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아미노산(amino acid)
아미노산의 그룹
분자 중에 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)를 가지는 화합물을 아미노산이라 한다. 천연에 존재하는 대부분의 단백질은 20 종류의 아미노산으로 구성되어 있다. 이들은 모두 α-탄소에 아미노기와 카르복시기가 결합되어 있고 L-형의 입체구조를 가지고 있어 L-α-아미노산이라 하며 다음과 같은 일반식으로 나타낼 수 있다.
일반적으로 아미노산은 생리적 pH 범위에서 카르복시기가 양성자(proton)를 방출한 형태로 존재하고 아미노기는 양성자를 수용한 형태로 존재한다.
각각의 아미노산은 특유한 측쇄(R)를 가지고 있으며 이 측쇄의 특성에 따라 6가지로 분류할 수 있다. 그룹 Ⅰ의 아미노산은 모두 측쇄가 C와 H만으로 된 탄화수소를 가지고 있어 비극성이고 소수성(hydrophobic)이다.
그룹 Ⅱ의 아미노산은 측쇄에 카르복시기 또는 아미드기(-CONH2)를 가진 극성의 친수성 (hydrophilic) 아미노산이다. Glutamic acid와 aspartic acid의 측쇄는 산성을 띠므로 산성아미노산이라고도 하며 Glutamine과 asparagine은 각각 glutamic acid와 aspartic acid 측쇄 카르복시기가 아미드기로 된 아미노산이다.
그룹 Ⅲ의 아미노산은 측쇄에 질소원자가 있는 작용기, 즉 아미노기, 구아니딜(guanidyl)기, 이미다졸(imidazole)기를 가지고 있다. 이 그룹의 아미노산은 염기성아미노산이라고도 한다. 5-hydroxylysine은 collagen, trypsin, chymotrypsin에 존재하는 특수한 아미노산으로 아미노기와 히드록시기를 가져 친수성이 강하다.
그룹 Ⅳ의 아미노산은 히드록시기, 티올(Thiol, -SH)기, sulfide(-S-), disulfide(-S-S-) 결합을 가지고 있다.
Methionine과 cystine은 소수성아미노산이다.
그룹 Ⅴ는 방향족고리(benzene 고리, indole 고리 등)를 가진 소수성의 아미노산이다. Phenylalanine과 tryptophan은 중성아미노산이고 tyrosine은 phenol성 히드록시기를 함유하는 약산성의 측쇄를 가지고 있다.
끝으로 그룹 Ⅵ의 proline은 pyrrolidine 고리에 카르복시기가 붙은 구조를 하고 있다. 입체구조는 L-α-아미노산이 고리형으로 된 구조이다. 4-hydroxyproline은 특수한 아미노산으로 collagen과 gelatin에 존재한다.
한편 단백질에 함유되어 있지 않으나 생체 내에서 여러 가지 생리활성물질로 작용하거나 대사 중간체로 존재하는 특별한 아미노산이 있다. Homocysteine은 methionine 생합성, homoserine은 threonine과 methionine 생합성, ornithine, citrulline, argininosuccinate는 요소 생합성의 중간체이다.
,4-Dihydroxyphenylalanine(DOPA)는 melanin 중간체 및 신경전달물질로 작용하며 thyroxine은 갑상선호르몬의 전구물질이다. β-Alanine은 pantothenate와 coenzyme A의 구성성분이고 taurine은 담즙산과 결합하여 존재하는 성분이다. 그리고 γ-Aminobutyrate는 신경전달 물질로 작용하며 5-Hydroxytryptophan은 신경전달에 관여하는 serotonin의 전구물질이다.
.1.2 아미노산의 성질
아미노산의 물리적 성질
용해도
아미노산 중에서 tryptophan, cysteine 이외에는 물에 용해하며 proline, hydroxyproline은 알코올에도 용해한다. 대부분의 아미노산은 물 포화 butanol에 녹지만 ether, chloroform, benzene 등의 유기용매에는 녹지 않는다.
자외선 흡수스펙트럼
아미노산 중에서 방향족아미노산인 phenylalanine, tryptophan, tyrosine 및 histidine은 자외선을 흡수한다(그림 3.2 참조).
단백질이 280nm 부근의 자외선을 흡수하는 것은 바로 이들 아미노산들 특히 tryptophan이 함유되어 있기 때문이다.
그림 3.2 방향족아미노산의 자외선 흡수스펙트럼
아미노산의 산,염기 특성
양성전해질(ampholyte)
양성전해질(ampholyte)이란 수용액 중에서 산성과 염기성 양쪽의 성질을 나타내는 물질을 말하며 모든 아미노산은 양성전해질이다. α-아미노산은 수용액에서 치환기 R-이 이온형으로 존재하는 것도 있지만 일반적으로 아미노산의 α-탄소에 결합하고 있는 아미노기와 카르복시기의 성질에 따라 양성전해질이라 할 수 있다.
α-아미노산은 수용액에서 양전기와 음전기를 가진 양성이온형을 하고 있으며 외부에서 산을 가하면 염기(양성자 수용체)로 작용하고 염기를 가하면 산(양성자 공여체)으로 작용한다.
적정곡선(titration curve)
0.1M 염산으로 pH 1.3 정도로 조절한 아미노산 수용액에 0.1M NaOH를 가하면서 pH를 측정하여 나타내면 그림 3.3과 같은 아미노산의 적정곡선이 얻어지는데 적정곡선의 변곡점으로부터 아미노산의 해리상수(pKa)와 등전점(isoelectric point; pI)을 알 수 있다.
아미노산의 pKa는 Henderson-Hasselbalch식에서 수용액내의 짝산과 짝염기의 농도가 같을 때의 pH이므로 적정곡선 상에서는 염기를 가하여도 pH가 그다지 변화하지 않는 변곡점의 pH가 아미노산의 pKa이다.(표 3.1 참조)
중성아미노산, 산성아미노산, 방향족아미노산, 헤테로고리 아미노산, 이미노산의 등전점은 pI = 1/2(pKa1 + pKa2)이고, 염기성아미노산은 pI = 1/2(pKa2 + pKa3)이다.
아미노산의 입체화학
단백질을 구성하는 α-아미노산의 α 위치 탄소는 비대칭탄소이다. L-alanine을 Fisher의 투영식으로 나타내면 그림 3.4 ⒜와 같은 입체구조가 된다. L-alanine의 광학적 대장체(enantiomer)인 ⒝는 D-alanine이다. 이 예에서 알 수 있는 것처럼 α-아미노산의 입체구조를 나타내는 D-, L-의 기호는 α 위치의 아미노기가 Fisher의 투영식에서 왼쪽에 있을 때는 L-, 오른쪽에 있을 때는 D-가 된다.
이와같이 아미노산은 1 위치의 카르복시기에 가까이 있는 α 위치(2 위치)의 탄소에 대한 입체배위(configuration)를 D-, L-의 기호로 표기한다.
그리고 S(sinister, 좌), R(rectus, 우) 표기법으로 α-아미노산의 입체구조를 나타내면 L-alanine의 경우 그림 3.4 ⒞와 같이 된다. 이 때 α 위치의 탄소의 치환기를 어떤 규칙에 따라 순위를 매기면 -NH2, -COOH, -CH3, -H의 순이 된다. Cα-H의 결합을 축으로 하여 순위가 높은 치환기에서 낮은 쪽으로 화살표를 그리면 그림 3.4 ⒞와 같이 좌회전 즉 (S)가 된다.
그림 3.4 ⒟는 D-alanine을 같은 방법으로 나타낸 것으로 이 경우에 화살표는 우회전 (R)이 된다. 그래서 L-alanine은 2(S)-alanine이 된다. 천연단백질을 구성하는 α-아미노산은 L-형인데 S, R로 나타내면 L-cysteine 이외에는 모두 2(S)-아미노산이다.
