생체분자
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1. 개요
생체분자는 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물 등 생명체를 구성하는 유기 화합물들을 통칭한다. 지질은 세포막 구성 및 에너지 저장에 사용되며, 탄수화물은 에너지원으로, 핵산은 유전 정보를 저장하고 전달하며, 단백질은 효소, 항체, 호르몬 등 다양한 생명 활동에 필수적인 역할을 한다. 이러한 생체분자들은 작은 분자들의 중합으로 이루어지며, 각 분자 종류에 따라 다양한 구조와 기능을 갖는다.
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핵산은 DNA와 RNA를 포함하는 생체 고분자로, 유전 정보 저장 및 단백질 합성에 필수적인 역할을 하며, 뉴클레오타이드의 중합체로 DNA는 이중 나선, RNA는 단일 나선 구조를 가진다.
| 생체분자 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 생물체에 의해 생성되는 분자 |
| 중요성 | 생명체의 구조, 기능, 조절에 필수적임 |
| 예시 | 탄수화물 지질 단백질 핵산 효소 호르몬 신경전달물질 |
| 분류 | |
| 주요 분류 | 탄수화물 지질 단백질 핵산 |
| 기타 분류 | 비타민 알칼로이드 색소 항생제 |
| 기능 | |
| 구조적 기능 | 세포와 조직의 구성 요소 |
| 촉매 기능 | 생화학 반응 촉진 (효소) |
| 운반 기능 | 분자 운반 (헤모글로빈) |
| 조절 기능 | 생리 활성 조절 (호르몬) |
| 면역 기능 | 생체 방어 (항체) |
| 에너지원 | 세포 에너지 공급 (탄수화물, 지질) |
| 생합성 | |
| 주요 과정 | 광합성 단백질 생합성 지질 생합성 핵산 생합성 |
| 분석 | |
| 주요 방법 | 크로마토그래피 분광법 질량 분석법 핵자기 공명 |
2. 생체분자의 종류
생체분자는 크게 저분자와 고분자로 나눌 수 있다. 주요 생체분자로는 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물이 있다.
일반적으로 핵산, 단백질, 당, 지질 4종류를 가리키는 경우가 많다. 핵산, 단백질, 당 3가지는 각각 최소 구성 요소인 단량체가 중합하여 생체 고분자를 생성한다. 지질 중 이소프레노이드 (프레놀 지질)도 이소프렌의 중합에 의해 고분자(천연 고무 등)를 생성하지만, 핵산, 단백질, 당과는 동등하게 취급하지 않는 경우가 많다.
2. 1. 저분자
2. 2. 고분자 (단위체, 올리고머, 중합체)
| 단위체 | 올리고머 | 중합체 | 중합 과정 | 단위체들 사이의 공유 결합의 명칭 |
|---|---|---|---|---|
| 아미노산 | 올리고펩타이드 | 폴리펩타이드, 단백질(헤모글로빈...) | 다중 축합 | 펩타이드 결합 |
| 단당류 | 올리고당류 | 다당류(셀룰로스...) | 다중 축합 | 글리코사이드 결합 |
| 프렌 | 테르펜 | 폴리테르펜: 시스-1,4-폴리프렌인 천연 고무, 트랜스-1,4-폴리프렌인 구타페르카 | 다중 첨가 | |
| 뉴클레오타이드 | 올리고뉴클레오타이드 | 폴리뉴클레오타이드, 핵산(DNA, RNA) | 포스포다이에스터 결합 |
3. 탄수화물
탄수화물은 생명체의 주요 에너지원 중 하나이며, 세포 간의 신호 전달 및 생물의 형태를 유지하는 구조재(세포벽, 외골격)로도 기능한다.
탄수화물 대사(합성·분해)는 생명 활동의 근본으로, 지구상 모든 생명체의 기반이 되는 탄소를 생체 물질에 결합하는 화학 반응을 담당한다. 탄수화물 합성과 분해를 기점으로 다양한 대사 활동이 제어된다. 광합성 생물은 캘빈 회로를 통해 대기 중 이산화 탄소로부터 포도당(헥소스)을 생성한다. 이산화 탄소가 포도당으로 변환되는 과정을 탄소 고정이라 한다. 자연계의 각 원소는 탄소처럼 고유 경로로 생체 물질에 흡수된다(질소 고정 등). 포도당을 피루브산 등 작은 유기 분자로 분해하여 에너지를 얻는 과정은 해당 과정이며, 반대로 피루브산으로부터 포도당을 합성하는 과정은 포도당 신생성이다. 포도당은 오탄당 인산 경로를 통해 오탄당으로 변환되어 핵산 구성 요소인 리보스, 디옥시리보스 합성에 사용된다. 리보스는 ATP, FAD, NAD 등 보조 인자 구성 요소가 된다.
