제 3 장 생명의 분자적 기초

제 3 장 생명의 분자적 기초

해바라기라는 친숙한 꽃을 통해 유용한 물질에 대해 알아보자.

해바라기의 학명은

Helianthus

해바라기의 질긴 줄기를 이용해 옷감, 꽃잎으로부터 황색의 염색액을 만들었다.

오늘날 해바라기는 화훼 및 정원산업, 전통적인 치료제, 새의 먹이나 스낵으로 사용.

해바라기 열매에서 얻는 해바라기유, 마사지 오일, 농기계를 작동시키기 위한 연료로도 사용한다.

해바라기는 세계 3대 유지작물로 1998년 생산량은 24,900만 톤에 이르며, 주 생산지는 구유럽으로 세계 생산량의 47%를 점하고 있다.

현재 해바라기는 하나의 큰 꽃에서 1,000개나 되는 씨를 생산하는 형태로 변형되었 다.

제3장 생명의 분자적 기초에서는 다음의 사항을 다루고 있다.

분자의 구조는 분자들이 식물이나 인간에 있어서 어떻게 기능을 나타내는 가?

생물체에 있어서 물의 중요한 역할과 식물을 구성하는 주요 분자들.

이들의 식물에서의 기능과 인간의 이용에 대해 중점적으로 다루고 있다.

해바라기(

Helianthus annuus

1. 모든 물질은 화학 원소들로 이루어져 있다.

모든 물질은 생물이건 무생물이건 화학원소들로 이루어져 있다.

한 원자는 양성자, 중성자 및 전자로 불리는 더욱 작은 구성원소로 이루어져 있다.

자연에는 가장 가벼운 수소로부터 가장 무거운 우라늄에 이르기 까지 100여종의 원 소들이 존재한다. 각 원소는 화학기호라고 부르는 약자로 표시된다.

1.1 식물들이 필요로 하는 원소들

자연에서 발견되는 100여종의 원소들 중 단지 9개의 원소들이 식물 건조량의 99.95% 이상을 차지하고 있다.

탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 황, 칼슘, 칼륨 및 마그네슘을 다량원소라 한다.

식물에 있어서 다른 원소들은 아주 적은 량으로 필요하기 때문에 미량원소라 부 른다.

탄소는 모든 생물체를 구성하는 유기화합물에 존재하기 때문에 특히 중요하다.

표 3-1. 식물의 필수원소들 : 근원과 기능들.

표 3-1. 식물의 필수원소들 : 근원과 기능들.

1.2 원자는 양성자, 중성자 및 전자로 이루어진다.

모든 원소는 각기 독특한 수의 양성자, 중성자 및 전자를 갖는 원자로 이루어져 있다.

양성자와 중성자는 각각 어느 정도의 질량을 가지며, 원자핵이라 부르는 중심부에 위치한다.

전자들은 매우 작은 질량을 가지며, 원자핵의 바깥쪽에 있는 궤도에 위치하고 있으 며 다양한 거리에서 원자핵 주위를 회전하고 있다(그림 3-1).

양성자는 양(+)전하를 띠는 반면에 전자들은 음(-)전하, 중성자는 이름이 말해주듯이 전하를 띠지 않는다.

그림 3-1. 식물에서 가장 흔하게 존재하는 6가지 원소들.

여기에는 수소, 탄소, 질소, 산소, 인과 황 이 포함된다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 각 들에 전자들을 각각 적색, 녹색, 자주색으 로 나타내었다.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s 7p 7d 7f

한 오비탈에 수용할 수 있는 전자의 수

부껍질(subshell) orbital 수 최대 전자수

s 1 2

p 3 6

d 5 10

f 7 14

*1s

2s

2p

3s

3p

4s

3d

4p

5s

4d

5p

6s

4f

같은 궤도 각에 전자는 같은 수준의 에너지를 갖지만, 다른 각에 존재하는 전자들 은 서로 다른 수준의 에너지를 갖는다(그림 3-2).

에너지가 가장 적은 전자가 핵에서 가장 가까이 존재하고, 핵으로부터 멀어질수록 더 큰 수준의 잠재에너지를 갖게 된다.

