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프롤린

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목차

1. 개요

프롤린은 피롤리딘을 포함하는 고리형 아미노산으로, 단백질의 구성 성분이다. 1900년 리하르트 빌슈테터에 의해 처음 합성되었으며, 글루탐산으로부터 생합성된다. L-프롤린은 글리신 수용체 등에 약한 작용제로 작용하며, 식물에서는 스트레스에 대한 반응으로 축적되기도 한다. 프롤린은 단백질 구조에서 독특한 고리 구조로 인해 입체구조적 견고성을 부여하며, 2차 구조 요소의 중간에서 구조적 파괴자 역할을 한다. 또한, 프롤린 및 유도체는 유기 촉매 반응에 사용되며, 제약 및 생명공학 분야에서도 활용된다.

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프롤린 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
프롤린의 구조식
프롤린의 구조식
프롤린의 골격식
프롤린의 골격식
공-막대 모형
공-막대 모형
공간 채움 모형
공간 채움 모형
IUPAC 명칭프롤린
계통명피롤리딘-2-카복실산
식별 정보
CAS 등록번호609-36-9
(2R)-카복실산 CAS 등록번호344-25-2
(2S)-카복실산 CAS 등록번호147-85-3
PubChem614
(2R)-카복실산 PubChem8988
(2S)-카복실산 PubChem145742
ChemSpider594
(2R)-카복실산 ChemSpider8640
(2S)-카복실산 ChemSpider128566
UNIIDCS9E77JPQ
(R)-카복실산 UNIIL01Q4LGZ5L
(S)-카복실산 UNII9DLQ4CIU6V
EC 번호210-189-3
DrugBankDB00172
KEGGC00148
MeSH프롤린
ChEBI26271
ChEMBL72275
RTECSTW3584000
Beilstein80812
Gmelin26927
SMILESC1C[C@H](NC1)C(=O)O
(S)-프롤린/L-프롤린 SMILES 주석(S)-Proline/L-proline
(S)-프롤린 쌍극 이온 SMILES1[O-]C(=O)[C@H](CCC2)[NH2+]2
StdInChI1S/C5H9NO2/c7-5(8)4-2-1-3-6-4/h4,6H,1-3H2,(H,7,8)
InChI1/C5H9NO2/c7-5(8)4-2-1-3-6-4/h4,6H,1-3H2,(H,7,8)
StdInChIKeyONIBWKKTOPOVIA-UHFFFAOYSA-N
성질
분자식C5H9NO2
몰 질량115.063328537 g mol-1
외형투명한 결정
녹는점205 - 228 °C (분해)
LogP-0.06
pKa1.99 (카복실기), 10.96 (아미노기)
에탄올 용해도1.5g/100g (19 °C)
위험성
S 문구S22
S24/25

2. 역사 및 어원

리하르트 빌슈테터는 1900년에 ''N''-메틸프롤린을 연구하면서 아미노산을 얻었고, 말론산 다이에틸의 나트륨 염과 1,3-다이브로모프로페인의 반응으로 프롤린을 합성했다.[35] 이듬해인 1901년에 에밀 피셔는 카제인과 γ-프탈이미도-프로필말론산 에스터의 분해 산물로부터 프롤린을 분리하고 프탈이미드 프로필말론산 에스터로부터 프롤린을 합성했다는 것을 발표했다.[36]

프롤린이라는 명칭은 그 구성 성분 중 하나인 피롤리딘에서 따온 것이다.[37]

3. 생합성

프롤린은 아미노산인 L-글루탐산으로부터 생합성된다.[38][8] 글루탐산-5-세미알데하이드는 글루탐산 5-키네이스 (ATP 의존성) 및 글루탐산-5-세미알데하이드 탈수소효소 (NADH 또는 NADPH가 필요)에 의해 먼저 생성된다.[38] 글루탐산-5-세미알데하이드는 자발적으로 고리화되어 1-피롤린-5-카복실산을 형성할 수 있으며, 이는 피롤린-5-카복실산 환원효소 (NADH 또는 NADPH 사용)에 의해 프롤린으로 환원된다.[38][8]

프롤린 거울상이성질체의 양쪽성 구조: (''S'')-프롤린(왼쪽)과 (''R'')-프롤린


또는 오르니틴 아미노기전이효소에 의해 오르니틴으로 전환된 다음, 오르니틴 사이클로디아미네이스에 의해 고리화되어 프롤린을 형성할 수 있다.[38][8]

생체 내에서는 주로 간과 소장에서 합성된다. 간에서는 요소회로의 중간체인 오르니틴으로부터, 오르니틴-옥소산 아미노트랜스퍼라제(EC 2.6.1.13)와 피롤린-5-카르복실산 환원효소(EC 1.5.1.2)의 작용에 의해 합성된다. 단, 두 효소 사이에는 비효소적으로 진행되는 측쇄의 고리화 반응이 포함되어 있다. 소장에서는 글루타민 또는 글루탐산으로부터 오르니틴이 합성되고, 이후는 간과 같은 경로를 따른다.

