생물의 몸을 이루는 거대 분자는 몇 가지 일까? 많은 종류가 있을 것이라고 생각할 수도 있지만, 대부분 4가지의 거대분자로 설명할 수 있다. 거대 생체 분자는 각각 독특한 특성을 지니고 있고, 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산으로 이루어져 있다. 이 네 가지 중 두가지 거대 생체분자, 탄수화물과 지질의 기능과 구조를 알아보자.
목차
탄수화물, 지질, 단백질, 핵산
거대 생체 분자의 구조에 대한 이해는, 생체에서 일어나는 변화를 이해하는데에 있어서 도움을 준다. 앞서 포스트에서 설명한 물이나 유기 분자들과 같이 거대 분자도 특별한 배열로 여러 특성들을 갖는다.
물이나 유기분자 관련 포스트는 아래 링크에서 확인할 수 있다.
2022.09.30 - [일반생물학] - [일반생물학 3-1강] 모든 생명에 필수적인 분자: 물
2022.10.12 - [일반생물학] - [일반생물학 4강] 탄소와 생물의 분자다양성
이번 포스트에서는 거대 분자의 생성과 특성 및 기능에 대하여 다루어보자.
중합체의 합성과 분해
중합체(polymer)란 무엇일까? 중합체는 쇠사슬처럼 일정한 부분이 반복적으로 공유결합되어 있는 형태인 분자를 뜻한다. 이 때, 중합체의 구성단위 역할을 하는 부분을 단위체(monomer)라고 한다.
단위체는 영원한 단위체로 존재하는 것이 아니고 여러 효소(enzyme)에 의해 중합체가 되기도 하고, 중합체가 단위체로 분해되기도 한다.
기본적인 중합 방법으로는 2개의 분자의 H와 OH기가 만나 물분자(H2O)를 방출하면서 공유결합으로 연결되는 탈수반응(dehydration reaction)이 있고, 분해 반응으로는 물을 역으로 받아들이며 분해하는 가수분해(hydrolysis) 반응이 있다.
이런 중합체는 굉장히 다양한 종류가 생체 내에 존재한다. 어떻게 이런 다양한 중합체가 존재할 수 있을까?
그것은 40~50여 종류의 단위체가 존재하고, 이들이 여러 조합으로 결합하여 다양한 중합체를 만드는 것이다.
예를 들면, 4개의 염기서열이 DNA를 만들거나, 20가지의 아미노산이 단백칠을 만들 수 있는 것이다.
탄수화물 (Carbohydrate)
다이어트 할 때, 우리는 종종 탄수화물 음식을 피해야한다고 말한다. 그렇다면 탄수화물은 무엇일까? 탄수화물은 주로 당과 당의 중합체가 포함된다. 결국 탄수화물은 단당류라는 단위체가 연결된 거대한 중합체인 것이다.
단위체인 단당류(monosaccharide)는 CH2O단위의 배수를 갖는 분자식을 갖는다. 예를 들면 포도당은 C6H12O6의 분자식을 갖는다. 포도당은 탄소가 6개가 포함되어 6탄당이라고 부르지만 3탄당이나 5탄당도 흔하게 존재한다.
이런 단당류가 2개가 결합하면 이당류(disaccharide)가 된다. 이당류는 단당류가 글리코시드 결합(glycosidic linkage)을 하여 생성된다. 글리코시드 결합은 앞서 말한 것처럼 탈수반응에 의해 단당류가 합성되는 공유 결합이다.
이당류는 엿당(포도당+포도당), 설탕(포도당+과당), 젖당(포도당+갈락토오스) 등이 있다.
다만, 생명체는 이당류를 직접적으로 에너지로 사용할 수 없기 때문에, 반드시 단당류로 분해되어야 한다.
흔히, 우유를 마시면 배탈이 나는 사람들은 젖당을 분해하는 효소인 락테이즈(lactase)가 결핍되어서, 젖당을 갈락토오스와 포도당으로 분해할 수 없기 때문에 배탈이 나는 것이다.
이런 단당류가 2개가 아니라 더 많은 숫자가 결합하면 다당류(polysaccharides)가 된다.
다당류는 3개 정도가 아니라 대부분 수백에서 수천 개의 단당류가 연결된 중합체이다. 이런 다당류는 에너지를 저장하는 역할을 하기도 하고, 생명체를 보호하는 구조물을 형성하기도 한다.
주로 저장성 다당류는 우리가 흔히 알고 있는 녹말(starch)이 있다. 이런 녹말은 식물이 여분의 포도당을 비축할 수 있게 해준다. 따라서, 식물은 필요할 때 녹말을 가수분해하면서 저장된 에너지를 사용할 수 있다.
우리도 이런 녹말을 가수분해할 수 있는 효소를 갖고 있기 때문에, 밥을 오래 씹으면 녹말이 포도당으로 분해되어 단 맛을 느낄 수 있다.
동물은 식물과 달리 글리코젠(glycogen)에 에너지를 저장한다. 이 글리코젠은 주로 간이나 근육 세포에 저장되며, 필요할 때에 사용한다. 하지만 식물처럼 오래두고 사용할 수 없어서 음식물을 섭취하지 않는다면 하루 만에 고갈된다.