인간의 미각은 아미노산의 입체구조를 식별할 수 있다. 예를 들면 L-glutamate의 나트륨염은 좋은 맛을 나타내지만 D-glutamate의 나트륨염은 아무 맛도 없다. 이외의 아미노산에서도 L-형과 D-형의 맛이 다른 경우가 많다.
필수아미노산
사람이나 동물이 질소평형을 유지하고 정상적인 성장이나 건강을 유지할 수 있을 정도로 생체내에서 합성할 수 없거나 필요량을 충족시킬 수 없어서 식이를 통하여 균형적으로 섭취하여야 하 는 아미노산을 필수아미노산이라 한다. 이 것은 고등동물이 일부 아미노산의 탄소골격을 적절한 속도로 합성할 수 없기 때문이다. 하나의 필수아미노산이 결핍된 후 시간이 지난 다음 필수아미노산을 섭취하면 이들이 이용되지 않거나 이용률이 감소되어 과잉의 아미노산은 요 중으로 배설된다.
성인의 경우 필수아미노산은 8종으로 valine, isoleucine, leucine, threonine, lysine, methionine, phenylalanine, tryptophan이며 이들 외에 histidine을 추가하기도 한다. 성장기의 쥐(rat)는 위의 8종 이외에 histidine, arginine을 더 필요로 한다.
기타의 아미노산은 비필수아미노산이라 하며 다른 아미노산이나 당질, 지질대사 중간체로부터 합성된다.
사람의 경우 lysine이 부족하면 구역질, 현기증 등이 일어나고 소리에 민감하게 되며 여자의 경우에는 월경장해가 일어난다.
Arginine이 부족하면 정액 중의 정자가 감소하는 것으로 알려져 있다. 또 동물성단백질과 식물성단백질에 함유되어 있는 필수아미노산 함유량은 다르므로 두 가지를 고루 섭취하는 것이 바람직하다.
단백질의 실생활의 예
ⓐ 혈액의 압력을 조절하는 새로운 헤모글로빈의 기능
적혈구의 일반적인 구성물인 헤모글로빈은 밝혀진 단백질 중에 가장 연구가 많이 되어 있는데, 산소를 조직에 수송하고 이산화탄소를 다시 회수하는 기능을 가진다. 하지만 이 헤모글로빈은 생화학자들의 코 밑에서 전혀 인식되지 못한 새로운 기능을 가져왔는지도 모른다. 듀크 대학 메디컬 센터의 조나단 스템러가 이끄는 연구팀은 네이쳐지에 헤모글로빈은 호흡뿐만 아니라 폐에서 나이트릭 옥사이드(NO)를 흡수해서 혈관에서 이를 방출하는 새로운 기능-혈압을 조절하는 운반기능-을 가지고 있다고 보고했다.
이 결과는 NO와 헤모글로빈 두가지 분자들을 연결하여 준다. NO는 혈관주위의 내피세포에서 생성되는데, 여러가지 많은 기능이 있지만, 혈관을 둘러싸고 있는 근육을 이완시켜서 혈압을 낮추어 준다. .
헤모글로빈이 NO를 수송하고 결정적인 순간에 이를 방출한다는 사실은 매우 고무적이고, 흥미롭다. 또한 이 발견은 과거에 세포로부터 추출한 헤모글로빈을 투여했을 때 나타나는 위험스런 혈압의 증가를 규명하고 대체 혈액으로 추출 헤모글로빈의 사용 가능성을 높일 것이다.
이러한 헤모글로빈의 조절현상에 대한 새로운 관점에 더해서 이러한 일들이 대체 혈액에 대해서 아주 큰 중요성을 가진다는 사실을 주목 해야한다. 순수한 헤모글로빈 대신에 단순히 SNO-헤모글로빈을 주입함으로써 가장 문제시되는 혈관의 압력이 높아지는 것을 방지할 수 있을지도 모른다.
ⓑ L아스파라긴산(酸)의 클린(clean) 생산기술 개발
일본촉매는 의약품과 식품첨가물, 저칼로리 감미료 등에 사용되는 L아스파라긴산(酸)의 클린(clean) 생산기술을 개발했다. 반응액을 완전 리사이클하는 것으로 폐기물을 전혀 내지 않고 지금까지의 10-20배의 효율로 합성할 수 있다.
L아스파라긴산은 대장균이 만드는 효소를 사용해 합성한다. 일본촉매 연구팀은 대장균에 효소의 유전자를 수백 개 집어넣는 것에 성공, 유전자를 하나밖에 갖지 않는 보통의 대장균에 비해 효소생산능력을 비약적으로 높였다. 생산가격은 몇 분의 일로 낮아진다고 한다. 또 합성한 L아스파라긴산을 꺼내는 데에 유황(硫酸) 대신에 L아스파라긴산 원료의 하나인 후마루산(酸)을 사용하도록 공정을 개량했다. 이에 의해 반응액을 완전히 리사이클할 수 있도록 하고 유해한 배기가스를 없앴다.
L아스파라긴산은 의약과 식품용으로 세계에서 연간 일만 톤(국내 2천- 3천 톤)이 생산되고 있다. 가격은 1kg 당 500-1500엔이다. 세제의 첨가제와 공장의 물처리제의 원재료가 되기도 하고 고분자화하면 높은 흡수능력을 발휘한다. 또 자연환경에서는 약 1개월로 완전히 분해된다. 이 때문에 버려져도 환경에 나쁜 영향을 주지 않는 생분해성 세제와 종이기저귀, 사막(砂漠)의 녹화용(綠花用) 보수재 등에 응용할 수 있다.
신기술을 사용하면 생분해성 세제 등 공업용에 L아스파라긴산을 낮은 가격으로 공급할 수 있다고 보고 시장에 참가한다. 조합기술을 이용하기 때문에 식품용으로는 판매하지 않는다. L아스파라긴산은 효소로 표면을 덮은 많은 장식용 구슬이 담겨진 원통에 후마루산과 암모니아를 넣어 합성한다. 효소가 붙은 구슬이 약 1평방미터 있으면 연간 일만 톤 이상을 합성할 수 있다고 한다.
ⓒ 마약 수용체에 작용하는 새로운 뇌내 펩티드 발견
[마약 수용체에 작용하는 새로운 천연 펩티드가 미국 재향군인의료센터와 툴레인 의과 대학 연구팀에 의해 발견되었다. 뮤(μ) 수용체에 대해 모르핀보다 뛰어난 친화력을 나타내는 이 물질은 endomorphin으로 명명되었다. 동물 실험에서는 모르핀과 같은 진통 효과를 나타내어 새로운 진통제 개발의 가능성도 엿보인다. 그러나, 아직은 약물의 안정성 및 중독성에 대한 연구가 필요한 단계이다.
1975년 이후, 뇌의 마약 수용체에 작용하는 것으로 알려진 자연상 펩티드는 크게 3 종류가 발견되어 있었다. 그것은 엔돌핀, 엔케팔린, 디놀핀 등인데, 엔케팔린은 델타(δ) 수용체에 선택적이며, 디놀핀은 카파(κ) 수용체에 선택적으로 작용한다. 엔돌핀은 세 종류의 마약 수용체에 대해 선택성을 나타내지는 않았다.
최근에는 아미드화된 tetrapeptide가 뮤 수용체에 선택적으로 작용함이 알려졌다. 이 펩티드의 구조는 티로신-프롤린-트립토판-글리신이며 글리신에 이미드화된 형태인데, 선택성은 비교적 높지만 친화도 자체는 그다지 높지 않았다. 이전에 발견된 펩티드들은 5개에서 31에 이르는 아미노산으로 이루어져 있으며, 공통적으로 N 말단에 티로신-글리신-글리신-페닐알라닌을 가지고 있었다.