:EC 2.6.1.13 L-오르니틴 + 2-옥소산 = L-글루탐산 5-세미알데히드 + L-아미노산

:비효소적 L-글루탐산 5-세미알데히드 = 1-피롤린-5-카르복실레이트 + H2O

:EC 1.5.1.2 1-피롤린-5-카르복실레이트 + NAD(P)H + H+ = L-프롤린 + NAD(P)+

2-옥소산은 한 분자의 2-옥소산으로, 여기서는 2-옥소글루타르산이 된다. L-아미노산은 한 분자의 L-아미노산으로, 여기서는 글루탐산이 된다.

4. 생물학적 활성

L-프롤린은 글리신 수용체와 NMDA 수용체 및 비 NMDA (AMPA/카인산) 이온성 글루탐산 수용체에 약한 작용제로 작용하는 것으로 밝혀졌다.[39][40][41] 프롤린은 잠재적인 내인성 흥분독소로 제안되었다.[39][40][41] 식물에서 프롤린의 축적은 다양한 스트레스에 대한 일반적인 생리학적 반응이지만 분열 조직(예: 꽃가루)의 발생 프로그램의 일부이기도 하다.[42]

2022년 연구에 따르면, 프롤린이 풍부한 식단은 제한적인 전임상 시험을 통해 사람을 대상으로, 그리고 주로 다른 생물체를 대상으로 실험한 결과, 사람에게 우울증 위험 증가와 관련이 있는 것으로 나타났다. 다른 생물체에서는 결과가 유의미했다.[16]

5. 단백질 구조의 특성

프롤린 곁사슬의 독특한 고리 구조는 다른 아미노산들에 비해 프롤린에게 입체구조적 견고성을 부여한다.[43] 이는 프롤린과 다른 아미노산 사이에 펩타이드 결합 형성 속도에 영향을 미치는데, 프롤린이 펩타이드 결합에서 아마이드로 결합될 때 프롤린의 질소는 수소와 결합하지 않아 수소 결합 공여체로 작용할 수는 없지만 수소 결합 수용체는 될 수 있다. 도입되는 Pro-tRNAPro와의 펩타이드 결합의 형성은 ''N''-알킬아미노산의 일반적인 특성을 가지고 있어 다른 tRNA보다 상당히 느리게 형성된다.[43] 다른 아미노아실-tRNA와 말단이 프롤린인 사슬 사이에서도 펩타이드 결합은 느리게 형성되며, 프롤린-프롤린 결합의 생성 속도가 가장 느리다.[44]

프롤린의 예외적인 입체구조적 강성은 프롤린 잔기 근처의 단백질 2차 구조에 영향을 미치며, 호열성 생물의 단백질에서 프롤린이 더 높은 빈도로 존재하는 이유를 설명해준다. 단백질의 2차 구조는 단백질 골격의 이면각인 φ, ψ 및 ω로 설명할 수 있는데, 프롤린 곁사슬의 고리 구조는 φ를 약 −65°로 고정시킨다.[45]

프롤린은 α-나선 및 β-시트와 같은 규칙적인 2차 구조 요소들의 중간에서 구조적 파괴자 역할을 한다. 그러나 프롤린은 일반적으로 α-나선의 첫 번째 잔기와 β-시트의 가장자리 가닥에서 발견되며, 턴(다른 종류의 2차 구조)에서 흔히 발견되며 β-턴의 형성을 돕는다. 이는 프롤린이 지방족 곁사슬을 가지고 있음에도 불구하고 일반적으로 용매에 노출된다는 흥미로운 사실을 설명해준다.

여러 개의 프롤린 및 하이드록시프롤린을 연속적으로 사용하면 콜라겐의 주요 2차 구조인 폴리프롤린 나선을 생성할 수 있다. 프롤릴 하이드록실화효소에 의한 프롤린의 하이드록실화(또는 플루오린과 같은 전자를 끌어당기는 치환기의 첨가)는 콜라겐의 입체구조적 안정성을 상당히 증가시킨다.[46] 따라서 프롤린의 하이드록실화는 고등 생물의 결합 조직을 유지하기 위한 중요한 생화학적 과정이며, 괴혈병과 같은 심각한 질병은 이 하이드록실화 과정의 결함으로 인해 일어날 수 있다.