단당류가 글리코시드 결합으로 중합하면 다당류가 생성된다. 3~10개의 단당류로 구성된 짧은 탄수화물은 올리고당이라고 한다.[22]
3. 1. 단당류
단당류는 탄수화물의 가장 기본적인 단위이며, 더 이상 가수분해되지 않는다.[21] 구조 내에 알데하이드(-CHO)기를 갖는 단당류는 알도스라고 부르며, 케톤(-CO-)기를 갖는 단당류는 케토스라고 부른다.[25] 단당류의 예로는 포도당, 과당, 갈락토스, 리보스, 디옥시리보스 등이 있다. 대부분의 단당류는 결국 세포 호흡의 기질로 사용된다.
3. 2. 이당류
이당류는 두 개의 단당류가 글리코사이드 결합으로 연결된 형태이다.[6] 묽은 산으로 끓이거나 효소와 반응시켜 단당류로 가수분해할 수 있다.[6] 엿당(맥아당), 젖당(락토스), 수크로스(설탕) 등이 이당류에 속한다.[25]
3. 3. 다당류
다당류는 여러 개의 단당류들이 글리코사이드 결합으로 연결된 중합체이다. 녹말, 셀룰로스, 글리코젠 등이 다당류의 예시이다. 다당류는 일반적으로 크기가 크고 복잡한 연결 구조를 가지며 물에 잘 녹지 않는다. 그러나 다당류의 많은 하이드록시기가 물에 노출되면 개별적으로 수화될 수 있으며, 일부 다당류는 물에서 가열하면 콜로이드 분산을 형성한다.[6]
녹말과 글리코젠은 포도당을 단량체로 하는 다당류로, 에너지를 저장하는 역할을 한다. 셀룰로스는 식물이나 조류의 세포벽을 구성하는 다당류이며, 키틴은 포도당의 아미드 유도체(N-아세틸글루코사민)를 단량체로 하는 다당류로, 균류의 세포벽과 절지동물의 외골격을 구성한다.
4. 지질
지질은 세포막의 주요 구성 성분이며, 에너지 저장 등에 사용된다. 소수성 또는 양쪽성 성질을 가진 생체 물질을 포함한다. 지질은 주로 지방산 에스터로, 생물학적 막의 기본 구성 요소이다. 지질의 또 다른 생물학적 역할은 에너지 저장(예: 트라이글리세라이드)이다. 대부분의 지질들은 친수성 머리 부분(보통 글리세롤과 극성 작용기)과 1~3개의 소수성 지방산 꼬리 부분으로 구성되어 있으며, 양친매성이다.
지방산은 단일 결합만 가지거나(포화 지방산) 단일 결합과 이중 결합을 모두 가진(불포화 지방산) 탄소 원자들의 가지가 없는 사슬로 구성되어 있다. 탄소 사슬은 일반적으로 14~24개의 탄소로 구성되며, 거의 항상 짝수 개이다.
생물학적 막에 존재하는 지질의 경우, 친수성 머리는 다음의 3가지 부류 중 하나이다.
- 당지질: 머리 부분에 1~15개의 당 잔기들을 가진 올리고당을 포함하고 있다.
- 인지질: 인산을 포함하는 머리 부분은 친수성이고, 2개의 지방산으로 구성된 꼬리 부분은 소수성이다.
- 스테로이드: 평면의 스테로이드 고리 부분을 가지고 있다(예: 콜레스테롤).
다른 지질로는 프로스타글란딘과 류코트라이엔이 있는데, 이들은 둘 다 아라키돈산으로부터 유도된 화합물이다.