연구원들은 이 tetrapeptide의 유도체가 뮤 수용체에 선택적으로 작용할 것으로 기대하고, 글리신을 다른 20 개의 아미노산으로 치환하는 실험을 수행하였다. 그중 글리신을 페닐알라닌으로 치환한 유도체가 높은 활성을 나타낸다는 것이 발견되었다. 다음 단계로는 이 유도체에 대한 항체를 만들고, 이 항체를 탐침으로 이용하여 뇌 추출물들을 검색했다. 그 결과 endomorphin1 과 2가 이번에 발견된 것이다.
이들은 뮤 수용체에 대해 대단히 선택적이어서, 델타 수용체보다 각각 4,000배, 13,000배나 강하게 결합하였고, 카파 수용체보다는 각각 15,000배, 7,000배나 강하게 결합하였다. 이들은 합성 펩티드처럼 강력하고 오래 지속되는 진통 효과를 나타내었다. 이러한 긴 수명은 C-말단의 아미드화에 의한 것으로 추정되며, 뮤 수용체에 대한 높은 선택성은 프롤린의 존재에 의한 구조의 안정성에 기인하는 것으로 보인다.
ⓓ 자궁암에 걸릴 확률을 결정하는 ‘p53 다형성’
유두종 바이러스 (HPV, human papillomavirus)는 대부분의 자궁암에 연관되어 있고 그밖에 성기 계통의 암과 연관되어 있는 경우도 많다. HPV가 어떻게 암을 유발시키는지는 아직 분명히 밝혀지지 않았지만 이 바이러스의 E6와 E7 단백질이 각각 p53과 RB (retinoblastoma) 라는 두 단백질과 상호작용을 한다는 사실은 오래 전에 보고되었다. p53과 RB 단백질은 매우 중요한 암억제 단백질들이며 p53의 경우 전체 암의 절반 정도에서 돌연변이가 발견된다. p53은 E6와의 상호작용을 통해 분해되는 것으로 알려졌으며 그 결과 암세포가 발생할 확률이 높아진다.
그런데 사람의 p53 유전자는 72번째 아미노산에 다형성 (polymorphism)을 가지고 있다. 즉, 어떤 사람의 p53 단백질은 72번째 아미노산이 프롤린이지만 어떤 사람은 아르기닌으로 되어있다. 지금까지는 이러한 다형성이 암의 발생과 어떤 연관이 있는지 밝혀지지 않았었다. 그러나 Alan Storey를 비롯한 영국, 캐나다, 이태리의 다국적 연구팀은 p53 단백질의 72번째 아미노산에 아르기닌을 가진 사람이 E6에 의해 더 쉽게 분해되며 결과적으로 자궁암에 걸릴 확률이 더 높다는 사실을 발견하였다.
뿐만 아니라 HPV에 연관된 자궁암을 가진 환자들이 다른 사람들에 비해 p53 단백질의 72번째 아미노산에 아르기닌을 갖는 경우가 더 많다는 사실을 확인하였다. 이 실험의 결과, 연구팀은 두 대립 유전자에 모두 아르기닌 형태의 p53을 가지고 있는 사람은 프롤린형태의 p53을 가진 사람에 비해 자궁암에 걸릴 확률이 7배나 더 높은 것으로 평가하였다. 아르기닌 형태의 p53이 E6에 더 잘 결합한다면 더 쉽게 분해될 것이고 결과적으로 돌연변이의 발생률이나 염색체의 불안정성이 증가하여 암세포의 발생을 촉진하게 될 것이다.
ⓔ Histidine 잔기, 식물병원균의 조직연화 관련 효소의 활성에 결정적 역할
Endopolygalacturonase (PG)는 식물병원균에 의해 분비되어 조직 연화에 관여하는 효소이다. 이 효소는 병원균이 식물 조직에 정착하는데 중요한 기능을 할 것으로 보인다. 뿐만 아니라 이 효소는 식물의 저항성 기작을 유도시키는 유도자로서의 역할도 한다. 많은 쌍자엽식물에서는 polygalacturonase 저해 단백질 (PGIP)을 만들고 있다.
식물병원균 Fusarium moniliforme의 병원성 효소 endopolygalacturonase(PG)의 구조와 기능을 알아 내기 위한 초기 작업으로써 이탈리아의 Cervone 연구팀은 PG 유전자를 효모에서 분비시키는 시스템을 만들었다. 이들은 PG의 재조합 플라스미드 pCC6를, F. moniliforme의 PG의 염기서열을 대장균/효모 왕복 벡터 (E.coli/yeast shuttle vector) Yepsec1로 클로닝하여 만들었다. 효모, Saccharomyces cerevisiae strain S150-2B를 재조합 플라스미드(pCC6)로 형질전환시켰고 형질전환된 효모세포를 배양한 배지에서 PG 활성 볼 수 있었다.
배지로부터 효소 (wtY-PG)를 순수분리하여 특성을 조사하였다. 분리한 효소의 생화학적 특성은 F. moniliforme에서 분리한 PG와 비슷하였다. 또한 wtY-PG는 감자조직을 연화시킬 수 있었고 덩굴강남콩 (Phaseolus vulgaris)로부터 분리한 PG 저해 단백질(polygalacturonase -inhibiting protein, PGIP)에 의해서 저해받았다. 따라서 재조합 염기로부터 생산된 효소는 F. moniliforme의 PG와 거의 같은 것으로 생각되었다.
PG를 코딩하는 것으로 알려져 있는 모든 염기배열 중에서 가장 변화가 적은 부위에서 3개의 아미노산 잔기를 각각 변화시켜 보았다: 히스티딘 234는 라이신으로, 세린 237과 240 은 글라이신 으로 바꾸어 주었다. 각각의 염기서열을 S. cerevisiae로 형질전환시켜 얻은 돌연변이화된 효소를 순수분리하여 특성을 조사하였다. 히스티딘 234를 라이신으로 바꾼 것은 효소활성을 완전히 잃어버렸다. 히스티딘이 효소활성에 결정적인 역할을 하는 것으로 보인다. 세린 237과 240을 각각 글라이신으로 바꾼 것은 각각 wtY-PG 효소활성의 48%, 6% 감소시켰다. 돌연변이화된 효소들과 덩굴강남콩의 PGIP사이의 상호작용을 surface plasmon resonance을 응용한 바이오센서 BIAlite를 사용하여 조사하였다. 돌연변이화된 효소는 모두, 원래의 효소와 비교하여 여전히 PGIP와 상효작용하며 결합하고 있었다. 따라서 PGIP와의 결합부위는 영향을 받지 않은 것을 보인다.
ⓕ 생체 아미노산인 '세린', '알라닌'에서 각질 박리작용 발견
일본 시세이도(資生堂)는 생체 아미노산의 일종인 '세린', '알라닌'이 오래된 피부의 각질세포를 벗겨지기 쉽게 하는 작용이 있다는 것을 발견했다. 이제까지 세린, 알라닌이 갖는 보습효과는 확인되고 있었으나, 각질층의 개선효과가 밝혀진 것은 처음이다. 연내에 판매개시가 예정된 피부의 거무스름한 빛깔을 개선하는 기초화장품의 성분으로서 이용할 계획이다.
검은 피부는 노화되면 오래된 각질세포가 벗겨지기 어렵게 되어, 각질의 중층화가 진행되는 것이 원인이 된다. 각질세포는 세포 사이에 존재하는 단백질의 일종인 [데스모솜]에 의해 접착되어 있으며, 젊은 피부는 효소에 의해 데스모솜이 분해되나, 나이가 듦에 따라 효소의 작용이 약화된다고 한다. 세린, 알라닌에는 효소의 작용을 활성화시켜 분해를 촉진하는 효과가 있는 것을 확인했다. 업계에서는 이제까지 유산이나 글리콜산 등을 각질층 개선효과가 있는 성분으로 2∼3년전부터 주목되고 있었으나, 피부에 자극을 느끼게 하는 등의 결점이 지적되고 있었다.