하나의 전자가 적당한 량의 에너지를 흡수

→ 전자는 첫 번째 궤도 각에서 두 번째 궤도 각으로 이동.

→ 또는 두 번째 궤도 각에서 세 번째 궤도 각으로 이동.

이와 같이 한 전자가 에너지를 흡수하여 더 높은 수준의 각으로 이동하게 되면 전 자는 여기상태(exited state)로 들어가게 된다.

다시 이 전자가 더 낮은 수준의 각으로 되돌아가게 되면

→ 에너지는 열 또는 빛의 형태로 방출되거나

→ 다른 원자 주위의 한 전자로 전달 될 수도 있다.

그림 3-2. 전자 에너지 수준과 물리적 유추.

왼쪽의 그림은 3개 수준들의 전자에너지를 갖는 한 핵을 보여준다. 오른쪽의 그림 은 물리적인 유추를 나타낸다. 공을 탑의 높은 곳으로 옮겨 갈수록 지구 중력에 있 어서 잠재에너지는 점점 더 커진다. 전자들과 마찬가지로 사람이 멈추는 단상으로 나타냈듯이 공은 세 개의 특징적인 에너지 수준 중 하나만 가질 수 있다.

1.3 모든 원소는 독특한 원자번호와 질량수를 가진다.

자연에 존재하는 원소들은 원자핵의 양성자수와 동일한 원자번호를 갖는다.

가장 가벼운 원소인 수소는 원자핵에 한 개의 양성자를 갖기 때문에 원자번호 1이 며, 탄소는 원자핵에 6개의 양성자를 가지므로 원자번호는 6이다. 가장 무거운 우라 늄은 원자번호가 92이다.

또한 각 원소는 원자의 질량수를 갖는데 이는 원자핵에 있는 양성자와 중성자수를 합한 값이며, 양성자와 중성자는 대략 같은 질량을 갖는다.

덧붙여서 분자량은 분자를 이루는 원자량을 합한 것

물 분자(H₂O)의 분자량 = 수소의 원자량 2 ＋ 산소의 원자량 16 = 18의 분자량.

원자번호는 일정하지만 한 원소의 질량은 중성자가 부가적으로 첨가됨으로 달라진 다.

보통 수소는 한 개의 양성자와 전자를 갖고 있는데 여기에 한 개의 중성자를 첨가 하면 원자량이 다른 더 무거운 형태의 수소가 되는데, 이와 같이 원자량이 다른 같 은 종류의 원소를 동위원소(isotope)라 부른다.

한 개의 양성자와 한 개의 중성자를 갖는 수소의 동위원소는 중수소이다(그림 3-3).

수소의 세 번째 동위원소는 삼중수소인데 방사능원소로서 식물이나 의학연구에 추 적분자로 많이 사용된다.

보통 수소는 한 개의 양성자와 전자를 갖고 있는데 이 수소에 하나의 양성자를 추 가시키면 더 이상 수소가 아니라 원자번호 2인 헬륨이 된다.

그림 3-3. 수소의 세 가지 동위원소들(수소, 중수소와 삼중수소)과 헬륨의 원자구조.

2. 몇 가지 결합 형태에 의해 원자들은 분자를 형성한다.

원자들은 일반적으로 자연에서는 한 개로 존재하지 않으며 두 개 이상의 같거나 다른 원자들이 화학결합을 통해 연결되어 분자를 형성한다.

예를 들면 이산화탄소(CO₂) 한 분자는 한 개의 탄소(C)와 두 개의 산소 원자(O₂)로, 물(H₂O)은 두 개의 수소 원자들과 한 개의 산소 원자로 이루어진다.

이러한 분자 형성에는 이온(ionic), 공유(covalent) 및 수소(hydrogen) 결합의 3가지 기본적인 화학결합 형태들이 나타난다.

2.1 이온결합은 원자들이 전자를 얻거나 잃을 때 형성된다.

원자들은 정상적으로는 전기적으로 중성이며 같은 양성자수와 중성자수를 갖는다.

한 원자가 전자를 잃거나 얻으면 전하를 띤 원자인 이온(ion)이 된다.

