D-아미노산

1. 개요

D-아미노산은 1950년대에 처음 발견되었으며, L-아미노산과 거울상 이성질체 관계에 있는 아미노산이다. 곤충, 연체동물, 포유류, 식물 등 다양한 생물체에서 발견되며, 뇌, 배설계, 해양 무척추동물 등에서 중요한 역할을 한다. D-아미노산은 미생물에 의해 생성되며, 세균의 세포벽 구성, 신경전달물질, 라세미 결정법 등 다양한 생물학적, 화학적 과정에 이용된다.

2. 발견

D-아미노산은 일부 해양 무척추동물의 특정 조직에서 발견되어 삼투압 조절에 관여할 수 있다는 사실이 알려졌다. 그러나 D-아미노산이 바닷물로부터 흡수되는 것인지 아니면 생물체 내에서 합성되는 것인지는 아직 불분명하다. D-아미노산은 식물에서도 확인되었다. 많은 D-아미노산은 식물의 생장을 억제하지만, 일부 식물들은 D-아미노산을 흡수 및 대사하거나 합성할 수 있다.

2.1. 초기 발견

D-아미노산은 1950년대에 발견되었다. 오클레어(Auclair)와 패튼(Patton)은 1950년에 곤충과 연체동물의 혈액에서 D-아미노산의 존재를 처음으로 보고했다. D-아미노산은 다양한 포유류의 조직에서도 확인되었다. 포유류에서 합성되는 D-아미노산의 두 가지 주요 종류는 D-아스파르트산(D-Asp)과 D-세린(D-Ser)이다. D-아스파르트산은 척추동물과 무척추동물에 존재하며 신경계와 내분비계의 발생에 관여한다. D-세린은 뇌에서 많은 양이 발견되며, 중추신경계 발생에 중요한 조절 역할을 하고 학습, 기억 및 포유류의 행동과 밀접하게 관련되어 있다. 또한 많은 양의 D-세린이 사람의 소변에서 검출되었으며, 배설계에서 병원성 유전자 발현의 조절 역할을 한다.

2.2. 포유류에서의 발견

D-아미노산은 1950년대에 발견되었다. 오클레어(Auclair)와 패튼(Patton)은 1950년에 곤충과 연체동물의 혈액에서 D-아미노산의 존재를 처음으로 보고했다. D-아미노산은 다양한 포유류의 조직에서도 확인되었다. 포유류에서 합성되는 D-아미노산의 두 가지 주요 종류는 D-아스파르트산(D-Asp)과 D-세린(D-Ser)이다. D-아스파르트산은 척추동물과 무척추동물에 존재하며 신경계와 내분비계의 발생에 관여한다. 많은 양의 D-세린은 뇌에서도 발견되며, 중추신경계 발생에 중요한 조절 역할을 하고, 학습, 기억 및 포유류의 행동과 밀접하게 관련되어 있다. 또한 많은 양의 D-세린이 사람의 소변에서 검출되었으며, 배설계에서 병원성 유전자 발현의 조절 역할을 한다.

2.3. 기타 생물에서의 발견

D-아미노산은 1950년대에 발견되었다. 오클레어(Auclair)와 패튼(Patton)은 1950년에 곤충과 연체동물의 혈액에서 D-아미노산이 존재함을 처음으로 보고했다. D-아미노산은 다양한 포유류의 조직에서도 확인되었다. 포유류에서 합성되는 D-아미노산의 두 가지 주요 종류는 D-아스파르트산(D-Asp)과 D-세린(D-Ser)이다. D-아스파르트산은 척추동물과 무척추동물에 존재하며 신경계와 내분비계의 발생에 관여한다. 많은 양의 D-세린은 뇌에서도 발견할 수 있으며, 중추신경계 발생에 중요한 조절 역할을 하며 학습, 기억 및 포유류의 행동과 밀접하게 관련되어 있다. 또한 많은 양의 D-세린이 사람의 소변에서 검출되었으며, 배설계에서 병원성 유전자 발현의 조절 역할을 한다. D-아미노산은 일부 해양 무척추동물의 특정 조직에서도 발견되었으며, 삼투압 조절에 관여할 수 있다. 그러나 D-아미노산이 바닷물로부터 흡수되는 것인지 아니면 생물체 내에서 합성되는 것인지는 아직 불분명하다. D-아미노산은 식물에서도 확인되었다. 많은 D-아미노산은 식물의 생장을 억제하지만, 일부 식물들은 D-아미노산을 흡수 및 대사 또는 합성할 수 있다.