ⓖ 퍼머에 이용되는 단백질
퍼머를 할 때 직모를 손가락에 감아 두고, 그 뒤 감아둔걸 풀면 처음의 형태로 된다.
이것은 모발이 처음의 상태를 유지하려고 하는 탄력이라는 힘이 있기 때문인데, 탄력은 물에 젖으면 없어지므로, 일단 물에 젖게 한 다음 컬(curl)을 만들고, 그대로 말리면 이번에는 컬이 된 상태로 된다.
이 것은 물이 모발을 연화시켰고, 다시 건조하게 되면 굳어지는 것으로 컬이 일시적으로 만들어지지만, 다시 젖으면 컬은 풀어진다.
그래서 젖더라도 풀어지지 않는 컬이나 웨이브를 만들기 위하여 고안한 것이 퍼머넨트 웨이브(Permanent Wave)이고 줄여서 퍼머라고 한다.
모발의 성분은 케라틴 분자중 황(s)의 사슬의 하나인 시스틴 결합이라고 하는 것을 자르면 모발은 그 힘이 가장 떨어지므로, 시스틴 결합이 절단된 케라틴은 보통 모발보다 알카리에 대한 저항력이 줄어든다. 그래서 이 시스틴 결합을 자르는 작용이 있는 약품과 알카리성을 갖고 있는 약품을 처리하면, 모발은 극히 약해지는데, 이것이 콜드웨이브(Cold Permanent Wave)의 제1액이다.
1액이라고 하는 것은 웨이브를 내는 약품이 아니고 모발을 부드럽고 약하게 하는 약품이다. 자유롭게 형을 바꿀 수 있게 성질을 변화시켜 그 다음에 롯드로 와인딩하고 다음 다시 처음의 딱딱함으로 돌아가는 약(중화제)을 바르면 웨이브가 형성된다.
모발의 주요부를 구성하고 있는 모피질은 주로 케라틴이라고 하는 탄력성이 풍부한 섬유상의 경단백질로 되어있다.
이 케라틴은 다른 단백질과 마찬가지로 각종 아미노산이 결합하여 이루어진 폴리펩타이드(polypeptide)쇄상이 연결 지어져 있고 케라틴은 다른 단백질에 비해 유황(S)의 함유량이 많은데 미는 케라틴을 이루고 있는 아미노산 중에서 가장 함유량이 많은 시스틴(systine) 분자에 황 분자가 함유되어 있기 때문이다.
환원이라고 하는 말은 수소를 부여하여 반응하는 것을 말한다. 모발 케라틴의 분자 층에 있는 시스틴 결합을 |-S-S-|라고 쓰는 것은 유황(S)과 유황(S)의 원자사이의 결합이다.
그래서 이것을 절단하기 위하여 수소(H)를 부여하지 않으면 안 된다. 즉 S와 S가 서로 잡고 있는 사이에 H가 끼어 드는 것이다. H를 잡다 보면 SS의 연결은 끊어져 버린다. 지금까지 시스틴결합을 자른다고 표현했지만 그냥 자르는 것이 아니고 수소를 부여하여 연결을 끊게 하는 것이다. 이 수소를 부여하는 약품은 치오글리콜산, 시스테인 등이 있다. 그러므로 이와 같은 약품을 환원제라고 부른다.
ⓗ 뇌세포를 죽이는 글루타민산 수용체 유전자의 돌연변이
글루타민산 수용체 유전자에 돌연변이가 생기면 뇌의 신경세포들이 죽는 것으로 나타났다. 이 유전자는 현재 클로닝되어 있으며, 알츠하이머나 파킨슨씨 병과 같은 신경 퇴화병을 연구하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 이 유전자는 신경 세포들간의 교신을 매개하는 신경 전달자(neurotransmitter)라는 화학물질을 감지하는 수용체를 만드는 정보를 지니고 있다.
이 발견은 쥐를 대상으로 한 실험에서 이루어졌고, 글루타민산 수용체 유전자의 돌연변이와 뇌 세포 죽음과의 연관성을 직접 밝힌 최초의 연구이다. 이 유전자에 돌연변이가 일어나면 잘못된 수용체는 신경 전달자가 없을 때에도 마치 항상 결합해 있는 것처럼 행동, 신경 세포가 죽게 된다. ‘d2 글루타민산 수용체 유전자’에 돌연변이가 생기면, 어른에서 신경세포의 신진대사가 변화되어 보통 신생아 발생때 일어나는 세포 예정사 과정이 다시 활성화된다. 만약 이 과정을 더 잘 이해하여 진행을 늦추거나 멈출 수 있는 방법을 찾아낸다면, 세포들이 죽는 것을 막을 수 있을 것이다.
태아의 발생기간 동안에는 뇌의 마지막 성숙단계에서 세포 수를 정확하게 정하는 데 세포 예정사 방법이 사용된다. 처음에는 어른의 뇌에서 필요한 세포 수의 약 두 배 가량의 세포들이 발달하지만, 마지막에는 어떠한 화학신호를 받아 세포 예정사(apoptosis)를 시작해 자살한다. 이렇게 뉴런의 정상적 신진대사를 모니터링하는 감시 기작은 어떠한 형태의 세포 분열 사이클을 조절하는 기작과 아주 비슷할 것이라고 생각된다. 여러 가지 신경 퇴화병에서도 이 기작들이 세포 예정사 과정을 활성화시켜 뉴런의 기능에 장애가 일어난다.
연구를 수행한 록펠러 대학의 하워드 휴즈 의학 연구소의 Nathaniel Heintz 박사에 따르면, 이번 ‘d2 글루타민산 수용체 유전자’ 돌연변이의 발견으로, 정상적 뉴런에서 이 유전자의 기능을 이해할 수 있게 되었지만, 가장 중요한 문제는 바로 왜, 어떻게 하여 기능이 변화되는가 하는 점이다. Heintz 박사는 돌연변이 수용체의 기능과 세포 예정사의 관련성을 설명할 수 있는 두 가지 가능성에 대해 연구를 계속하려고 한다. 글루타민산 수용체는 세포 간 신호전달을 매개하는 생화학적 체계의 한 부분으로, 글루타민산이 뉴런의 바깥쪽 생체막에 있는 수용체에 결합하면 칼슘 이온이 세포 내로 들어가 신호가 전달된다.
이 두 가지 중 첫 번째 가능성은 단순히 수용체의 기능으로 세포 내로 들어가는 이온의 양이 증가하여, 세포가 죽게 된다는 이론이다. 또다른 연구에서도 뇌졸중 같이 글루타민산 수용체의 활성이 증가하면 칼슘 이온이 비정상적으로 많이 세포 내로 들어간다는 사실이 증명되었다. 즉, 이 이온들은 세포를 죽게 하는 데 아주 중요한 역할을 한다. 하지만, 칼슘 이온과 세포 예정사를 직접적으로 연관시킬 수 있는 기작은 아직 발견되지 않았다. 두 번째 가능성은 돌연변이로 수용체의 신호 전달 기능이 변화되어 잘못된 신호 전달에 의해 세포가 죽는다는 설이다. 수용체의 돌연 변이는 lurcher(Lc)라는 쥐의 6번 염색체에 있는 유전자에서, 유전자를 구성하는 4개의 핵산 2개가 치환되어 일어난다. 그러면, 유전자가 지닌 정보가 변화되어 수용체 단백질이 변화된다. 돌연변이가 일어나면 동물에서 운동기능을 조절하는 뇌 부분인 소뇌의 Purkinje 뉴런이 죽게 된다.