6. 시스-트랜스 이성질화

프롤린 및 사르코신과 같은 ''N''-치환 아미노산의 펩타이드 결합은 시스 및 트랜스 이성질체를 모두 가질 수 있다.[47] 대부분의 펩타이드 결합은 트랜스 이성질체를 압도적으로 선호하지만(일반적으로 99.9%), X-Pro 펩타이드 결합(X는 임의의 아미노산)의 경우 시스 및 트랜스 이성질체 모두 입체 충돌을 겪어 에너지 차이가 작다.[47] 따라서 X-Pro 펩타이드 결합의 시스 이성질체 비율은 3~10% 정도로 증가한다.[47] 글리신[48] 및 방향족[49] 잔기는 시스 이성질체의 비율을 더욱 증가시키며, 방향족-Pro 펩타이드 결합에서는 최대 40%의 시스 비율이 관찰되기도 한다.[50]

시스-트랜스 프롤린 이성질체화는 매우 느린 과정으로, 단백질 접힘을 방해할 수 있다.[47] 특히, 천연 단백질이 시스 이성질체를 필요로 하는 경우, 비천연 이성질체에 갇혀 접힘이 지연될 수 있다. 이는 프롤린 잔기가 리보솜에서 트랜스 이성질체 형태로만 합성되기 때문이다. 모든 생물은 프롤릴 이성질화효소를 가지고 있어 이 과정을 촉매하며, 일부 세균은 리보솜과 관련된 특수한 프롤릴 이성질화효소를 갖는다.[47] 그러나 모든 프롤린이 접힘에 필수적인 것은 아니며, X-Pro 펩타이드 결합이 비천연 이성질체 형태를 갖더라도 단백질 접힘이 정상적으로 진행될 수 있다.

7. 용도

프롤린 및 그 유도체는 프롤린 유기촉매 반응에서 비대칭 촉매로 사용된다.[51] 코리-이츠노 환원 및 프롤린 촉매 알돌 축합이 대표적인 예이다.[51] 2000년, 알돌 반응을 촉매하는 효소 알돌라아제 연구를 진행하던 리스트, 발바스, 뢰너 등은, 큰 단백질이 아닌 프롤린 자체가 높은 수율과 높은 거울상이성질체 선택성을 갖는 알돌 반응을 촉매한다는 것을 발견하였다.[29] 프롤린의 2차 아민 부분이 카르보닐 화합물과 에나민을 형성하고, 이것이 또 다른 카르보닐 화합물과 반응함으로써 알돌 반응이 진행된다고 여겨진다. 이후 알돌 반응 외에도 마이클 반응, 만니히 반응 등에도 프로린 촉매가 적용될 수 있다는 것이 밝혀지면서 연구가 크게 진전되었다. 금속을 포함하지 않는 촉매(유기 분자 촉매)로서 최근 큰 주목을 받고 있는 분야이다.

양조 시 프롤린이 풍부한 단백질은 폴리페놀과 결합하여 탁도를 형성한다.[51]

L-프롤린은 삼투보호물질이기 때문에 제약 및 생명공학 응용 분야에서 사용된다.[51]

식물 조직 배양에 사용되는 생장 배지에는 프롤린이 보충될 수 있다. 프롤린은 식물이 조직 배양의 스트레스를 견디는 데 도움을 주기 때문에 생장을 촉진시킬 수 있다.[52]

8. 합성

말론산 다이에틸 및 아크릴로나이트릴로부터 라세미 프롤린을 합성할 수 있다.[53][27]

DL-프롤린의 합성


2000년, 알돌 반응(Aldol reaction)을 촉매하는 효소 알돌라아제(aldolases) 연구를 진행하던 리스트(List), 발바스(Barbas), 뢰너(Lerner) 등은, 큰 단백질이 아닌 프롤린(proline) 자체가 높은 수율과 높은 거울상이성질체 선택성을 갖는 알돌 반응을 촉매한다는 것을 발견하였다.[29] 프롤린의 2차 아민 부분이 카르보닐 화합물과 에나민(enamine)을 형성하고, 이것이 또 다른 카르보닐 화합물과 반응함으로써 알돌 반응이 진행된다고 생각된다. 이후 마이클 반응(Michael reaction), 만니히 반응(Mannich reaction) 등에도 프롤린 촉매가 적용될 수 있다는 것이 밝혀지면서 연구가 크게 진전되었다. 금속을 포함하지 않는 촉매(유기 분자 촉매(organocatalyst))로서 최근 큰 주목을 받고 있는 분야이다.

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9. 진화

여러 독립적인 진화 연구에서 프롤린이 초기 유전 암호를 구성하는 아미노산 그룹에 속한다고 제안되었다.[54][55][56] 예를 들어 초기 유전 암호의 원형 펩타이드와 유사할 수 있는 단백질의 낮은 복잡성 영역은 프롤린이 매우 풍부하다.

참조

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[5] 서적 The chemical composition of the proteins https://books.google[...] Longmans, Green and Co. 2010-09-20
[6] 웹사이트 Proline http://www.aminoacid[...]
[7] 웹사이트 Proline http://www.yourdicti[...] 2015-12-06
[8] 문서 Lehninger3rd
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