4. 1. 종류
생체분자는 현재 8가지 범주로 분류되며, 기반이 되는 탄소 골격(글리세롤이나 스핑고이드)에 아실 사슬 또는 이소프레노이드 사슬이 결합된 경우가 많다.5. 단백질
단백질은 생체의 구조 재료가 되거나 효소로서 생체 내 화학 반응에 관여하고, 화학 물질의 수송 및 저장에도 관여하는 등 매우 다양한 기능을 수행한다. 단백질은 22종류(통상 20종류)의 아미노산이 다양한 순서로 펩타이드 결합하여 생성되는 고분자 화합물이다. 아미노산은 아미노기 및 카르복실기를 갖는 유기 화합물의 총칭이다. 천연 및 인공 아미노산을 모두 포함하면 수천 종에 달하지만, 생물이 사용하는 것은 극히 일부이다. 중합하는 아미노산의 개수가 수십 개 정도까지는 폴리펩타이드라고 부르며, 그 이상을 단백질이라고 부르는 경우가 많다.
단백질 합성에 사용되는 아미노산의 수와 종류는 해당 유전자의 염기 서열에 의해 결정된다. 각 아미노산에 해당하는 특정 염기 서열은 코돈이라고 불리며, 아미노산과 염기 서열 간의 대응 규칙을 정리한 것을 유전 부호라고 한다. DNA에 기록된 유전자 정보를 바탕으로 하나의 유전자로부터 하나의 단백질이 합성된다.
단백질의 물리적 성질 및 기능은 아미노산 서열(1차 구조)뿐만 아니라 입체 구조(고차 구조)에 의해서도 크게 달라진다. 단백질, 특히 효소의 기능 발현에는 단백질 이외의 보조적인 화학 물질이 필요한 경우가 많으며, 이를 보조 인자라고 부른다. 단백질의 입체 구조 중 특정 기능을 담당하는 영역을 도메인이라고 부른다.
5. 1. 아미노산
아미노산은 아미노기(-NH₂)와 카복시기(-COOH)를 모두 가지고 있는 유기 화합물이다.[1] 생화학에서는 아미노기와 카복실레이트 작용기가 같은 탄소에 붙어 있는 아미노산을 말하며, 실제로는 아미노산이 아닌 프롤린도 포함한다.[2]키네이스에 의한 세린의 인산화 및 포스파테이스에 의한 탈인산화는 세포 주기에서 중요한 조절 기작이다.[3] 20가지 표준 아미노산 외에 2종류의 아미노산이 번역 중에 단백질로 삽입되는 것으로 알려져 있다.[4]
- 셀레노시스테인은 보통은 종결 코돈인 UGA 코돈에서 일부 단백질에 삽입된다.[5]
- 피롤라이신은 UAG 코돈에서 일부 단백질에 삽입된다. 예를 들어, 메테인 생성균에서 메테인을 생성하는데 사용되는 효소들에서 발견된다.[6]
단백질 합성에 사용되는 것 외에도 생물학적으로 중요한 아미노산에는 카르니틴(세포 내 지질 운반에 사용), 오르니틴, GABA 및 타우린 등이 있다.[7]
5. 2. 단백질의 구조
단백질을 형성하는 아미노산들의 특정 서열은 단백질의 1차 구조로 알려져 있다. 이러한 서열은 개체의 유전적 구성에 의해 결정된다.[20]단백질은 아미노산 간의 수소 결합의 특정 패턴에 의해 정의되는 알파 나선과 베타 시트라는 두 가지 국소적인 구조를 가지고 있다. 이러한 배열을 단백질의 2차 구조라 한다. 알파 나선은 하나의 아미노산 잔기의 카보닐기와 다른 아미노산 잔기의 아마이드 사이의 수소 결합에 의해 안정화되는 규칙적인 나선이다. 알파 나선은 1회전에 약 3.6개의 아미노산을 가지고 있으며, 아미노산의 곁사슬은 나선의 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 베타 시트는 각각의 베타 가닥들 사이의 수소 결합에 의해 형성된다. 각 가닥들은 서로 평행하거나 역평행할 수 있으며, 곁사슬의 방향은 시트의 위 아래로 번갈아가며 배치된다. 헤모글로빈은 알파 나선만 포함하고 있으며, 천연 실크는 베타 시트로 구성되어 있으며, 많은 효소들은 알파 나선과 베타 시트를 둘 다 가지고 있다. 2차 구조의 요소들은 비반복적인 입체구조의 "루프" 또는 "코일" 영역에 의해 연결되며, 때로는 상당히 이동성이거나 흐트러지지만 대개 잘 정의되고 안정된 배열을 채택한다.[20]