소금(NaCl)을 예로 들면 Na 원자는 한 개의 전자를 Cl 쪽으로 잃게 되어(그림 3-4a) Na는 양전하를 띤 Na^＋로, Cl은 음전하를 띤 Cl^－로 된다.

이와 같이 이온결합에 의해 형성된 결정구조(규칙적으로 양이온과 음이온이 배열된 고체)를 염이라 는데 소금(NaCl)은 많은 종류의 염들 중 하나이다(그림 3-4b).

식물은 많은 종류의 산과 염기를 함유하고 있는데 이러한 산과 염기는 이온결합을 갖는 흔한 물질이다. 예를 들면 식물에는 구연산(C₆H₈O₇)과 초산(CH₃COOH) 등이 있 다.

(a) (b)

그림 3-4. Na와 Cl의 원자들 사이에 이온결합 그림.

(a) Na의 최외각 전자는 Cl 원자의 최외각으로 공여된다.

(b) 염(NaCl)의 결정구조를 보여 주는 그림.

2.2 공유결합은 두 개 이상의 원자들이 전자를 공유한다.

공유결합은 두 개 이상의 같은 또는 다른 원소들의 원자들이 전자를 공유할 때 나타 나기 때문에 이온결합보다도 더욱 강하다. 같은 원소들(예, H₂, O₂, N₂) 사이에서 공 유하므로 전자들은 동등하게 공유된다.

한 수소원자가 다른 수소원자의 전자를 공유함으로써 최외각에 2개의 전자를 가질 수 있다(그림 3-5a). 수소원자는 2개의 전자를 공유하여 하나의 수소분자를 구성한 다.

8개의 양성자와 8개의 전자를 갖는 산소원자는 2개의 전자를 제공하고 다른 산소원 자도 2개의 전자를 제공하여 총 4개의 전자를 공유하기 때문에 이중공유결합을 형 성한다(그림 3-5b).

질소는 7개의 양성자와 7개의 전자를 갖기 때문에 최외각에 5개의 전자를 갖는다.

다른 질소원자와는 총 6개의 전자들을 공유하므로 두 원자 사이에는 한 개의 3중 공유결합을 형성한다(그림 3-5c).

그림 3-5. (a) 수소, (b) 산소, (c) 질소 분자들에서의 공유결합.

이러한 분자들은 각각 1개, 2개 및 3개의 결합을 갖는다.

2.3 수소결합은 분자들 사이에 약한 이끌림으로 된다.

전자가 같은 원소들(예, H₂, O₂, N₂) 사이에서 공유될 때 전자들은 동등하게 공유된다.

그러나 두 가지 다른 원소들이 전자를 공유할 때 두 원소 간에 전자를 잡아당기는 힘 이 다르게 되면 전자들은 불균등하게 공유되고 극성공유결합(polar covalent bond) 이 형성된다.

극성공유결합의 가장 좋은 예는 우리가 흔히 보는 물(H₂O)이다. 물은 1개의 산소와 두 수소원자로 이루어져 있다(그림 3-6a). 물의 산소원자는 두 수소원자의 전자를 자 신의 핵 쪽으로 끌어당겨 약한 음전하를 띠게 되는 반면에 두 수소원자는 각각 전자 가 핵의 양성자로부터 멀어졌기 때문에 약한 양전하를 띠게 된다.

물 분자는 양전하와 음전하를 띤 두 극 부위를 갖게 되므로 물은 극성화합물로 알려 져 있다. 음전하를 띤 극은 다른 극성분자의 양전하를 띤 극 부위에 이끌린다(그림 3-6b). 공유결합보다는 약한 이러한 이끌림을 수소결합(hydrogen bond)이라고 한다.

그림 3-6. 물.

(a) H-O-H 사이에 104˚의 각도를 보여주는 물 분자 그림.

(b) 물 분자들 사이에 수소결합.

물 이외에도 다양한 종류의 극성화합물이 존재하며 여기에는 극성 유기화합물이 포함된다.

극성화합물의 이러한 수소결합 형성은 극성 유기화합물이 물에 녹게 만들기 때문 에 DNA를 포함한 많은 유기화합물의 구조나 기능에 있어서 중요한 역할을 한다.