3. 구조 및 일반적인 특성

L-아미노산과 D-아미노산은 일반적으로 거울상 이성질체이다. 트레오닌과 아이소류신은 두 개의 입체중심을 가지고 있는 아미노산이기 때문에 예외이다. 이 두 가지 특별한 경우를 제외하고 L-아미노산 및 D-아미노산은 색, 용해도, 녹는점 등 많은 조건에서 동일한 특성을 갖는다. 그러나 생물학적 맥락에서 이러한 거울상 이성질체들은 매우 다르게 행동할 수 있다. 따라서 D-아미노산은 부분적으로 잘 소화되지 않기 때문에 영양가가 낮다.

D-아미노산은 한쪽 끝에 카복실기를 가지고 있고 다른 쪽 끝에 곁사슬을 가지고 있다. 또한 아미노기와 수소 원자를 거울상 이성질체의 반대쪽에 가지고 있다. 이들은 카이랄 탄소 중심을 가지고 있기 때문에 분자가 다른 입체 이성질체로 존재할 수 있으며, 라디칼기의 배향은 이러한 거울상 이성질체들에서만 다르다. 반면에 D-글리세르알데하이드는 카보닐기와 하이드록실기를 가지고 있으며 중심에 카이랄 탄소가 있다. L-글리세르알데하이드와 비교했을 때 배향이 다르다.

3.1. 거울상 이성질체

--
L-아미노산과 D-아미노산은 일반적으로 거울상 이성질체이다. 트레오닌과 아이소류신은 두 개의 입체중심을 가지고 있는 아미노산이기 때문에 예외이다. 이 두 가지 경우를 제외하고 L-아미노산 및 D-아미노산은 색, 용해도, 녹는점 등 많은 조건에서 동일한 특성을 갖는다. 그러나 생물학적 맥락에서 이러한 거울상 이성질체들은 매우 다르게 행동할 수 있다. D-아미노산은 부분적으로 잘 소화되지 않기 때문에 영양가가 낮다.

D-아미노산과 L-아미노산은 한쪽 끝에 카복실기를 가지고 있고 다른 쪽 끝에 곁사슬을 가지고 있다. 또한 아미노기와 수소 원자를 거울상 이성질체의 반대쪽에 가지고 있다. 이들은 카이랄 탄소 중심을 가지고 있기 때문에 분자가 다른 입체 이성질체로 존재할 수 있으며, 라디칼기의 배향은 이러한 거울상 이성질체들에서만 다르다. 반면에 D-글리세르알데하이드는 카보닐기와 하이드록실기를 가지고 있으며 중심에 카이랄 탄소가 있다. L-글리세르알데하이드와 비교했을 때 배향이 다르다.

3.2. 구조적 특징

--
L-아미노산과 D-아미노산은 일반적으로 거울상 이성질체이다. 트레오닌과 아이소류신은 두 개의 입체중심을 가지고 있는 아미노산으로 예외이다. 이 두 가지 경우를 제외하고 L-아미노산 및 D-아미노산은 색, 용해도, 녹는점 등 많은 조건에서 동일한 특성을 갖는다. 그러나 생물학적 맥락에서 이러한 거울상 이성질체들은 매우 다르게 행동할 수 있다. 따라서 D-아미노산은 부분적으로 잘 소화되지 않기 때문에 영양가가 낮다.

D-아미노산은 한쪽 끝에 카복실기를 가지고 있고 다른 쪽 끝에 곁사슬을 가지고 있다. 또한 거울상 이성질체의 반대쪽에 아미노기와 수소 원자를 가지고 있으며, 카이랄 탄소 중심을 가지고 있다. 이것이 분자가 다른 입체 이성질체로 존재할 수 있는 이유이며, 라디칼기의 배향은 이러한 거울상 이성질체들에서만 다르다. 반면에 D-글리세르알데하이드는 카보닐기와 하이드록실기를 가지고 있으며 중심에 카이랄 탄소가 있다. L-글리세르알데하이드와 비교했을 때 배향이 다르다.