ⓘ 페닐케톤뇨증
[정의 및 원인]
페닐케톤뇨증은 선천성 대사 이상증의 하나로, 페닐알라닌을 티로신으로 전환시키는 효소의 활성이 선천적으로 저하되어 있기 때문에, 페닐알라닌과 그 대사 산물이 축적되어 지능 장 애 등을 나타내는 상염색체 열성 유전성 질환입니다. 여기에 관계되는 효소를 지배하는 유 전자는 12번 염색체에 위치하고 있다고 합니다.
[증상]
구토나 습진, 담갈색의 머리카락과 흰 피부색 등의 특징이 영아기에 나타나며, 앉기, 뒤집기, 걷기, 언어 등의 정신 운동 발달이 지연되고, 일부에서는 경련 증상도 나타나게 됩니다. 그 리고 특징적으로 환자의 땀과 소변에서는 쥐오줌 냄새가 나게 됩니다. 만약 생후 1년까지도 치료를 시작하지 않으면 IQ가 50이하로 저하되나, 생후 1개월 이내에 치료를 개시하면 이와 같은 증상은 나타나지 않습니다.
[진단 및 예방]
페닐케톤뇨증의 진단은 소변에 특수 약을 떨어뜨려 할 수 있으나 신생아에서는 소변으로의 배설이 적기 때문에 Guthrie 법이라는 방법으로 진단하게 됩니다. 최근에는 일반적으로 병 원에서 아이가 태어나면 이 방법을 이용하여 조기에 진단하는 것이 보편화되어 있으므로 쉽 게 밝혀낼 수 있습니다.
[치료]
혈중 페닐알라닌 수치가 기준보다 높으면 진단 즉시 저페닐알라닌 함유 특수 분유를 먹입니 다. 그리고 6세까지는 페닐알라닌이 적게 함유된 음식과 페닐알라닌 제거 분유를 섭취하는 저페닐알라닌 식이요법으로 혈중의 농도를 유지시키고, 그 이후에는 식사 제한을 조금씩 늦 추어도 좋습니다. 그러나 식이 요법을 완전히 중단하는 것은 아니며 사춘기까지 혈중 농도 를 일정 정도로 유지시키는 것이 바람직할 것입니다. 만약 치료를 한다고 전혀 조절을 하지 않는다면 페닐알라닌 섭취량이 필요량보다 지나치게 적어져, 발육 장애, 빈혈, 저단백혈증 등의 페닐알라닌 결핍 증상이 나타나게 되므로 주의하 여야 합니다.
[임산부와 PKU]
만약 페닐케톤뇨증이 있는 산모가 저페닐알라닌 식이 요법을 시행하지 않는다면 태아 혈액 중의 페닐알라닌 수치가 상승하게 되어, 태아 발육에 영향을 주고 유산이 되기 쉬워집니다. 그리고 임신이 계속된 경우라도 저출생 체중, 머리가 작은 소두증, 심장의 기형, 정신 박약 등이 자주 나타납니다.
ⓙ 다이어트와 우울증
다이어트 때문에 생기는 우울증 - 트립토판 결핍
음식 섭취에 이상이 있는 여성들 사이에서 발견되는 우울증의 영양학적 연관 관계가 밝혀졌다. 옥스퍼드 대학의 심리학자인 케이티 스미스 박사팀이 실시한 실험에 따르면, 트리톱판이라는 아미노산이 적게 함유된 식품으로 다이어트를 한 여성들은 수시간만에 우울증 증세를 나타내는 경향이 있는 것으로 나타났다. 그러나 이들이 음식을 정상적으로 섭취하기 시작하면서 증세는 사라졌다.
ⓚ 사료첨가제 시장동향
세계적으로 아미노산 수요가 증가하고 있는 가운데 메티오닌과 리신은 사료첨가제로 서 가장 많이 이용되고 있다.
항생물질은 축산물에서의 잔류나 내성균 출현문제 등의 여러 가지 문제로 소비가 일부 감소하고는 있으나 어린동물의 성장촉진, 소화기관내 불량세균이나 기생충 억제 등 다 양한 효과를 발휘하여 세계적인 수요는 가축생산의 증대와 함께 확대되고 있다.
유전자재조합기술을 이용한 아미노산의 생산기술은 미국 ADM(Archer Daniels Midland) 社와 일본 味の素, 協和發酵가 주도하고 있는데, 특히 일본의 味の素, 協和發酵는 사료분야에서 리신의 실용화 연구를 집중적으로 추진하고 있다.
ⓛ 실크에 이용되는 단백질
피브로인(Fibroin)
실크의 내부에 있는 치밀한 구조의 단백질로서, 미세한 구멍이 많은 다공성 구조로 되어 있고 높은 결정성을 가지며, 불용성임.
<피브로인 실크의 특징>
·고유의 광택성
·미세한 다공성 및 높은 결정성
·항균효과 우수
·온도, 습도조절효과 우수
·광(光)의 흡수 및 반사효과 우수
·잉크 첨가시 건조시간 크게 단축,
선명도 우수
·인조가죽에 첨가시 촉감이 우수
·물질에 대한 흡착성능이 매우 높음
·보습성이 우수
세리신(Sericin)
실크의 외부에 존재하는 단백질로써, 세린(Serin)이 약 30% 함유되어 있으며, 물과 친화성 이 높은 물질
ⓜ 다양한 용도로 사용되는 피브로인
·스킨케어용 화장품
·모발관련제품 (손상부위의 Coating 및 손상방지)
·유아용 및 노인용크림
·식품용소재
·건강식품소재 ·의료용소재
<피브로인용액>
·피브로인 Gel내의 미세단위구조체 의 농도를 조절함으로써, 다양한 종류의 용액제품 가
능
·피부친화성, 항알레르기
·대전방지효과
·습도조절효과
·식품첨가용 소재
·실버(Silver) 관련제품
노인용 내의 및 침구등에 코팅
ⓝ 다양한 용도로 사용되는 시스틴
·식품 첨가제 : 식품변색방지제, 신선도 유지제, 산화방지제,
·섬유 코팅제 : 아토피성피부염 환자용, 유아용
·종이 첨가제
·의료용 소재
·화장품 첨가제 : 스킨케어용, 화장비누
ⓞ 종양세포 생장에 필수적인 단백질 아미노산 서열 동정
종양세포가 생장하는데 필수적인 단백질의 아미노산 서열이 동정되었다는 소식이다. 이번에 동정된 단백질은 FGF2(fibroblast growth factor 2)라 불리는 것으로 암 세포로부터 배출되어 종양세포가 생장하는데 필요한 혈관 형성(angiogenesis)을 촉진시키는 작용을 갖는 것으로 알려진 단백질이다.
이번 연구 성과는 지금까지 알려져 있던 바와 전혀 다른 단백질 운송 대사 경로 (protein trafficking pathway)를 규명한 첫 번째 연구 성과라는 의미를 갖는다. 이번 연구에서 동정한 단백질은 암 세포로부터 빠져 나와 혈관 형성에 관여한다는 특징을 갖는다. 이번 연구 성과로 세포 안과 밖에서 질병 유발에 관여하는 주요 인자의 작용 기작을 규명 하는데 실마리가 제공된 셈이기 때문에 질병을 유발하는 단백질의 활성을 저해하는 새로운 약물 개발도 밝아질 전망이다.
일단 세포에 질병-유발 단백질이 출현하면 세포에 유해 작용을 나타낼 수 있게 된 다. 따라서 분비된 단백질을 약물 표적으로 삼는 전략보다는 단백질 분비 자체를 차단하는 전략이 질병 예방에 좀 효과적인 방법이라고 볼 수 있다. 따라서 지금까지 질병-유발 단백질을 대상으로 수행된 다른 연구 전략보다 한 단 계 진일보한 것으로 평가할 수 있다.