물은 이러한 극성 때문에 많은 물질들이 물에 쉽게 녹는 매우 효과적인 용매이다.

염, 극성 유기분자와 산소, 질소 및 이산화탄소와 같은 가스들은 약한 전하를 가지 며 이들 전하들이 물의 수소와 산소원자의 약한 전하와 상호작용하기 때문에 쉽게 물에 녹는다.

3. 생명체를 구성하는 4가지 주요 화합물

생물체를 구성하는 4가지 기본적인 유기분자(1차 화합물들이라 일컬음)에는 탄수화 물(carbohydrate), 지질(lipid), 단백질(protein), 핵산(nucleic acid)이 포함된다(표 3- 2). 이 4가지 집단 각각에서는 작고 간단한 분자들이 모여 식물체에서의 구조와 대 사 기능을 수행하는 더 크고 복잡한 유기분자의 골격을 이룬다.

3.1 탄수화물에는 당, 전분, 및 섬유소가 포함된다.

탄수화물(carbohydrate)은 탄소, 수소, 산소가 (CH₂O)n(여기서 n=3～수 천개)의 비율로 구성되어 있는 유기분자들이다. 탄수화물은 단당류(1개의 당), 이당류(2개 의 당), 다당류(많은 당)의 3종류로 나눌 수 있다.

1) 단당류(monosaccharide)

단당류는 3-6개의 탄소원자로 이루어진 간단한 당이다.

6탄당인 포도당(glucose)은 식물에서 나타나는 가장 흔한 당단류로 분자식은

C₆H₁₂O₆로 6개의 탄소로 이루어진 당으로 분자식은 단지 각 원소의 수만을 보여준 다(그림 3-8c).

그림 3-8a는 3가지 간단한 당들에 있어서 원자들의 배열을,

그림 3-8b는 이러한 당들이 물에 녹으면 어떤 형태로 나타나는지를 보여주고 있다.

그림 3-8. 식물에서 나타나는 몇 가지 당 분자의 구조.

(a) 탄소원자들은 직선배열로 나타냄.

(b) 당 분자는 물에 용해되면 고리 형태를 갖는 것으로 여겨짐.

(a)에서 적색선은 (b)에서의 적 색선으로 나타낸 결합과 같 음.

RNA ribose의 OH기는 DNA deoxyribose에서 H로 대체 됨.

(c) 세 당 분자들의 분자식. 포 도당과 과당은 분자식이 같 지만 다른 구조를 갖는다.

2) 이당류(disaccharide)

두 개의 단당류가 연결되어 만들어지는데, 식물에서 이당류는 짧은 기간 동안 에너 지를 저장하는 분자로서 사용된다.

가장 흔한 식물의 이당류는 설탕으로 포도당과 과당이 탈수합성반응이 일어나 형성 된다(그림 3-9).

수소는 과당으로부터, 수산기는 포도당으로부터 제거되면서 두 단당류들이 공유결 합에 의해 산소에 연결된다.

한 개의 물 분자가 이 과정에서 제거된 수소와 수산기로부터 형성되며 이 때문에 탈 수라는 용어가 비롯되었다. 설탕은 식물체 전 부위로 이동되는 주요한 당이다.

그림 3-9. 포도당과 과당으로부터 설탕의 탈수합성.

효소의 도움으로 두 단당류들이 연결되며(적색의 결합) 한 분자의 물이 형성된다.

3) 다당류(polysaccharide)

다당류는 많은 수의 단당류들이 연결된다는 것 외에는 이당류가 형성되는 과정과 동 일한 탈수합성반응에 의해 형성된다.

단당류와는 달리 다당류는 물에 녹지 않는다.

다당류에는 전분(starch), 섬유소(cellulose), 펙틴(pectin) 등이 있다.

(1) 전분(starch)

전분은 특히 곡물(옥수수, 쌀, 밀)이나 얌(yam)과 감자에 많이 들어 있다(그림 3-10a, b).

전분(그림 3-10d)은 탈수반응을 통해 포도당으로부터 합성되는데 전분분자는 1,000 개까지의 포도당 분자를 함유하며 때로는 분지된 사슬을 갖는다(그림 3-10e).

