단백질 호르몬인 인슐린을 실온에 방치하면 효과가 떨어지는 이유가 무엇인가요?

Question

단백질 호르몬인 인슐린을 실온에 방치하면 효과가 떨어지는 이유를, 열에너지에 의해 분자 내 수소 결합과 소수성 상호작용이 뒤틀려 입체 구조(3차 구조)가 변하고 수용체 결합력을 잃는 과정으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

인슐린은 우리 몸속에서 혈당을 조절하는 핵심적인 단백질 호르몬으로, 그 기능은 아미노산 체인이 정교하게 꼬여 만들어진 특유의 3차원 입체 구조에서 나옵니다. 하지만 인슐린을 냉장 보관하지 않고 실온에 오래 방치하면 열에너지에 의해 이 구조가 무너지면서 본래의 효과를 잃게 됩니다.

​가장 먼저 발생하는 변화는 분자 내부를 지탱하는 미세한 결합들의 파괴입니다. 인슐린의 입체 구조는 아미노산 사이의 수소 결합과 전하를 띠지 않는 부분끼리 뭉치려는 소수성 상호작용에 의해 유지됩니다. 실온의 열에너지가 인슐린 분자에 전달되면 분자들의 운동 에너지가 커지면서 이 약한 결합들이 진동하다 결국 끊어지거나 뒤틀리게 됩니다. 특히 단백질 안쪽으로 숨어있어야 할 소수성 부분들이 겉으로 드러나면서 분자 전체의 모양이 변형됩니다.

​이렇게 입체 구조가 변하는 현상을 단백질의 변성이라고 합니다. 인슐린이 혈당을 낮추려면 세포 표면에 있는 인슐린 수용체와 마치 열쇠와 자물쇠처럼 완벽하게 맞물려야 합니다. 그러나 열에 의해 3차 구조가 뒤틀려버린 인슐린은 수용체와의 결합 부위 모양이 달라져 버립니다. 결과적으로 열쇠의 모양이 휘어버려 자물쇠를 열지 못하는 것처럼, 인슐린이 수용체에 제대로 달라붙지 못하게 되어 세포에 혈당 흡수 신호를 보내는 능력을 상실하게 됩니다.

​또한, 변성된 인슐린 분자들은 서로 엉겨 붙어 침전물을 형성하기도 하는데, 이는 가용성을 떨어뜨려 체내 흡수율을 더욱 저하시킵니다. 결국 실온 방치는 인슐린의 정교한 화학적 설계도를 물리적으로 망가뜨려 생물학적 활성도를 떨어뜨리는 결정적인 원인이 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

'인슐린'은 정확한 3차 입체 구조를 가져야 작동하는 단백질 호르몬입니다. 따라서 실온, 특히 고온에 오래 방치할 경우 약효가 떨어질 수 있는데요, 이는 인슐린 분자의 3차 구조가 불안정해지기 때문입니다. 인슐린은 아미노산 사슬이 접혀 특정한 형태를 이루고 있기 때문에 세포 표면의 인슐린 수용체와 정확히 맞물릴 수 있습니다. 즉 아미노산 서열 자체가 같더라도 입체 구조가 무너지면 정상 작용을 못합니다.

이러한 3차 구조를 유지하는 힘은 주로 수소 결합, 소수성 상호작용, 이온 결합, 반데르발스 힘, 이황화 결합인데요, 이중에서도 수소 결합과 소수성 상호작용은 적절한 저온에서는 비교적 안정적으로 유지되지만, 온도가 올라가면 분자들이 더 크게 진동하고 움직이며 구조가 흔들리기 시작합니다. 즉 실온 또는 고온 환경에서는 열에너지가 증가하여 인슐린 내부의 수소 결합 일부가 끊어졌다가 다시 형성되기를 반복합니다. 이 과정에서 원래 안쪽에 있어야 할 소수성 아미노산 부위가 바깥으로 노출될 수 있는데요, 그러면 단백질 접힘이 느슨해지거나 부분적으로 풀리며 변성됩니다. 이때 완전히 펼쳐지지 않더라도, 수용체와 결합하는 핵심 부위의 미세한 각도 변화만으로도 활성이 감소할 수 있습니다. 게다가 구조가 흔들려 소수성 부위가 노출된 인슐린 분자끼리 서로 달라붙으면 작은 덩어리나 섬유상 집합체가 생깁니다. 단백질 응집체가 되면 용해성도 떨어지고, 수용체와 정상적으로 결합하기 어렵습니다. 또한 구조가 변한 인슐린은 세포 수용체에 잘 붙지 못해 포도당 흡수 신호를 충분히 전달하지 못하게 됩니다. 감사합니다.