본문내용
1. 화학적 구조와 성질
1.1. 구조 이성질체와 거울상 이성질체
구조 이성질체는 동일한 분자식을 가지지만(분자를 구성하는 원자의 종류 및 개수가 같으므로), 원자 사이의 결합의 관계(결합의 순서, 위치)가 다른 화합물로, 화학적, 물리적 성질이 달라진다. 사슬형 알케인의 일종인 뷰테인(화학식 C4H10)을 예로 들면, 노말뷰테인(화학식 CH3CH2CH2CH3)과 아이소뷰테인(구 '이소부탄', 화학식은 CH(CH3)3이며 메틸프로페인이라고도 함) 두 종류의 구조 이성질체가 있다. 구성원자의 수가 많아지면 이성질체의 수도 늘어난다.
거울상 이성질체(광학 이성질체)는 입체 이성질체의 한 형태이다. 거울에 비춰 봤을 때의 모습처럼 나타나는데(대칭적 형태로), 다만 서로 겹쳐지지는 않는다(똑같이 보이지만 오른쪽-왼쪽은 다른 것). 이런 형태의 분자를 카이랄 분자(chiral molecule)라고 하는데, 분자 자체와 거울상 분자는 다른 화합물이다. 탄소의 경우 단일결합이 4개까지 가능한데, 이 4개의 결합이 다 다르면 카이랄이다. 아미노산 중에서 예를 들면 알라닌이 카이랄성이다. 물리적 성질은 같지만 화학적 성질은 다를 수 있는데, 이에 대한 예로 탈리도마이드(인체 내부에서 쌍을 이루는 거울상 이성질체)를 들 수 있다. 임부들의 입덧을 완화하는 약으로 나왔지만, 다른 거울상 이성질체가 혈관 생성을 억제하여 신생아의 사지 기형을 유발했다(부작용).
1.2. 수소 결합
수소 결합은 전기음성도가 높은 원자(N, O, F 등 전자가 많은 부분으로 상대적인 음전하를 띰)와 분자 내의 수소(상대적인 양전자를 띔, 전자가 별로 없는 부분) 사이의 공유결합을 가지는 분자 사이의 결합이다. 분자 내에서 일어나는 화학결합이 아니라, 편극이 매우 극심하게 일어나는 분자 사이에서 정전기적으로 서로 끌어당기는 힘에 의한 상호작용이다. 수소결합을 하는 대표적인 물질은 물(H2O)이며, 수소결합을 하는 물질은 물에 잘 녹는다(물이 극성 용매). 그 외에도 암모니아(NH3), 아세트산(CH3COOH), 포도당, 설탕, 단백질 등 많은 예가 있다."
1.3. 완충용액
완충용액은 산 또는 염기를 소량 첨가해도 pH의 변화가 거의 나타나지 않는 용액으로, 약산과 짝염기, 또는 약염기와 짝산의 혼합물로 만들 수 있다. 이는 공통 이온 효과를 이용한 것으로, 산과 염기를 더해도 그것을 없애는 방향으로(즉, 이온의 농도가 감소하는 방향으로) 반응이 진행되면서 새로운 평형상태에 이르게 된다. 따라서 완충용액은 외부의 산 또는 염기 유입에도 불구하고 pH가 일정하게 유지되는 특성을 가지고 있다. 이러한 완충작용은 인체의 항상성(homeostasis) 유지에 매우 중요한 역할을 한다. 예를 들어 혈액의 pH는 약 7.4로 유지되고, 위액의 pH는 약 1.5로 유지되는데 이는 완충용액의 작용 덕분이다. 이처럼 완충용액은 생명체의 생존에 필수적인 화학적 조절 메커니즘이라고 할 수 있다.
1.4. 생체막의 유동 모자이크 모형
세포막(생체막)은 세포와 외부를 경계짓는 것으로, 물질의 세포 내·외부의 통행을 선택적으로 조절한다. 세포막은 기본적으로 인지질 이중층 구조로 되어 있다. 이 구조에 따르면 물과 친하지 않은 소수성 꼬리(대체로 탄화수소)끼리 이중층의 내부에 있고, 친수성 부분(물과 친한 부분) 양쪽으로 배열되어 세포 내부와 외부로 향해 정렬되어 있고, 세포 외부쪽 부분에는 막단백질이 포함되어 있다. 이 세포막 내의 인지질과 단백질 분자들은 고정되어 있지 않고 자유롭게 이동할 수 있는 구조(2차원적 흐름)를 가지고 있다. 이러한 동적 흐름을 조나단 싱어와 가스 니코손이 유동 모자이크 모델로 증명하였고, 현재 생체막 구조 중 가장 널리 인정되고 있는 형태이다."