에너지가 필요하면 포도당 분자들이 전분 분자로부터 떨어져 대사에 이용된다.

그림 3-10. 식물에 있어서 에너지 저장분자로서의 전분.

(a) 사람의 음식에 있어서 감자는 전분의 제공원이다.

(b) 감자의 塊莖은 전분을 저장하는 지하 구조이다.

(c) 전분 분자의 일부로 이웃한 사슬들 사이에 분자를 보여준다.

(d) 전분에서 어떻게 포도당 분자들이 연결되어 있는지를 보여주는 구조의 그림.

(2) 섬유소(cellulose)

섬유소 분자는 전분과 마찬가지로 많은 포도당으로 이루어지지만 포도당 분자들이 하나 건너 거꾸로 연결되어 긴 사슬을 형성하는 다른 연결 형태를 갖고 있다(그림 3-11).

이러한 구조적 배열은 섬유소가 잘 분해되지 않게 만들며 단지 어떤 세균, 곰팡이나 장 내에 분해 미생물을 소나 흰개미와 같은 동물들만이 소화할 수 있다.

(3) 펙틴(pectin)

또한 유용한 다당류에는 맥주에 사용되는 수지나 과일 잼을 만드는 펙틴 등이 있으 며, 귀리 겨로부터 추출한 수지에 함유된 용해성 섬유는 혈액 콜레스테롤을 낮추어 준다고 알려져 있다.

그림 3-11. 섬유소는 식물의 구조를 구성하는 탄수화물이다.

식물 생체량의 대부분이 섬유소이다.

(a) 목화 섬유는 목화씨에 부착된 섬유소가 풍부한 털 세포로부터 얻어진다.

(b) 고배율 현미경을 사용해 세포벽에서 관찰된 섬유소의 미세섬유 가닥들.

(c) 섬유소 분자들이 결속되어 미세섬유를 형성하는 모습. 이러한 미세섬유들은 다시 모여 더 큰 거대 섬유가닥을 형성한다.

(d) 섬유소분자들은 포도당 분자들의 사슬들이 수소결합으로 연결되어 형성된다.

(e) 전분과는 달리 연결되는 포도당 분자들은 뒤집어진 형태이며(그림 3-10e와 비교), 노랑색으 로 표시된 -OH기는 (d)에서 보여준 수소결합에 관여한다.

3.2 지질

지질은 탄수화물보다도 더욱 다양한 유기화합물 집단으로 일반적으로 기름의 특성 을 갖고 있으며, 물에는 용해되지 않는다. 지질에는 1) 지방, 기름 및 왁스, 2) 인지질, 3) 스테로이드 3종류가 있다. 지질은 주로 수소와 탄수화물로 이루어져 있으며, 인지 질은 인과 때로는 질소를 함유하기도 한다.

1) 지방, 기름 및 왁스

지방과 기름은 쉽게 구분될 수 있는데, 실온에서 지방은 고형이며 기름은 액체이다.

이들 지방과 기름은 글리세롤(glycerol)과 지방산(fatty acid)으로부터 형성되는데 (그림 3-12), 글리세롤은 한 쪽에 3개의 -OH를 갖는 3 탄소 함유 분자이며, 지방산은 한 쪽 끝에 카르복실기(-COOH)를 갖고 분지 없이 길게 -CH₂기들이 배열되어 형성된 사슬형태를 갖는다.

(1) 지방과 기름은 함유된 지방산에 의해서 구분된다.

지방은 글리세롤과 지방산의 결합에 의해서 형성되는데 이 지방산에서 모든 탄소 원자들이 최대한으로 수소원자를 갖는다면 그 지방산은 포화지방산이며,

인접한 탄소원자들 간에 한 개의 이중결합을 가지고 있으면 단성불포화 지방산, 두 개 이상의 이중결합을 가지고 있으면 다성불포화 지방산이 된다.

① 지방에 있어서 대부분의 지방산들은 포화되어 있으며,

② 기름은 주로 지방산들이 불포화되어 있다.