ⓟ 콩 성분이 전립선암 성장을 늦춘다
매일 먹는 콩 제품에 들어있는 이소플라본(isoflavones)이라는 성분이 전립선암의 성장을 늦추어주는 것으로 나타났다. 이번 연구는, 사람의 전립선암 발생과 진행을 멈추는데 이 성분이 어떤 역할을 하는지 평가하기 위한 임상 실험이 필요하다는 것을 강력하게 시사하고 있지만, 콩의 피토케미컬(식물 화학 성분, phytochemicals)이나 이소플라본을 함부로 보충제로 만들어 복용하는 것에 대해서는 별로 좋지 않게 보고 있다. 콩의 피토케미컬은 효능이 있는 것으로, 식물이 성장과 발달 동안 유전자를 조절하거나 포식자를 쫓아버리는 독으로써 이 물질을 사용한다. 따라서, 이런 화학 물질 중 어떤 것은 종양의 성장을 촉진시킬 수도 있다.
콩이 들어있는 음식을 먹으면 건강에 여러 가지 도움이 된다는 것을 알게 되었다. 예를 들어, 콩 단백질을 섭취하면 혈중 콜레스테롤 수치를 낮출 수 있다. 그러나, 가장 중요한 점은 이 물질의 이점과 부작용을 규명할 수 있도록 적절한 임상 실험이 필요하다는 것이다. 클린턴 교수 팀은 콩 단백질 추출물과 콩 피토케미컬 농축액 두 가지 타입에 대해, 쥐에 이식한 사람의 전립선암 세포의 성장을 억제할 수 있는지 테스트했다. 콩 단백질 추출물은 콩 전체에서 얻은 고품질 단백질로써, 극소량의 이소플라본을 함유하고 있다. 콩 피토케미컬 농축액은 이소플라본이 아주 많이 들어있는 추출물(콩 단백질 추출물보다 85배나 많은 양)이다. 48마리 쥐를 6 그룹으로 나눈 다음, 쥐 전부에게 사람 전립선암 세포를 주사한 다음 피부 밑에서 종양으로 키웠다. 그리고, 세 그룹에게는 콩 단백질 추출물을 주 단백질 공급원으로 먹이고, 나머지 세 그룹에게는 카세인(casein, 우유 단백질)을 주 단백질 공급원으로 주었다. 카세인을 먹인 세 그룹 중 첫 그룹에게는 콩 피토케미컬 추출물을 먹이의 0.2%, 두 번째 그룹은 1.0%만큼 주었다. 3주 후, 전체 그룹의 종양 부피를 비교한 결과, 이소플라본 섭취량이 증가할수록 종양 감소 정도가 커진 것을 알 수 있었다. 예를 들어, 콩 단백질을 먹고 피토케미컬을 먹지 않은 쥐는 카세인만 먹은 쥐에 비해 크기가 11% 줄었지만, 콩 단백질과 1%의 피토케미컬 농축액을 함께 먹은 쥐는 카세인만 먹인 쥐에 비해 종양 크기가 40%나 작아졌다.
이소플라본이 왜 전립선암을 줄이는지에 대해 세 가지 기작을 발견했다. 첫째, 콩 피토케미컬 농축액을 많이 준 경우 종양 세포 분열 속도가 느려지고 아폽토시스(apoptosis)가 많이 일어났다. 둘째, 종양에서 혈관 수가 줄어들었다. 즉, 이소플라본이 신 혈관 형성(angiogenesis)을 막아준다는 것을 의미한다. 마지막으로, 이소플라본을 먹인 쥐는 전립선암 성장을 촉진시키는 호르몬인 인슐린 유사 성장 인자 1(insulin-like growth factor 1) 수치가 낮아졌다.
ⓠ 알츠하이머病 유발 효소 “첫” 확인 1999/10/23
치매의 일종인 알츠하이머병을 일으키는 효소가 처음으로 확인돼 이 병의 치료제 개발에 새 전기가 마련됐다고 로이터통신 등 외신이 22일 보도했다. 미국 캘리포니아의 생명공학회사 암젠(Amgen)사(社)의 마틴 시트론(Martin Citron) 박사팀은 과학전문지 ‘사이언스(Science)’ 최신호에 발표한 연구보고서에서 인체의 뇌에서 단백질막(膜)을 축적시키는 효소인 ‘베타 세크레타제(beta-secretase)’를 발견했다고 밝혔다. 시트론 박사는 “알츠하이머병을 유발하는 것으로 알려진 이 단백질막은 ‘아밀로이드 전구(前驅) 단백질(APP·amyloid precursor protein)’라는 단백질이 베타 세크라테제에 의해 두 부분으로 나누어진 뒤 ‘감마 세크라테제(gamma-secretase)’라는 또 다른 효소에 의해 잘려 나가면서 생성된다”고 말했다. 연구팀은 이번 연구에서 베타 세크라타제를 방출하는 ‘BASE(beta-site APP-cleaving enzyme)’라는 유전자를 발견했으며 이 유전자를 제한할 경우 APP 단백질 수도 감소한다는 사실을 밝혀냈다. 과학자들은 그 동안 이들 효소에 대해서 알고는 있었으나 이 효소들이 정확히 어떤 것인지는 밝혀내지 못했었다. 시트론 박사는 “이번 연구로 알츠하이머병을 치료하거나 이 병의 발병을 늦출 수 있는 신약을 개발할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다. 이번 연구를 함께 진행한 하버드의과대학(HMS·Harvard Medical School)의 두돌프 탄지 (Rudolph Tanzi) 교수 역시 “신약개발의 목표가 분명해졌다”고 논평했다. 시트론 박사는 그러나 “신약개발까지는 아직 몇 년이 더 걸릴 것”이라면서 “성공을 낙관할 수만은 없다”는 신중론을 펼치기도 했다.
ⓡ 성장호르몬(human gross hormone)
성장호르몬이란?
성장호르몬 혹은 hGH로 불리는 인체호르몬은 뇌밑, 뇌하수체라는 콩알 크기만한 내분비선에서 생산되고 분비되는 것으로 191개 아미노산으로 만들어졌다. 뇌하수체보다 더 중추에 속하는 시상하부에서 분비되는 '성장호르몬방출호르몬(GHRH)에 의해 자극된다. 이것은 깊은 잠을 잘 때 많이 나온다.
혈액속의 성장호르몬을 측정하거나 분비량을 보변 이 호르몬은 성장이 끝난 뒤인 60세까지 분비되는 것으로 나타났다. 그러나 20대이후 매 10년마다 14%씩 감소해 60대가 되면 20대 수준의 절반 이하로 감소해 60대가 되면 20대 수준의 절반 이하로 감소한다.
대개 분비량이 멈추는 시기와 맞물려 노화과정이 시작된다. 때문에 의학계에서는 "노화의 주범이 성장호르몬 결핍"으로 보고 있다. 가장 중요한 성장인자로는 수정이 일어난 최초 세포에서 신생아가 되는 태생기에 작용하는 '인슐린양 성장인자-2'와 신생아에서 만 2세까지 성장에 기여하는 '인슐린양 성장인자-1' 이다.
성장호르몬은 지방을 분해하는 대사 작용을 가져 부족하면 지방 침착이 생긴다. (임상실혐에서 성장호르몬의 투여로 복부지방이 현격하게 감소되었다.) 또한 성장호르몬은 요추골의 골밀도와 근육을 증가시킨다. 성장호르몬이 부족하면 피부가 얇아지고 근육이 감소하며 심장과 폐, 신장 기능이 저하하고 나쁜 콜레스테롤 수치가 증가한다.
[
사용 실태
미국 언론들은 허리우드 스타들이 성장호르몬을 이용해 젊음을 유지하고 있다고 보도하고 있다. 성장호르몬을 투여받고 있는 딕시 카터는 얼마전 TV프로그램에 출연해 "2~3년 동안 호르몬을 사용했는데 몸에 탄력이 붙으면서 몸매도 되살아나고 있다"고 말했다. 골디 혼 역시 비슷한 이야기를 하고 있다.
