적으로 이용된다. 또한 고전적인 X선 결정학에서는 단백질의 3차원 구조를 결정하기 위해 분자 치환(모델 기반 위상 문제 해결 방법) 방법을 사용할 때 폴리알라닌 골격 모델을 사용하기도 한다.