(2) 왁스

왁스는 지방이나 기름과 유사하지만 글리세롤 분자들 대신에 많은 -OH기를 갖는 긴 탄소사슬분자들을 가지며 모든 지방산이 포화되어 있다.

왁스는 줄기나 잎 표면에 물이 투과하지 못하는 보호층을 만들어 주어 물의 손실을 막아주고 병균이나 곤충의 공격으로부터 식물을 보호해 준다.

그림 3-12. 글리세롤과 3개의 지방산으로 구성되는 지방분자의 형성을 보여주는 그림.

설탕형성에 있어서와 마찬가지로 탈수합성이 일어나며 여기서는 3개의 물 분자들이 방출된 다. 3가지 형태의 지방산 분자들을 보여 주고 있다.

포화지방산(palmitic), 다성불포화지방산(linolenic acid), 단성불포화지방산(oleic acid). 검은 화살표는 지방산에 있어서 이중결합부위를 가리킨다.

지방산이 이중결합부위에서 구부러짐을 주시하라. 이러한 구부러짐은 지방산의 액체성을 증 가시킨다.

2) 인지질

구조적으로 지방이나 기름과 매우 유사하며(그림 3-14a), 한 개의 글리세롤에 포화 또는 불포화의 긴 지방산들을 갖는다.

그러나 인지질은 글리세롤 분자에 결합된 한 개의 인기(-PO₄)와 인기에 부착된 하 나의 부가적인 극성의 기를 갖는다.

인기와 극성기는 친수성으로서 물에 녹는 반면 지방산 사슬들은 비극성이며 소수 성이라 물에 녹지 않는다.

인지질의 주요 기능은 구조형성에 있다. 물에 넣게 되면 인지질들은 이중층의 구조 를 이루게 되는데(그림 3-14b) 이러한 이중층은 세포막의 기본구성요소이다.

그림 3-14. 인지질.

(a) 친수성 머리와 두 개의 지방산 사슬을 갖는 소수성의 꼬리로 구성되는 인지질의 그림.

(b) 세포막에서의 인지질 이중층의 그림.

3) 스테로이드

다른 모든 지질과는 구조적으로 차이가 있는데, 여러 가지 기능의 측쇄기를 갖는 4 개의 탄소 고리로 구성되어 있다(그림 3-15).

예로 들은 것은 digitalin으로서 디기탈리스(

Digitalis purpurea

식물성 스테로이드는 심장박동률을 감소시키는 반면 심장의 수축력을 증가시켜 준다. 이렇게 되면 피의 순환이 증가되고 폐에서 물이 차는 것(부종)이 감소되며 신장을 통한 노폐물 분비의 증가가 일어난다.

그림 3-15. 식물 스테로이드.

(a) digitalin 분자의 구조.

(b) 의약용 digitalin을 생산하는 디기탈리스(Digitalis purpurea).

3.3 단백질

단백질은 인간의 영양에 있어서 중요하다.

옥수수, 쌀, 밀, 콩과 같은 곡식이나 콩과류의 씨들은 특히 저장단백질이 풍부한데 이 러한 저장단백질은 싹을 틔우기 위해 씨에 저장된 단백질이다.

단백질의 중요한 기능은 필수적인 화학반응들이 잘 일어나게 만드는 생화학적 촉매 이다.

효소라 부르는 단백질들은 생화학적 촉매로서의 역할을 하고 살아있는 식물세포에 서 일어나는 모든 생화학적인 반응의 속도를 조절한다.

1) 단백질의 구성

(1) 단백질은 복잡한 유기분자들로서 탄소, 수소, 산소, 질소 및 황으로 구성된다. 단 백질은 아미노산(amino acid)이라 부르는 작고 간단한 유기분자들이 많이 모여서 이 루어진다. 각각의 아미노산은 중앙에 있는 한 개의 탄소원자에 한 개의 수소원자, 질 소를 함유하는 한 개의 아미노기(-NH₂), 산성인 한 개의 카르복실기(-COOH) 및 R 이라 부르는 측쇄가 결합하여 구성된다. 단백질에는 약 20종의 아미노산들이 있으며 각각의 아미노산은 그 아미노산의 특성을 결정하는 독특한 R기를 갖는다(그림 3-16).