의료계에서는 300명 이상의 허리우드 스타들이 사용하고 있다고 추산하고 있으며 전문가들은 미국 전역에서 4000~5000 정도가 천연 성장호르몬(인체에서 추출)을 사용하고 있는 것으로 추산하고 있다.
성장호르몬은 왜소발육증 환자나 거인증 환자를 치료할 목적으로 개발돼 미 식품의약청(FDA)의 사용 승인을 받은 최초의 공식호르몬 치료제였다. 이 호르몬 연구에 참가했던 데니얼 루드만 박사는 이 호르몬이 인간의 노화를 억제할 수 있다고 수십명의 인체실험을 통해 주장하고 있다.
효능
전문가들이 주장하는 효능은
빠른 시일내 비만증세가 줄어든다.
폭스(미국 통증치유의학회 회장이며 호르몬 치유분야의 권위자) 박사에 의하면 호르몬 투여 후 다이어트 없이 최고 신체비만의 14%가 사라진다고 밝히고 있다
면역기능의 강화, 에너지의 증가, 신체근육의 증가, 성욕강화, 불안감의 해소, 기억력 강화
전반적인 신체상태의 호전
주의사항
과다 투여하면 부종이나 안면신경 마비가 발생할 수 있다.
당뇨병환자는 성장호르몬이 인슐린의 작용을 방해하여 혈당이 상승하므로 주의해야한다
ⓢ 인슐린
1922년 인슐린이 발견된 뒤로 인슐린을 축출하고 정제하는 방법이 지속적으로 발전을 거듭하여 1980년도 이후에는 고순도의 인슐린을 얻을 수 있었고 유전자 재조합 기술을 응용하여 사람 인슐린을 대량으로 값싸게 생산하게 되어 당뇨병 치료에 많은 공헌을 하였다.
인슐린은 아미노산이 51개로 구성되어 분자량이 비교적 작은 단백질이며, 중성용액에 용해도가 매우 작다. 인슐린을 처음 축출하였을 때 인슐린의 구조와 분자량 등을 알지 못하는 상태였으므로 인슐린의 역가를 생물학적 활성도로 정의하여 사용하였었다. 인슐린 제제의 개량에 따라 순도와 농축도가 달라져 역각가 계속 수정되었다.
현재 쓰이는 인슐린의 종류
현재 쓰이는 인슐린의 종류는 인슐린의 순도, 작용시간, 인슐린의 농도 및 얻어진 동물의 종류 등에 의해 분류한다. 흡수 속도에 따라서 초속효성, 속효성, 중간형 및 지속형 등으로 나누고 있으며 속효성과 지속형을 미리 섞은 혼합형(90/10, 80/20, 70/30)도 있다. 흡수 속도가 빠른 속효성이라 하여도 제조회사에 따라서 여러 가지 다른 상품명으로 불리운다. 또한 인슐린을 추출한 동물의 종류에 따라 돼지와 소 인슐린이 있는데 1980년대 이후에는 재조합 사람 인슐린이 쓰이게 되어 점점 확산되는 추세이지만 아직 3가지가 시판되고 있다. 인슐린의 농도는 전통적으로 mL당 40단위 또는 80단위로 만들어졌으나, 현재는 혼동을 피하고 주사용량을 줄이기 위하여 mL당 100단위로 표준화되는 추세이지만 역시 3가지 종류가 아직도 계속 시판되고 있다.
흡수 속도에 따른 인슐린 종류
가) 속효성 인슐린(regular insulin, RI; crystalline zinc insulin, CZI): 흡수가 빠르기 때문에 부쳐진 이름이다. 투명하고 맑은 용액이며, 혈당강하 효과는 피하주사 후 15분내에 나타나고, 2∼4시간에 작용이 최고에 도달하고, 4∼6시간까지 지속된다. 케톤산증을 치료 할 때에는 정맥주사도 가능하며 지속적 피하 인슐린 주입법(continuous subcutaneous insulin infusion, CSII), 즉 인슐린 펌프에도 사용할 수 있다. 속효성 인슐린은 포장지에 적색으로 표시되어 있다.
나) 중간형 인슐린: 렌테인슐린(Lente insulin)과 NPH(neutral protamine Hagedorn)인슐린이 있지만 국내에는 NPH 종류만 시판되고 있다. 주사 후 작용시간이 약 24시간 지속되기 때문에 가장 많이 사용되고 있다. NPH는 인슐린에 아연과 어류 단백질인 protamine을 추가한 제형이기 때문에 백색의 뿌연 색깔을 가진다. NPH는 피하주사 후 protamin에 붙어 있는 인슐린 크리스탈이 떨어져 나가서 다시 육합체와 이중체로 분해되는 데 시간이 소요되어 중간형의 작용 시간을 가지게 되었다(그림 3-2, 3). 중간형 인슐린은 포장지에 초록색으로 표시되어 있다.
다) 지속형 인슐린(Ultralente): 주사한 후 24시간 이상 36시간까지 작용이 지속되기 때문에 부쳐진 이름이다. 기초 인슐린이 분비되는 것을 피하주사로 대치하려고 만들었으나 많이 쓰이지 않는다. 흡수 양이 일정하기 때문에 어떤 경우에는 유용하게 사용되기도 한다. 현재 국내에는 수입이 되지 않고 있다.
라) 혼합형 인슐린: 시력장애나 손놀림이 쉽지 않아 인슐린 혼합에 어려움을 겪는 혼자의 편의를 위해 중간형 인슐린과 속효성인슐린을 적절한 비율(예, 70/30, 80/20, 50/50 등)로 미리 혼합해놓은 제품이다. 소아당뇨병 환자나 인슐린 의존형 당뇨병 환자 및 기타 속효성 인슐린을 필요하는 사람에서 속효성과 중간형의 인슐린 필료량이 일정하다고 판단되면 혼합형으로 대치할 수 있다. 그러나 인슐린의 혼합비에 변동을 줄 수 없어 사용상에 제약이 따른다. 혼합형 인슐린은 포장지에 분홍색으로 표시되어 있다.
마) 초속효성 인슐린(리스프로): 종래까지 사용된 인슐린에 비하여 흡수가 조금 더 빠른 인슐린이 개발되었다. 인슐린은 보통 2개의 분자가 결합된 이합체이며, 여기에 아연을 첨가하면 아연을 중심으로 육합체를 형성한다. 따라서 속효성 인슐린은 피하에 주사된 후 인슐린 육합체나 크리스탈에서 얼마나 빨리 이합체로 떨어져 나가면서 혈중으로 확산되느냐에 있다. 인슐린의 다중체를 형성하는 반응은 인슐린 베타고리의 28번째 아미노산인 프롤린에 있다는 것이 알려짐에 따라 인슐린 베타고리의 28과 29번째 아미노산을 바꾸어 라이신-프롤린의 구조로 만들었는데 이렇게 만들어진 인슐린 리스프로는 인슐린 수용체에 결합하는 능력은 원래의 인슐린과 동일하나, 중합체 형성능력은 현저히 낮아진다. 따라서 종래의 인슐린에 비하여 빠른 흡수를 장점으로 하고 있다. 주사 후 15분 이내에 작용을 나타내어 30∼60분 사이에 최고 농도에 도달하고, 60∼90분 사이에 가장 강한 저혈당 효과가 있고, 작용 시간은 2∼3시간 지속된다.
이러한 장점 때문에 인슐린 리스프로는 식후 혈당 상승을 더욱 효과적으로 예방할 수 있으며, 식사 직전에 주사할 수 있어서 환자에게 편리한 점이 될 수 있다. 저혈당에 대한 부작용도 다른 인슐린제에 비하여 빈발하지 않은 것으로 알려졌으며, 주사 부위에 따른 흡수속도의 차이도 크지 않은 것으로 알려졌다. 이러한 초속효성 인슐린을 이용하여 혈당 조절을 장기간 했을 때 당화혈색소치를 더욱 낮출 수 있다는 보고도 있다. 기존 인슐린 제제에 비하여 몇 가지 장점이 있기 때문에 기대해 볼 만한 제형이다. 현재 국내에서도 수입이 되어 사용하기 시작하였다.