1.5. 단백질 생성과정
단백질의 생성과정은 아미노산의 특성과 펩티드 결합을 통해 이루어진다. 단백질의 기본 구성단위는 아미노산이며, 이 아미노산들이 공유결합으로 연결되어 중합체를 형성하게 된다. 아미노산 분자의 한쪽 끝에 있는 카복시기(-COOH)와 다른 아미노산 분자의 아미노기(-NH2)가 축합 반응을 일으키면서 아마이드를 형성하며, 이때 물 분자가 방출된다. 이렇게 생성된 결합을 펩티드 결합이라고 하며, 두 아미노산이 결합한 화합물을 다이펩타이드라고 한다. 이 다이펩타이드의 구조 또한 한쪽 끝에 카복시기, 다른 쪽에 아미노기를 가지고 있어 또다른 아미노산과 반응하여 새로운 펩타이드를 만들어낼 수 있다. 이러한 반복적인 펩타이드 결합을 통해 많은 수의 아미노산이 연결되어 폴리펩타이드를 형성하게 되고, 이것이 바로 단백질의 1차 구조이다. 이후 수소결합, 소수성 인력 등에 의해 2차, 3차 구조를 취하게 된다. 이처럼 단백질은 아미노산의 연결과 접힘 과정을 통해 구조와 기능이 결정되는 것이다."
2. 탄수화물
2.1. 단당류: 케토스와 알도스
단당류에는 케토스와 알도스가 있다. 케토스(Ketose)는 분자 내에 케톤기(-C=O)를 가지고 있는 단당류를 말하며, 알도스(Aldose)는 분자 내에 알데하이드기(-CHO)를 가지고 있는 단당류이다.
가장 간단한 단당류는 삼탄당(C3H6O3)으로, 케토스 중 가장 단순한 형태는 다이하이드록시아세톤이고, 알도스 중 가장 단순한 형태는 글리세르알데하이드이다. 글리세르알데하이드에는 D-형과 L-형의 2가지 거울상 이성질체가 존재한다.
탄소수가 증가할수록 단당류의 구조 이성질체 수도 늘어나게 된다. 예를 들어 포도당(C6H12O6)은 알도헥소스에 속하며, 과당(C6H12O6)은 케토헥소스에 속한다. 포도당과 과당은 화학식은 같지만 구조가 다른 대표적인 구조 이성질체이다.
단당류들은 에너지원으로 이용되거나 다른 다당류의 구성성분으로 활용된다. 또한 케토스와 알도스는 생체 내 여러 대사과정에 기질이 되어 중요한 역할을 수행한다.
2.2. 탄수화물 대사
탄수화물 대사는 포도당과 같은 단당류가 분해되어 에너지를 생산하는 과정이다. 탄수화물 대사에는 해당과정, 시트르산 회로, 전자전달계 등이 포함되며, 이를 통해 세포는 포도당을 효율적으로 분해하여 ATP를 생산한다.
해당과정은 세포질에서 일어나며, 포도당을 두 개의 피루브산으로 분해한다. 이 과정에서 2분자의 ATP가 생성되고, 2분자의 NADH가 생성된다. 피루브산은 이후 미토콘드리아로 전달되어 시트르산 회로에 참여한다.
시트르산 회로는 포도당 대사의 핵심으로, 피루브산이 아세틸-CoA로 전환되면서 시작된다. 아세틸-CoA와 옥살로아세트산이 축합반응을 통해 시트르산을 생성하고, 이후 일련의 탈탄산 반응을 거쳐 NADH와 FADH2를 생성한다. 이 과정에서 2분자의 CO2가 방출된다.
마지막으로 전자전달계에서는 NADH와 FADH2에서 전자를 전달받아 산화적 인산화를 통해 다량의 ATP를 생성한다. 이처럼 세포는 해당과정, 시트르산 회로, 전자전달계를 거치면서 포도당을 완전히 분해하여 최대한의 에너지를 확보한다.
한편, 특정 상황에서는 해당과정에서 생성된 피루브산이 젖산으로 전환되기도 한다. 예를 들어 근육 운동 시 산소 공급이 부족한 경우 해당과정만 활발히 일어나면서 젖산이 축적되어 근육 피로를 유발한다. 또한 간에서는 피루브산이 포도당 합성의 원료로 전환되어 혈당 조절에 기여한다.
이처럼 탄수화물 대사는 세포의 에너지 생산을 위한 핵심 대사 과정이며, 세포 내외의 다양한 상황에 따라 그 경로와 결과가 달라진다고 볼 수 있다.
2.3. 탄수화물의 소화와 흡수
탄수화물의 소화와 흡수는 인체 내에서 복잡한 과정을 거치게 된다. 구강에서 시작하여 위와 소장을 거치면서 효소의 작용에 의해 점차 단순한 형태의 탄수화물로 분해되며, 최종적으로는 소장에서 단당류 형태로 흡수된다.
구강에서는 침의 α-아밀라제에 의해 전분이 맥아당과 덱스트린 등의 단순한 탄수화물로 분해된다. 이 과정에서 물리적인 저작작용도 함께 일어난다. 위에서는 염산과 펩신에 의해 분해가 중지되며, 단백질의 변성이 일어난다.
소장에 도착한 음식물은 연동운동에 의해 이동하고 이때 췌장액, 담즙, 장액 등의 분비가 증가한다. 췌장액 내의 α-아밀라제...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15