13. 생물학 개론, 작은 분자 - 생명체의 분자, 탄수화물

생물학 정리

by 수집쟁이 2020. 9. 18. 09:51

13. 생물학 개론, 작은 분자 - 생명체의 분자, 탄수화물

생명체의 분자

삶(생명)이라는 것은 간단한 것이 아니다. 우리는 이러한 말을 수없이 들어 왔으며, 또한 이러한 말은 살아가는데 어려움을 겪고 있는 사람들이 자주 쓴다. 이들은 일반적으로 자신들이 가진 문제가 삶이라는 커다란 어려움의 일부분이라고 생각한다. 그리고 삶의 문제점에 대하여 깊이 생각하지 않는 우리 자신까지도 생명 현상이라는 것은 복합적인 것이며 경우에 따라서는 신비스럽다고 느끼기도 한다.

생명체라는 것은 어떤 관점에서 보아도 복합적이다. 예를 들어 생명체의 근원이라든지, 생명 현상의 메카니즘 또는 생명체의 구조 등 어느것 하나 단순하 지가 않다. 생물체가 가지는 분자적 구성을 이해하기 위하여 생물체를 이루는 물질을 살펴볼 필요가 있으며 특히 고분자 물질의 중요성을 강조하고자 한다.

작은 분자들의 성질을 이해하게 되면 이것을 기초로 하여 큰 분자들의 성질을 용이하게 파악할 수 있다. 큰 분자들의 구조는 대단히 복잡하기는 하지만, 일반적으로 중합체(polymer)를 이루고 있는데, 중합체란 많은 수의 동일한 또는 유사 한 단위체(monomer)로 이루어진 물질이다. 이들 단위체가 모여 이루어진 중합체를 고분자(macromolecule)라고 한다.

앞으로는, 4가지 중요한 물질인 탄수화물(carbohydrate), 지질(lipid), 단백질 (protein), 핵산(nucleic acid)의 구조와 기능에 대하여 알아보고자 한다. 위와 같은 분류가 적합하지 않은 경우도 있는데, 왜냐하면 물질들 중에는 이들 4가지 중 뚜렷이 어느 부류에 속한다고 구분짓기 어려운 것들이 있기 때문이다. 예를 들어 곧 알게 되겠지만 당단백질(glycoprotein, sugar-protein) 또는 지단백질(lipoprotein, lipid-protein) 등이 그러한 것들이다.

탄수화물(Carbohydrate)

탄수화물은 일상 음식물에 포함되어 있는 당류와 전분으로 우리가 흔히 접하는 물질이며 또한 매우 중요한 물질이기도 하다. 모든 탄수화물은 실험식 (CHO) 으로 표시된다. 여기에서 n은 CH2O의 수를 의미하며, 가장 간단하면서 흔한 물 질로 탄수화물(CHO)3, 또는 3탄소 화합물을 들 수 있다. 여기에서는 6탄소 화 합물을 주로 하여 이들 물질이 중합체를 형성하는 방식에 초점을 맞출 것이다. 우선 단당(single sugar)과 이당(double sugar)의 구조에 대하여 살펴보자.

단당류(Monosaccharide) - 이당류(Disaccharide)

모든 탄수화물은 단당(single sugar, monosaccharide)으로 이루어져 있다. 단당의 수는 매우 많은데 6탄당인 포도당(glucose)이 가장 대표적이다. 단당류보다 약간 복잡한 형태의 탄수화물은 이당류(disaccharide)인데 2개의 단당으로 이루어져 있으며 가장 흔한 것으로 설탕(sucrose, 흔히 백설탕)을 들 수 있다. 단당은 더 길게 연결될 수 있으며 경우에 따라 수백 또는 수천 개가 연결되어 다당류(polysaccharide) 를 이룬다.

한 개의 단당은 짧은 쇄상 또는 환상의 구조를 한 탄소(대개 5~6개)로 구성되는데, 각 탄소는 수소기(-H)와 수산기(-OH)를 갖는다. 탄수화물의 실 험식 (CHO)』을 통해 각 탄소에 한 개의 산소가 결합되어 있음을 알 수 있다. 흔히 단당의 맨 끝 탄소는 산소와 이중결합을 하여 알데히드기(aldehyde group)를 이룬다.