4. 생성 및 이용

D-아미노산은 라세미 결정법에서 단백질 구조 결정을 더 쉽고 강력하게 할 수 있도록 중심대칭 결정을 생성하는데 사용된다. 그라미시딘은 D-아미노산과 L-아미노산의 혼합물로 구성된 폴리펩타이드이다. D-아미노산을 함유하고 있는 다른 화합물로는 티로시딘과 발리노마이신이 있다. 이들 화합물은 특히 그람음성세균에서 세균의 세포벽을 파괴한다. 2011년 기준으로 스위스-프롯(Swiss-Prot) 데이터베이스에서 분석된 총 1억 8700만개의 아미노산들 중 D-아미노산은 837개만 발견되었다. 형광성 D-아미노산(FDAA)은 그람양성세균 및 그람음성세균 모두에서 펩티도글리칸의 인시투(in situ) 표지에 사용되었다.

4.1. 자연 환경에서의 생성

D-아미노산은 살아 있는 생물에서 최소 구성 요소이지만 토양, 강, 호수, 바다, 눈과 얼음, 에어로졸 및 강수와 같은 광범위한 자연 환경에서 생성된다. 이들은 해양의 탄소 순환 및 에너지 순환에서 중요한 역할을 하고 해양 탄소 저장고의 탄소원으로 기여하는 여러 해양 미생물들에 의해 생성된다.

D-아미노산 잔기는 청자고둥과 수컷 오리너구리의 독에서 생성된다. D-아미노산은 또한 세균 세포벽의 펩티도글리칸의 풍부한 구성 요소이며, D-세린은 뇌에서 신경전달물질로 작용할 수 있다.

4.2. 생물체 내에서의 생성 및 이용

D-아미노산은 살아 있는 생물에서의 최소 구성 요소이지만 토양, 강, 호수, 바다, 눈과 얼음, 에어로졸 및 강수와 같은 광범위한 자연 환경에서 생성된다. 이들은 해양의 탄소 순환 및 에너지 순환에서 중요한 역할을 하고 해양 탄소 저장고의 탄소원으로 기여하는 여러 해양 미생물들에 의해 생성된다.

D-아미노산 잔기는 청자고둥과 수컷 오리너구리의 독에서 생성된다. D-아미노산은 또한 세균의 세포벽의 펩티도글리칸의 풍부한 구성 요소이며 D-세린은 뇌에서 신경전달물질로 작용할 수 있다. D-아미노산은 단백질에 따라 보다 쉽고 강력한 단백질 구조 결정을 허용할 수 있는 중심대칭 결정을 생성하기 위해 라세미 결정법에서 사용된다.

그라미시딘은 D-아미노산과 L-아미노산의 혼합물로 구성된 폴리펩타이드이다. D-아미노산을 함유하고 있는 다른 화합물로는 티로시딘과 발리노마이신이 있다. 이들 화합물은 특히 그람음성세균에서 세균의 세포벽을 파괴한다. 2011년 기준으로 스위스-프롯(Swiss-Prot) 데이터베이스에서 분석된 총 1억 8700만개의 아미노산들 중 D-아미노산은 837개만 발견되었다.

형광 표지된 D-아미노산, 즉 형광성 D-아미노산(FDAA)은 그람양성세균 및 그람음성세균 모두에서 펩티도글리칸의 인시투(in situ) 표지에 사용되었다.

5. 세균과 D-아미노산

세균은 D-아미노산을 활용하는 능력이 뛰어날 것으로 보인다. 세균은 10가지가 넘는 종류의 D-아미노산을 합성하며, 특히 펩티도글리칸 세포벽 내의 가교 결합을 위해 D-알라닌과 D-글루탐산을 자주 사용한다. 또한, 세균에서 방출되는 세포외 D-아미노산은 세균 세포벽의 재형성을 조절하며, 자주 변화하는 환경에 적응하기 위한 기능을 하는 것으로 여겨진다.

5.1. 세균의 D-아미노산 활용

세균은 아미노산을 활용할 수 있는 가장 큰 능력을 지니고 있는 것으로 보인다. 세균은 10가지 이상의 D-아미노산을 합성하는 것으로 알려져 있으며, 가장 빈번하게 합성되는 D-아미노산은 세포벽의 펩티도글리칸에서의 가교 형성을 위한 D-알라닌과 D-글루탐산이다. 또한 세균에서 방출된 세포외 D-아미노산은 세균 세포벽의 리모델링을 제어하며, 세균 사이에서 자주 변화하는 환경을 수용하는 기능을 하는 것으로 생각된다. 세균 세포벽에서의 구조적 기능 외에도 D-아미노산은 생장 적합성과 바이오필름 발달, 포자 발아 및 신호 전달과 같은 추가적인 과정과도 관련이 있다.