구조를 이루는 구조 다당류는 셀룰로오스(cellulose)와 같은 분자들이 있다. 이미 눈치 챘을지도 모르지만, 당들은 대부분 오스(-ose)로 끝나는 경우가 많다. 아무튼 셀룰로오스는 많이 알려졌듯이 세포벽을 구성하는 성분이다. 이 셀룰로오스는 매년 10억 톤 가량 생성되며, 지구에서 가장 많은 유기물질로 알려져있다. 녹말과 달리 셀룰로오스는 사람을 포함한 대부분의 동물에게서 분해되지 않아서, 변으로 대부분 빠져나온다. 이런 셀룰로오스를 식이섬유라고 부르기도 한다. 식이섬유하니까 알겠지만, 주로 건강식에서 중요하다. 과일, 야채, 곡물 등에 풍부하며, 어떤 미생물들은 이런 셀룰로오스를 분해할 수도 있다.
비슷한 분자로는 키틴(chitin)이 있다. 키틴은 진균류(fungi)의 세포벽을 만들기도 하고, 갑각류와 같은 절지동물의 외골격을 만드는데에 이용된다. 이런 키틴질 물질은 유연성을 갖으면서도, 탄산칼슘으로 뒤덥혀 딱딱해지기도 한다.
지질 (Lipid)
지질(lipid)은 우리가 흔히 말하는 지방과 같은 소수성 분자를 일컫는다. 지질은 앞에 나온 탄수화물이나, 단백질, 핵산처럼 중합체를 이루지 않는 거대 분자이다. 가장 큰 특성은 소수성(물과 친하지 않은 특성)을 갖는 것인데, 이런 특성은 분자 구조로부터 기인된다.
지방(fat)은 글리세롤(glycerol)과 지방산(fatty acid)이라는 두 종류의 작은 분자로 이루어져있다.
이 때, 지방산은 긴 탄소 골격을 갖고 있다. 보통 탄소원자가 16~18개가 이어져 있는 구조를 갖는다. 이러한 탄화수소 사슬은 비극성을 갖기 때문에, 극성분자인 물과 쉽게 섞일 수 없어서 소수성을 갖는 것이다. 물과 기름이 섞이지 않는 것도 같은 이유에서 이다.
지방은 이런 지방산 분자 3개와 글리세롤이 에스터 결합을 통하여 형성된다. 이 결합은 앞에서 설명한 것처럼, 수산기와 카르복실기의 탈수반응에 의하여 결합된다. 이런 지방을 트리아실글리세롤(triacylglycerol)이라고 하는데, 3개의 지방산 분자가 글리세롤과 결합했다는 뜻이다.
지방산은 여러가지 종류가 존재하는데, 우리가 흔히 말하는 포화지방, 불포화지방이 그것이다.
포화지방산(saturated fatty acid)는 일자 형태의 탄화수소 결합을 가지고, 불포화지방산(unsaturated fatty acid)은 한 개 또는 여러 개의 이중 결합을 가지고 있어서 탄화수소가 꺾임 구조를 갖게 된다.
불포화지방산의 꺾임구조는 지방이 실온에서 고체화가 될정도로 촘촘하게 배열되는 것을 막아주기 때문에, 혈관에서 고체화되어 문제를 일으키는 포화지방산보다 건강에 좋다. 포화지방이 많이 포함된 식단은 혈관을 막는 동멱경화를 일으킬 수도 있기 때문에, 섭취할 때 용량을 조절해 주어야한다.
지방은 이처럼 촘촘한 구조를 갖고 있기 때문에, 에너지 저장에 효율적이다. 녹말도 에너지 저장을 하긴하지만 지방은 1g당 약 2배 이상의 에너지를 저장할 수 있다. 식물은 움직이지 않기 때문에 녹말 형태의 에너지 저장소로도 충분하지만, 대부분의 동물들의 활동성을 유지하기 위해서는 더 큰 에너지인 지방을 가져야 유리하다.
이 뿐만 아니라 다이어트의 적과 같은 뱃살과 같은 지방 조직은 우리 몸 안의 장기를 보호하는데에도 중요한 역할을 한다.
또한, 지질의 종류 중 인지질(phospholipid)은 세포막을 형성하는 아주 중요한 역할을 한다. 인지질은 지방과 유사한 구조를 갖고 있지만, 글리세롤레 2개의 지방산이 붙어 있다. 글리세롤의 남은 수산기는 음전하를 띠는 인산기에 연결되어 있어서, 인산기부분은 극성을 갖고, 지방산꼬리는 소수성을 갖는다.
이러한 특성이 인지질 이중층(bilayer)을 형성하게 한다. 물 안에서 소수성 꼬리끼리 만나며 인지질 이중충이 물과 만나는 형태의 막을 형성하는 것이다.
이런 인지질 이중층은 세포막을 형성하면서 친수성 머리는 세포의 밖과, 안을 나눠주는 경계 역할을 한다.
스테로이드(steroid)는 또 다른 지질 구조 중에 하나이다. 스테로이드는 4개의 연결된 탄소 고리를 갖는 것이 특징인데, 스테로이드 종류에 따라서 이 고리에 다양한 작용기가 결합된다.
예를 들어서, 콜레스테롤(cholesterol)은 동물 세포막을 이루며, 또 따른 스테로이드를 합성하는 전구체 역할도 한다. 이런 콜레스테롤은 간에서 합성되고, 음식물로부터도 얻을 수 있다. 그러나 화장품 처럼 바르는 것은 큰 효용이 없다 (촉촉하긴 할 듯).
또한, 여러 스테로이드들은 호르몬으로 작용하기도 하며, 치료제로도 종종 이용되나 부작용이 존재하므로 장기 복용하는 것은 좋지 않다. 이에 대해서는 나중에 다른 포스트에서 설명하겠다.
마무리
이번 포스트에서는 거대 생체 분자들 중 탄수화물과 지질에 대하여 알아보았다.
다음 포스트에서는 단백질과 핵산에 대하여 자세히 다루겠다.
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