아미노산의 구조.

그림 3-16. 아미노산.

몇 가지 아미노산의 구조식.

3개의 소수성 및 3개의 친수성아 미노산들.

이러한 아미노산들의 일부는 같지 만 측쇄 즉 R기는 아미노산에 따라 다르며 화학적 특성을 결정한다.

예를 들면 cysteine의 황(S) 함유 부위는 같은 폴리펩티드 사슬 내 의 다른 cysteine들과 공유결합을 형상하여 단백질이 적절히 접히게 만든다.

(2) 아미노산들은 펩티드결합에 의해 연결되어 폴리펩티드를 형성한다(그림 3-17).

한 아미노산의 -OH기는 다른 아미노산의 아미노기 끝에 있는 한 개의 수소와 결합 하여 물이 방출되면서 탄소와 질소 사이에 공유펩티드결합이 형성되며, 이러한 폴 리펩티드 결합이 성공적으로 형성될수록 수백 및 수천 개의 아미노산으로 이루어 진 폴리펩티드가 형성된다.

그림 3-17. 펩티드결합 형성을 보여주 는 그림.

탈수반응에 있어서 인접한 아미노산 들 사이에 C-N공유결합(적색으로 표 시된) 형성으로 한 분자의 물이 방출 된다.

(3) 단백질의 구조에 있어서 4가지 구성수준이 나타나고 있다.

그림 3-18. 단백질 구조의 순서. (a) 1차구조, (b) 2차구조-나선, (c) 2차구조-병풍, (d) 3차 구조, (e) 4차구조(헤모글로빈의 예). 인간에서 나타나는 헤모글로빈 단백질은 같은 가닥 두 개씩(적색과 황색으로 표시) 총 4개의 폴리펩티드 가닥으로 구성된다.

2) 저장단백질은 인간의 영양에 있어서 중요하다.

음식을 통해 섭취해야하는 아미노산을 필수아미노산이라 하며, 그렇지 않은 것들 을 다른 아미노산으로부터 우리 몸 스스로 합성할 수 있다는 의미에서 비 필수아미 노산이라 한다(표 3-4).

밀이나 옥수수와 같은 곡물의 종자는 단백질을 많이 함유하지만 이들의 종자는 필 수아미노산인 lysine이나 tryptophan의 함량이 매우 낮다.

완두, 콩, 강낭콩 같은 콩과류는 lysine이나 tryptophan이 풍부하지만 methionine 이 결여되어 있다.

세계 인구의 17-40%가 영양결핍 또는 영양기형을 겪고 있으며, 매년 2천만 명(대 부분 어린이)이 이러한 증세로 인해 사망한다고 추산된다.

단백질 결핍으로부터 나타나는 두 가지 심각한 증세는 심한 성장 지연으로, 사지는 심하게 말 라서 걷지도 못하면서, 머리는 크고 배는 불러 있는 특징적인 모습을 가진다. 단백질 모자라는 것이 배를 부르게 하는 이유는 피 안의 삼투압농도가 내려감으로서 혈관 외부에 있는 세포와 세포사이의 공간이 피 안의 농도를 맞추기 위해 물을 빨아들이기 때문인데 이것이 바로 수종이 다. 근육까지 모두 에너지원으로 써버리기 때문에 복부근육이 없어지면서 배가 더 나오게 되는 것이다과 전신쇄약증이다.

단백질 결핍으로부터 나타나는 두 가지 심각한 증세는 단백질결핍성 소아영양 실 조증(失調症)과 전신쇄약증이다.

3) 효소는 생물학적 촉매 기능을 가진 단백질이다.

단백질이 수행하는 가장 중요한 기능은 세포 내의 생화학적 반응을 조절하는 촉매 인 효소의 역할이다.

일반적인 화학반응에 있어서 반응 초기의 분자를 기질 또는 반응물이라 하며, 최종분자를 생산물이라 하는데 반응 중에는 매우 반응성이 높은 중간화합물이 형 성된다(그림 3-19a).

