생화학은 무슨 학문일까?(탄수화물, 단백질, 지질, 핵산)

 안녕하세요. 오늘은 생화학에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 생화학은 생명체와 관련된 거의 모든 화학반응에 대해 연구하는 학문입니다. 생화학의 분야는 너무 방대하기 때문에 모든 것을 설명할 수는 없지만 기본적으로 연구의 주된 관심사인 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산에 대해 간단하게 설명해보겠습니다.

 

 일단 탄수화물(carbohydrate)은 당류의 유도체를 총칭하는 말이며, 기술적으로는 탄소의 수화물을 일컫는 말입니다. 간단히 말해보자면 H(수소), C(탄소), O(산소)로 이뤄진 고분자를 탄수화물이라고 할 수 있습니다. 탄수화물은 액체에 녹아있는 작은 당 분자에서부터 크기가 큰 다당류까지 아주 다양하게 존재한다.

 탄수화물 단량체를 뜻하는 말인 단당류(monosaccharides)는 탄수화물의 가장 작은 기본 단위가 되고 일반적으로 C : H : O가 1 : 2 : 1이 되는 화학식을 가지고 있습니다. 단당류의 대표적인 예시로는 포도당이 있습니다. 포도당과 이성질체의 관계에 있는 과당도 단당류의 대표적인 예시가 될 수 있습니다. 포도당과 과당이 인체 내에서 작용하는 방식이 다르다는 것을 통해 화학식이 같지만 형태가 달라서 다른 방식으로 작용하는 것들이 있다는 것을 알 수 있습니다. 이당류는 단당류 2개가 연결되어 만들어지며, 이때 결합은 탈수 반응으로 결합되는 탈수축합으로 이뤄집니다. 이당류의 예시로는 포도당 두 분자의 결합인 엿당, 포도당 한 분자와 과당 한 분자의 결합인 설탕, 포도당 한 분자와 갈락토스 한 분자가 결합한 젖당이 있습니다.

 다당류(polysaccharides)는 수 십 개에서 수 천 개의 단당류가 탈수축합으로 결합된 거대분자입니다. 다당류는 저장 분자나 골격이나 구조 화합물로서 작용합니다. 예시로는 식물의 저장 다당류인 녹말(starch), 동물의 저장 다당류인 글리코젠(glycogen), 식물의 세포벽이기에 지구에서 가장 풍부한 셀룰로오스(cellulose), 곤충이나 갑각류, 균류의 세포벽에서 구조적 다당류인 키틴(chitin) 등이 있습니다. 

 

 단백질(protein)은 지구 상의 생명체들을 구성 물질 중 하나로 아미노산(amino acid)이 펩타이드 결합을 통해 만들어진 고분자입니다. H(수소), C(탄소), O(산소), N(질소)으로 이뤄져 있습니다. 단백질은 생체 내에서 만능이라고 할 수 있을 만큼 다양한 곳에서 많은 것을 담당하고 있습니다. DNA가 얽혀서 염색체가 될 때 필요한 히스톤부터 생체활동에 있어 대부분의 화학반응을 일으키는 효소, 근육 등 신체 구성 물질, 혈액 속으로 분비돼 표적기관에 작용하는 호르몬에 이르기까지 매우 다양한 곳에서 사용됩니다.이렇게 다양한 종류의 단백질들은 분자생물학 글에서 설명한 센트럴 도그마를 통해 생성됩니다. 20종의 아미노산들이 여러 배열로 연결되고, 연결된 폴리펩타이드 분자는 꼬이고 접히고 얽혀서 여러 구조를 만듭니다. 이렇게 만들어진 구조들끼리 모여서 단백질이 만들어집니다. 단백질은 특히 구조(형태)가 중요한데 열이나 pH에 의해 변성이 되곤 합니다.

 

 지질(lipid)은 정의하기 모호하지만 생체에 있는 물질 중 비극성 용매에 녹는 물질을 통칭합니다. 예시로는 지방, 인지질, 스테로이드 등이 있습니다. 지방(fat)은 글리세롤 한 분자와 지방산 세 분자로 이뤄져 있으며 지방산의 종류에 따라 지방의 종류도 달라집니다. 지방 조직은 에너지를 비축하는 역할과 단열재로서의 역할, 장기 보호의 역할을 합니다. 인지질(phospholipid)은 글리세롤 한 분자, 포화 지방산 한 분자, 불포화 지방산 한 분자에 인산기가 붙어있는 형태로, 인산기가 붙어있는 지질이라 인지질이라는 이름을 가지고 있습니다. 인산기로 인해 머리 부분은 친수성을 띄고 있고, 꼬리 부분은 소수성을 지니고 있어 생체 막의 주요 구성 성분으로 자리잡고 있습니다.

 

 핵산(nucleic acid)은 알려져 있는 생명체에게는 필수적으로 필요한 고분자로, 유전 정보를 기록하는 역할을 가지고 있습니다. 핵산을 구성하는 단량체는 뉴클레오타이드(nucleotide)입니다. 뉴클레오타이드는 인산기. 당, 질소 염기의 구조를 가지고 있는데 DNA(DeoxyriboNucleic acid)와 RNA(RiboNucleic Acid)는 당이 기본적으로 다릅니다. DNA같은 경우 중심에 있는 당에 산소가 하나 없습니다. DNA의 염기에는 아데닌(A), 타이민(T), 구아닌(G), 사이토신(C)의 질소 염기를 가지고, RNA는 A, G, C는 DNA와 동일하게 가지지만 T 대신에 우라실(U)를 가집니다. A는 T(U), G는 C와 상보적으로 수소결합을 하고 이를 통해 복제, 전사, 번역 등이 발생할 수 있습니다.

 

 생화학은 위와 같은 생체 내 고분자들과 이런 고분자들이 생체 내에서 어떻게 반응하는지 연구하는 학문입니다. 대사과정 속에서 일어나는 화학작용들, 여러 곳에 사용되는 단백질들, DNA와 RNA를 통해 생기는 유전 등 여러 분야가 있으며 이와 같은 것들은 연구하는 학문이 생화학이 되는 겁니다. 생화학은 체내의 생체 분자를 다루는 만큼 유전공학, 대사조절, 효소학, 신호전달 생화학 등 다양한 분야에 큰 영향을 끼치는 학문입니다.