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1. 산소해리곡선의 변곡점
1.1. 생명의 기본단위와 생화학 반응의 환경
생명의 기본단위와 생화학 반응의 환경은 매우 복잡하며 고도로 조직화된 동적인 상태로 유지된다. 생명체는 자기복제 및 자기회합하고 분화하며 생식을 통해 번식하며 항상성을 유지한다. 세포는 생명체의 구조적이고 기능적인 단위이다. 원핵세포와 진핵세포로 구분되며, 진핵세포는 원핵세포보다 크며 내부의 구조가 막으로 구획화되어 있다.
세포막은 인지질이중층 구조에 단백질이 묻혀있는 상태로, 선택적 투과의 방어벽 역할을 한다. 물질수송은 단순확산, 촉진확산, 능동수송으로 이루어지며, 세포질은 사이토졸과 세포 골격의 망조직을 포함한다. 핵은 이중막이며 유전정보를 저장하고 단백질 합성을 통제한다. 리보솜은 단백질 합성에 관여하며, 소포체는 단백질 합성과 지질 합성에 관여한다. 골지체는 단백질을 처리하고 농축하여 최종 목적지로 운반한다. 리소좀은 산 가수분해효소로 손상된 세포막이나 오래된 세포 소기관을 분해하며, 미토콘드리아는 지방산과 포도당으로부터 ATP를 합성한다.
생명체를 구성하는 주요 화학원소는 C, H, O, N, S, P이며, 탄소는 다양한 원자가 결합하여 생화합물의 골격을 이룬다. 공유결합은 원자가전자 공유결합, 극성 및 무극성 공유결합으로 구분되며, 비공유결합에는 수소결합, 이온결합, 소수성 상호작용, 반 데르 발스의 힘이 있다. 물은 세포 내 대사반응의 매체이자 필수적 완충제로 작용한다.
산과 염기는 수소이온 해리에 따라 아레니우스, 브뢴스테드-로우리로 구분되며, 물의 이온화와 pH, 산의 이온화, 적정곡선, 완충용액 등의 개념이 있다. 따라서 생명체의 기본 구조와 생화학 반응의 환경은 상호 유기적으로 작용하며 매우 복잡한 시스템이라고 할 수 있다.
1.2. 아미노산과 단백질
아미노산은 탄소, 수소, 산소, 질소로 구성된 화학 화합물로, 크게 20종류가 있다. 이 아미노산이 펩티드 결합을 통해 연결되어 이루어진 생체 고분자 물질이 단백질이다. 단백질에 포함된 질소 함량은 평균 16%이며, 이를 정량하여 6.25를 곱하면 단백질의 양을 알 수 있다.
아미노산은 모두 α-탄소를 중심으로 아미노기와 카복실기, 그리고 수소를 공통으로 가지고 있으며, 각 아미노산의 특징적인 측쇄(R기)에 따라 구분된다. 무극성 지방족 R기를 가진 아미노산, 극성 중성 R기를 가진 아미노산, 산성 R기를 가진 아미노산, 염기성 R기를 가진 아미노산 등으로 나뉜다. 또한 인체 내에서 합성되는지 여부에 따라 필수아미노산과 불필수아미노산으로 구분된다.
아미노산은 양성이온으로 존재하며, 특정 pH에서는 순전하가 0이 되는데 이를 등전점이라 한다. 아미노산의 정성 반응으로는 닌하이드린 반응이 활용된다.
아미노산이 펩티드 결합을 통해 연결되면 폴리펩타이드가 되고, 이것이 다시 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 발달하여 단백질을 형성한다. 단백질의 구조와 기능은 이러한 다양한 수준의 구조 형성에 기인한다. 단백질은 모양에 따라 섬유상 단백질과 구상 단백질로 나뉜다.
단백질은 식품 중에 다량 함유되어 있으며, 그 조성과 용해도에 따라 단순단백질, 복합단백질, 유도단백질 등으로 구분된다. 단순단백질에는 동물성 단백질인 알부민, 글로불린 등과 식물성 단백질인 글루텔린, 프롤라민 등이 속한다. 복합단백질은 단백질 외에 비단백질성 물질이 결합된 것이고, 유도단백질은 단백질이 물리, 화학적 처리에 의해 변성된 것이다.
1.3. 효소
효소는 단백질이다. 효소는 단지 반응속도만 촉진한다. 대체로 구상단백질에 해당되며 단백질 특성을 가지므로 온도나 특정 pH에 의해 반응이 제한된다.
효소의 단위는 국제단위(I.U.)와 신국제단위(katal)로 표기된다. 국제단위는 30도에서 1분당 1μmol의 기질을 생성물로 변환시킬 때 필요한 효소량을 나타내고, 신국제단위는 1초당 1mol의 기질을 변화시키는 효소활성을 나타낸다.
효소는 국제생화학연합에서 작용에 따라 6개의 계통으로 분류되며 각 효소에 효소번호를 부여한다. 기질의 이름과 촉매하는 반응을 모두 포함하는 이름을 붙인다. 산화환원효소, 전이효소, 가수분해효소, 부가·제거효소, 이성화효소, 합성효소 등이 대표적인 효소 종류이다.
효소의 구조는 아포효소와 보조인자나 조효소가 결합하여 완전한 촉매활성을 나타내는 구조이다. 조효소는 TPP, FAD, PLP 등의 저분자 유기화합물이며, 보조인자는 , , , 등의 금속이온이다.
효소활성은 온도, pH, 기질농도 등의 요인에 의해 영향을 받는다. 온도가 증가할수록 반응속도가 증가하지만 일정 온도 이상에서는 변성되어 활성이 감소한다. pH 변화에 따라서도 효소마다 최적 pH가 다르며, 기질농도 증가에 따라 반응속도가 증가하다가 특정 농도에서 포화된다.
효소의 동역학은 Michaelis-Menten 식으로 표현할 수 있다. 초기반응속도가 기질농도에 따라 다르게 나타나며, V_max와 K_M 상수로 효소의 특성을 나타낼 수 있다.
효소활성은 저해제에 의해서도 영향을 받는데, 비가역적 저해와 가역적 저해로 구분된다. 경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제가 대표적이며, 저해제 결합에 의한 효소구조변화로 활성이 감소한다.
효소활성은 되먹임 조절, 알로스테릭 조절, 공유결합성 변형 등에 의해서도 조절된다. 기질농도, 조절인자 농도, 공유결합 등 다양한 요인에 따라 효소활성이 변화한다.
1.4. 물의 역할
물은 세포 내의 대사반응의 매체를 제공하며, 영양분 공급과 노폐물 제거의 역할을 한다. 또한 pH와 생체 내 온도를 조절하는 필수적 완충제 역할을 수행한다. 세포 내 대사과정에서도...