단백질의 전체적인 입체구조를 3차 구조 또는 "접힘(fold)"이라고 한다. 단백질의 3차 구조는 수소 결합, 이황화 결합, 소수성 상호작용, 반데르발스 힘과 같은 다양한 힘들에 의해 형성된다.[20]
2개 이상의 폴리펩타이드 사슬이 모여 단백질을 형성하면 단백질의 4차 구조가 형성된다. 4차 구조는 동일한 서열의 사슬들이나 헤모글로빈과 같이 다른 서열의 사슬들로 구성될 수 있다.[20]
5. 3. 효소
효소는 생체 내 화학 반응을 촉매하는 단백질이다. 효소는 크게 단백질 부분인 주효소(아포효소)와 효소 활성에 필요한 비단백질성 분자인 보조 인자로 구성된다. 보조 인자는 금속 이온과 같은 무기물이나 NAD+, FAD와 같은 유기물이 될 수 있다. 유기물인 보조 인자는 효소에 단단히 결합하는 보결분자단과 반응 중 효소의 활성 부위에서 떨어져 나올 수 있는 조효소로 나뉜다.[1]동질효소(아이소자임)는 아미노산 서열이 약간 다르지만 동일한 화학 반응을 촉매하는 여러 형태의 효소를 의미한다. 이들은 서로 다른 유전자의 산물이거나 선택적 스플라이싱의 산물일 수 있으며, 서로 다른 기관이나 세포에서 생성되거나 환경 변화에 따라 다르게 조절될 수 있다. 젖산 탈수소효소는 여러 개의 동질효소를 가지는 대표적인 예시이다.[1]
아포효소(주효소)는 보조 인자가 결합하지 않은 상태의 단백질 부분을 지칭하며, 종종 비활성 상태로 저장, 수송, 분비된다. 이는 특정 단백질의 활성으로부터 분비 세포를 보호하는 데 중요한 역할을 한다. 아포효소에 보조 인자가 결합하면 활성 효소가 된다.[1]
6. 핵산
핵산(Nucleic acids)은 생물의 유전 정보 전달과 관련이 있는 생체 고분자이다. 핵산은 단량체인 뉴클레오티드가 포스포다이에스터 결합으로 연결되어 중합된 형태이다. 핵산 염기라고 불리는 화합물이 리보스 또는 데옥시리보스에 결합하여 뉴클레오시드를 구성하고, 여기에 인산기가 결합된 것이 뉴클레오티드이다. 아데노신 삼인산(ATP)은 아데노신에 3개의 인산기가 결합된 것으로, 생체 유지에 필요한 에너지 생산에 관여한다(ATP에는 유전 정보가 포함되지 않음).
핵산에는 리보핵산(RNA)과 데옥시리보핵산(DNA)의 두 종류가 있다. 리보스를 기반으로 하는 것이 RNA, 데옥시리보스를 기반으로 하는 것이 DNA이다. 핵산 염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 우라실(U)의 5가지 종류가 있다. 티민은 DNA에, 우라실은 RNA에 주로 존재한다. A, G, C는 RNA 및 DNA에 공통으로 존재한다. A·G·C·T 또는 A·G·C·U로 구성된 염기 서열의 배열 패턴은 생물 종에 따라 다르므로, 염기 서열의 유사성으로 생물의 계통 관계, 진화 과정을 조사할 수 있다(분자 계통학).
DNA의 염기 서열 중에는 유전자 정보가 있는 영역(코딩 영역)이 있다. 유전자 정보는 DNA에서 RNA로 전사되고, RNA에서 단백질로 번역된다(중심 원리).