인슐린의 순수도와 추출 동물
일반적으로 인슐린 순도의 정도는 프로인슐린의 포함 정도로 나타낸다. 프로인슐린이 10ppm이하인 경우를 순수 인슐린(purified insulin), 1ppm이하인 경우를 고순도 인슐린(highly purified insulin)이라 부른다. 70년대 이후에는 10∼20개의 불순물만 포함되는 고순도의 인슐린 제품이 만들어지고 있다. 순도가 낮은 인슐린을 사용할 경우에는 환자에서 다량의 인슐린항체생성 또는 주사부위의 지방 위축 등의 부작용이 나타날 수 있지만 현재는 볼 수 없다.
가) 소와 돼지 인슐린: 소 인슐린은 세 개의 아미노산, 돼지 인슐린은 한 개의 아미노산이 사람 인슐린과 다르다. 소 인슐린은 인슐린항체, 인슐린 알레르기와 같은 문제점이 있을 수 있으며, 사람 인슐린에 비하여 작용 발현 시간이 약간 늦다.
나) 사람 인슐린: 1982년에 사람 인슐린을 유전공학적으로 생산하면서 상품화가 가능해졌다. 순도는 거의 완전한 상태이다. 생물학적 작용은 돼지 인슐린과 유사하다. 그러나 사람 인슐린은 돼지나 소 인슐린에 비하여 흡수 속도가 빨라서 효과가 빨리 나타나고, 작용지속 시간이 상대적으로 약간 짧은 경향이 있다. 사람 인슐린은 동물 인슐린에 비하여 항체를 적게 만든다. 그러나 임상적으로는 돼지 인슐린이나 사람 인슐린이나 큰 차이가 없다고 한다. 큰 차이가 없는데도 불구하고, 차츰 사람 인슐린을 더 많이 쓰게 되었다. 사람 인슐린의 생산원가가 낮아지고, 이론적으로도 사람 인슐린이 더 좋을 것이라는 믿음 때문에 사람 인슐린을 더 선호하는 경향이 있다. 기존의 동물 인슐린으로도 큰 문제 없이 혈당이 잘 조절되는 경우에는 구태여 사람 인슐린으로 바꿀 필요는 없을 것으로 생각된다.
인슐린의 약리
인슐린의 안정성 및 혼화성
인슐린은 냉장 보관하면 오랜기간 안정성이 유지된다. 인슐린은 보통 실내온도에서도 1달 정도는 안정성이 유지되며 약용기가 열린 이후에도 1달 이내에 쓴다면 반드시 냉장고 안에 보관할 필요는 없다. 그러나 인슐린을 차안이나 유리창 근처 또는 온열기나 냉각기 근처에 놓으면 안된다. 또한 직사광선이나 30℃이상 온도의 열기에 노출되서도 안되며 얼려서도 안된다.
NPH와 같이 인슐린 현탁액을 포함하는 약용기는 인슐린을 뽑아내기 전에 현탁액을 균일화시키기 위해 부드럽게 흔들어야 한다.
각각 종류가 다른 인슐린을 주사 전에 혼합할 때에는 각각의 인슐린에 생화학적 변화가 생길 수 있는데(혼합 직후나 시간이 경과되면서) 그 결과로 인슐린 혼합제제에 의한 생리학적 반응은 인슐린을 각각 따로 주사할 때의 반응과 달라질 수 있다. 속효성 인슐린과 NPH는 어떤 비율이든지 잘 혼화된다. 이 인슐린들은 같은 주사기에 섞일 수 있고, 그들의 작용 효과도 유지된다. 속효성 인슐린이 lente 또는 ultralente와 체외에서 혼합될 때는 안정성이 떨어진다. 속효성 인슐린이 lente 또는 ultralente와 혼합되었을 때 비록 2∼10분의 짧은 시간 동안 일지라도 속효성인슐린 효과 발현의 속효성이 감소된다. 한편 리스프로가 NPH와 혼합될 때는 흡수속도가 감소되나(총 생체이용률의 변화는 없음), 리스프로가 ultralente와 혼합될 때는 흡수속도 감소현상은 없다. 그러나 속효성인슐린이 리스프로를 타 제제와 혼합할 때 주사 직전에 혼합하면 그들의 속효성 대부분 또는 모두가 유지된다. 주사시 하나의 바늘을 통해 두 개의 다른 주사기를 사용한다면 모든 인슐린 효과가 유지될 것이다. 혼합제제에서 용해물질의 소실은 기간이 지남에 따라 증가되고(적어도 24시간까지), lente의 비율이 높을수록 소실정도가 크다.
재현성 및 적절한 용량 결정을 위해 인슐린 용량을 측정하고 혼합시키며 투여하는데 있어서 같은 기술을 사용한 후 그 결과를 매일 정기적으로 관찰하는 것이 중요하다. 만약 심한 혈당변동이 음식섭취 전후에 있고 빠른 인슐린 효과가 더 요구된다면 혼합된 속효성인슐린이나 리스프로의 효과가 일부 감소됐을 가능성을 고려해야 한다. 이는 혼합시킨 인슐린을 분리하여 주사함으로써 검증할 수 있다. 의료인 또는 환자가족으로 하여금 사용하기 전 미리 섞어서 하루 이상 보관하려는 환자들에게는 주사 당일날에 인슐린 혼합을 하도록 상기시킨다.
인슐린 흡수
인슐린 흡수와 인슐린 유용성에 영향을 미칠수 있는 인자들이 여러 가지 있다. 인슐린 흡수에 있어서 개체내 변이가 매일 25%까지 될 수 있고, 환자간에는 50%까지도 차이가 생길 수 있다. 이러한 변이성은 모든 인슐린 제제가 비슷한 정도로 가지고 있으나, 어떤 기간 이내의(수분 또는 수시간 동안) 흡수속도 변이성을 보면 속효성 인슐린 및 인슐린 리스프로에서 변이성이 작고 NPH, lente 및 ultralente가 더 크다. 그러므로 속효성 인슐린을 강조하는 인슐린처방에서 혈당에 미치는 효과의 재현성이 더 높다.
인슐린 흡수에 영향을 미치는 인자들
육체적 운동은 운동부위로 혈류를 증가시켜 그 부위에서의 인슐린 흡수를 빠르게 한다. 산발적인 운동은 인슐린 흡수의 변화를 유발시킨다. 환자는 운동 예정인 부위에 주사하는 것을 피해야 한다. 예를 들면 환자가 주사 후 구보를 할 예정이면 대퇴부 주사는 피해야 한다. 만약 운동을 하게 된다면 복부를 주사부위로 이용하는 것이 좋은데 이곳은 복근운동을 제외하면 운동에 의한 흡수증가가 가장 적게될 부위이기 때문이다.
기타 속효성 인슐린 흡수에 영향을 미치는 인자로는 외부온도(예: 뜨거운 물 목욕이나 싸우나), 흡연, 주사부위의 국소 마사지가 있다.
피하조직이 적은 마른 환자에게 인슐린 투여시 흡수가 더 빠를 수 있는데 주사시에 근육내의 주사가 될 수 있기 때문이다. 그런 환자에서는 중간형 인슐린으로서 ultralente를 쓸 수 있다. 또한 식전 속효성 인슐린 주사와 식사 사이의 간격을 더 짧게할 필요가 있다. 마른 어린이 환자에게는 리스프로를 식후 바로 투여함이 가장 좋다는 보고도 있으며 그 이유는 리스프로의 속효성과 환자의 음식섭취를 확인할 수 있다는 점에 있다.
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