6. 생합성

L-아미노산을 D-아미노산으로 전환하는 두 가지 효소 계열이 있다. 아미노산 라세마제는 피리독살 인산(PLP) 의존성 효소로, 알파-이미노산 형성을 통해 아미노산을 라세미화하여 입체 중심을 잃게 한다. L-아미노산 산화효소는 L-아미노산을 α-케토산으로 전환하며, 이는 환원 아민화에 취약하다. 고등 생물체에서 발견되는 많은 D-아미노산은 미생물에서 유래한다.

6.1. 효소에 의한 전환

두 가지 효소가 L-아미노산을 D-아미노산으로 전환시킨다. 피리독살 인산(PLP) 의존성 효소인 D-아미노산 라세미화효소는 입체중심이 소실되는 α-아미노산의 형성을 통해 아미노산을 라세미화한다. L-아미노산 산화효소는 L-아미노산을 환원성 아미노화에 민감한 α-케토산으로 전환시킨다. 리신은 피페콜산의 형성을 통해 라세미화되는 등, 일부 아미노산은 라세미화되기 쉽다.

펩타이드에서 L-아미노산 잔기는 천천히 라세미화되어 일부 D-아미노산 잔기가 형성된다. 라세미화는 아미도기의 α 탄소인 메틸기의 탈양성자화를 통해 일어난다. 반응 속도는 pH에 따라 증가한다.

고등 생물에서 발견되는 많은 D-아미노산은 미생물에서 유래한다. 세균 세포벽을 구성하는 펩티도글리칸의 D-알라닌은 단백질가수분해효소의 공격으로부터 저항하도록 돕는다. 바시트라신과 같은 여러 항생제들은 D-아미노산 잔기를 포함하고 있다.

6.2. 펩타이드에서의 라세미화

펩타이드에서 L-아미노산 잔기는 천천히 라세미화되어 일부 D-아미노산 잔기가 형성된다. 라세미화는 아미도기 옆 알파 위치에 있는 메틴의 탈양성자화로 발생한다. 반응 속도는 pH가 증가함에 따라 빨라진다.

7. 이전 연구들

이전 연구들에서 대부분의 연구와 실험은 살아있는 생물에서 가장 흔하게 발견되는 D-아미노산인 D-알라닌, D-아스파르트산 및 D-글루탐산을 주로 사용한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 이들은 바다에서 일어나는 많은 기본적인 과정에 질소 공급원으로 작용한다.

7.1. 심해 연구

남중국해의 2000m 깊이 퇴적물에서 2012년에 분리된 심해 균주인 패오박터속(Phaeobacter) 종인 JL2886의 전체 게놈 염기 서열이 분석되었다. 또 다른 연구에서는 일본 사가미만의 심해(수심 800m~1500m)에서 채집된 56개 퇴적물에서 28종의 D-아미노산을 이용하는 생물들이 분리되었다. D-아미노산으로 인해 더 건강하게 생장하는 미생물을 분리하려는 독립적인 시도도 수행되었다. 대부분의 수행된 연구 및 실험은 D-알라닌, D-아스파르트산 및 D-글루탐산을 주로 사용하는데, 이는 살아 있는 생물에서 발견되는 가장 일반적인 D-아미노산이기 때문이다. 게다가 D-아미노산은 바다와 관련된 많은 기본적인 과정을 위한 질소 공급원으로서 도움을 준다.

7.2. D-아미노산 이용 미생물 연구

2012년 남중국해 2000m 깊이의 퇴적물에서 분리된 심해 균주인 패오박터속(Phaeobacter) 종 JL2886의 전체 게놈 염기 서열이 분석되었다. 또 다른 연구에서는 일본 사가미만의 심해(800m~1500m)에서 채집된 56개의 퇴적물에서 28종의 D-아미노산을 이용하는 생물들이 분리되었다. D-아미노산으로 인해 더 건강하게 생장하는 미생물을 분리하려는 독립적인 시도도 수행되었다. 대부분의 수행된 연구 및 실험은 살아있는 생물에서 가장 흔하게 발견되는 D-아미노산인 D-알라닌, D-아스파르트산 및 D-글루탐산을 주로 사용한다. 게다가 D-아미노산은 바다와 관련된 많은 기본적인 과정을 위한 질소 공급원으로서 도움을 준다.