또 다른 경우 탄소는 산소와 이중결합을 이루면서 케톤기(ketone group)를 형성 하기도 한다.

단당은 쇄상 또는 환상의 두 가지 구조로 되어 있지만 다당류내의 단위체 단당은 환상 구조로 되어 있다.

위에서 소개한 바와 같이 가장 흔하고 중요한 단당은 6탄당인 포도당(알데히드)으로, 이 물질은 에너지 대사와 광합성(photosynthesis)에 깊이 관련되어 있는 것 외에도 탄수화물의 중요한 구성 단위(building block)이다. 또한 이것은 설탕을 구성하는 2개의 구성 단위 중 하나이기도 하다. 포도당은 그 근원에 따라 혈당(혈액당), 옥수수당, 또는 포도당으로 불린다. 그 근원이 무엇이든지 간에 포도당(또는 dextrose)은 중요한 에너지원이기 때문에 응급시 또는 수술 후의 환자에 게 혈관을 통하여 공급하기도 한다.

이당류인 설탕은 한 분자의 포도당과 한 분자의 과당으로 이루어져 있으므로 사실상 2개의 6탄당이 탈수결합(dehydration linkage)에 의하여 연결된 12탄당이라고 할 수 있다.

다음의 그림은 탈수결합의 성질을 설명해 주고 있다. 여기에서 두 6탄당은 2개의 -OH 곁가지가 결합하여(X-OH + HO-X) 물 한 분자(H-O-H)를 잃으면서 산소결합(X-O-X)을 한다. 이와 같이 물이 이탈되는 반응을 탈수합성(dehydration synthesis)이라 하는데 생체내에서 이러한 반응이 일어날 때에는 효소(enzyme)라고 하는 단백질이 요구된다. 모든 화학반응에서 마땅히 에너지의 공급이 필요한 것처럼 이 탈수합성에도 에너지가 요구된다. 생체내의 많은 합성반응은 생물체의 보편적인 에너지 저장 물질인 ATP에 의하여 이루어진다.

효소는 상당량이 세포내에 존재하며 생명체 대부분의 화학반응에 대한 촉매자(활성화 물질) 역할을 한다.

사람의 창자내에서 설탕은 가수분해(hydrolytic cleavage)되어 포도당과 과당으로 분리된다. 이 반응은 효소에 의하여 물 한 분자가 첨가되면서 일어난다. 체내에서 설탕은 잘 흡수되지 않으므로 설탕의 이와 같은 분해반응은 꼭 필요한 것이다(설탕을 한꺼번에 많이 먹게 되면, 일부는 분해되지 않은 상태로 혈액내로 들어 가 오줌으로 배설된다). 모든 당 분자의 탄소는 번호가 정해져 있어(그림 3-1 참조) 결합이 이루어지는 부위를 정확히 알 수 있다. 예를 들어 포도당과 과당의 탈수결합은 포도당의 1번 탄소와 과당의 2번 탄소 사이에서 이루어지므로 1-2결합이라고 할 수 있다. 생화 학자들은 이와 같이 이웃하는 단당 분자 사이에 이루어지는 결합을 글리코시드결합 (glycosidic linkage)이라고 한다. | 이당류의 또 한 가지 형태는 젖당(유당, lactose)인데, 이것은 우유에 포함된 당 분 중의 하나이다(그림 3-3). 젖당은 사실상 포유동물의 젖에서만 발견되는 당분 으로 설탕만큼 달지는 않지만 유아들에게는 필수적인 음식물이다. 백인의 경우 를 제외한 거의 모든 성인에게는 소위 '젖당 소화 장애(lactose intolerance)’현상이 나타난다. 성인들은 일반적으로 포도당과 갈락토오스로 구성되어 있는 젖당을 분해하는 효소가 분비되지 않기 때문에 우유를 마시면 분해되지 않은 채 대장으 로 운반되어 이곳에서 미생물에 의해 분해된다. 이 미생물들은 상당량의 가스를 발생시키기 때문에 종종 가스가 축적되어 창자를 불편하게 한다.