6. 1. 뉴클레오타이드와 뉴클레오사이드
뉴클레오사이드는 핵염기가 리보스나 디옥시리보스에 결합되어 형성된 분자이다. 뉴클레오사이드에는 아데노신, 구아노신, 사이티딘, 디옥시티미딘, 유리딘이 있다.뉴클레오사이드는 세포에서 특정 키네이스에 의해 인산화되어 뉴클레오타이드를 생성할 수 있다. DNA와 RNA는 둘 다 반복적인 구조 단위인 모노뉴클레오타이드 단위체가 중합효소에 의해 결합된 긴 선형 분자로 구성되어 있는 중합체이다. DNA는 합성 반응의 기질로 디옥시리보뉴클레오타이드인 디옥시아데노신 삼인산(dATP), 디옥시구아노신 삼인산(dGTP), 디옥시티미딘 삼인산(dTTP), 디옥시사이티딘 삼인산(dCTP)를 사용하고, RNA는 합성 반응의 기질로 리보뉴클레오타이드인 아데노신 삼인산(ATP), 구아노신 삼인산(GTP), 사이티딘 삼인산(CTP), 유리딘 삼인산(UTP)를 사용한다. 변형된 염기는 리보솜 RNA(rRNA) 또는 운반 RNA(tRNA)에서 발견되는 것처럼(예: 염기 고리의 메틸화) 매우 일반적이며, DNA 복제 후에 새로 합성된 DNA 가닥과 구별하기 위해 주형 가닥을 메틸화 시킨다.[25]
각각의 뉴클레오타이드는 핵염기, 5탄당, 1~3개의 인산으로 구성된다. 뉴클레오타이드를 구성하는 원소는 탄소, 질소, 산소, 수소, 인이다. 뉴클레오타이드는 화학 에너지의 원천(아데노신 삼인산(ATP), 구아노신 삼인산(GTP))으로 작용하고, 세포의 신호전달 과정에 관여(고리형 아데노신 일인산(cAMP), 고리형 구아노신 일인산(cGMP))하며, 효소 반응의 중요한 보조 인자(조효소 A(CoA), 플라빈 모노뉴클레오타이드(FMN), 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD), 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(NAD), 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 인산(NADP))로 작용한다.[26]
6. 2. DNA와 RNA의 구조
DNA는 디옥시리보스를 5탄당으로 하고, 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 티민(T)을 핵염기로 갖는 뉴클레오타이드가 중합된 중합체이다. DNA는 주로 구아닌(G)과 사이토신(C), 아데닌(A)과 티민(T)이 염기쌍을 형성하는 이중 나선 구조를 이룬다. 이를 B형 DNA라고 하며, 매우 특이적이고 안정한 염기쌍 결합은 유전 정보를 안정적으로 저장하는 기반이 된다.[26] DNA는 때때로 단일 가닥으로 존재하거나, A형 DNA 또는 Z형 DNA 형태로 존재하기도 하며, DNA 복제 중에는 홀리데이 접합과 같은 복잡한 3차원 구조를 형성하기도 한다.[7]RNA는 리보스를 5탄당으로 하고, 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 우라실(U)을 핵염기로 갖는 뉴클레오타이드가 중합된 중합체이다. RNA는 DNA와 달리 주로 단일 가닥 구조를 이루지만, 부분적으로 염기쌍을 형성하여 tRNA, 리보솜, 리보자임, 리보스위치와 같이 단백질과 유사한 복잡한 3차원 구조를 형성하기도 한다.[27] 이러한 구조는 RNA 골격의 유연성이 DNA보다 낮지만, 리보스에 추가적인 하이드록시기(-OH)가 존재하여 다양한 상호작용을 통해 독특한 입체 구조를 형성하기 때문이다.[28] 구조화된 RNA 분자는 다른 분자와 특이적으로 결합하거나 스스로 인식될 수 있으며, 리보자임과 같이 효소 촉매 작용을 수행하기도 한다.[29]
7. 기타 생체분자
리그닌은 주로 베타-O4-아릴 연결로 구성된 복잡한 폴리페놀 고분자이다. 셀룰로스 다음으로 두 번째로 풍부한 생체 고분자이며, 대부분의 식물의 주요 구조 성분 중 하나이다. 리그닌은 파라쿠마릴 알코올(p-쿠마릴 알코올), 코니페릴 알코올, 시나필 알코올에서 유래된 서브유닛을 포함하며,[15], 라세미체라는 점에서 생체 분자 중에서 특이하다. 광학 활성이 없는 이유는 리그닌의 중합이 자유 라디칼 결합 반응을 통해 일어나며, 이 반응에서 키랄 중심에서의 어느 구성에도 선호도가 없기 때문이다.
비타민, 호르몬 등은 비교적 존재량이 적지만, 생체에 있어서 필수적인 물질이다.
8. 생물체 세포의 분자 구성 (인간 세포 기준)
참조
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