생물에서 세포들은 온도증가로 화학반응을 촉진시킬 수 없다. 그래서 세포들은 반 응을 촉진시키기 위해 촉매를 사용한다. 촉매란 화학반응의 속도를 촉진시키는 물 질이다(그림 3-19b).

살아있는 세포에서 이러한 생물학적 촉매를 효소라 부르는데 복잡하고 입체적인 모양을 갖는 커다란 단백질 분자이다.

그림 3-19. 화학반응과 효소가 촉매 하는 화학반응.

(a) 반응물들과 생산물들은 모두 특정한 수준의 잠재에너지를 갖는다. 이 예에서 생 산물들의 잠재에너지는 반응물들의 것보다 더 낮으며 반응 중 에너지는 방출된 다. 반응이 진행되기 위해서 반응물들은 활성화 에너지에 의해 잠재에너지를 높 여야 한다. 화학반응에 있어서 중간물 형태의 매우 반응성이 있는 물질이 형성된 후 반응이 더욱 진행되어 반응물들이 생산물들로 전환하게 된다.

(b) 효소에 의해 촉매 되는 반응에서는 반응물들(기질들)이 먼저 효소와 복합체를 이루며, 활성화 에너지는 촉매가 없는 반응보다 훨씬 낮다.

한 가지 간단한 예는 설탕분해효소로서 이 효소는 설탕을 포도당과 과당으로 분해 한다(그림 3-20). 설탕은 설탕분해효소가 작용하는 화합물이기 때문에 설탕분해효 소의 기질이다. 효소들은 보통 기질 이름 일부에 -

ase

그림 3-20. 설탕분해효소가 설탕을 포도당과 과당으로 분해하는 그림.

3.4 DNA와 RNA같은 핵산은 뉴클레오티드로 구성된다.

생물의 모든 구조나 기능에 대한 정보는 핵산에 암호화되어 있고 해독되어 진다.

두 종류의 핵산은 DNA와 RNA로서 DNA는 세포에서 가장 큰 분자인데 유전자라 일컫는 단위들 속에 유전정보를 함유한다.

1) 핵산(nucleic acid)

핵산은 큰 유기분자로서 탄소, 수소, 산소, 인 및 질소원소로 구성된다.

핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)라는 작은 구성요소들이 연결된 긴 사슬이며, DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)가 있다.

DNA 에 있어서는 두 가닥의 핵산들이 뒤틀린 사다리처럼 서로가 꼬여 이중나선 (double helix)을 형성한다. DNA 사다리 측면으로 노출된 부위는 공유결합에 의해 서로 연결된 당과 인들이며, 안쪽으로는 수소결합에 의해 서로 연결된 염기들이 위 치한다.

RNA 분자는 구조나 기능에 있어서 DNA보다는 훨씬 다양하지만 대부분의 RNA 분 자는 한 가닥이다. 다양한 RNA분자는 모두 세포 내 단백질 합성에 관여 하고 있다.

2) 뉴클레오티드(nucleotide)

각 뉴클레오티드는 당, 인기 및 질소가 풍부한 염기의 3 구성원을 갖는다(그림 3-21).

질소염기에는 두 개의 고리를 갖는 화합물인 퓨린과 한 개의 고리를 갖는 피리미딘 이 있다

퓨린계통의 물질에는 아데닌(A)과 구아닌(G)이 포함되며, 피리미딘에는 시토신(C), 티 민(T) 및 우라실(U)이 있다(그림 3-21).

DNA와 RNA를 구성하는 뉴클레오티드들은 두 가지 면에서 차이가 있다.

DNA의 경우 당은 디옥시리보오스이며, 염기는 아데닌, 시토신, 구아닌, 티민이다.

RNA의 경우 당은 리보오스이며, 염기는 아데닌, 시토신, 구아닌, 우라실이다.

인기는 한 개의 인 원자가 4개 의 산소원자들과 공유결합을 이룬 상태인데 DNA와 RNA 모 두에서 똑 같다(-PO₄).

뉴클레오티드들은 인기와 당 사이에 탈수합성반응을 통해 연결되어 긴 핵산 사슬을 이 루게 된다(그림 3-22)

3) 에너지 운반체인 ATP(adenosine triphosphate)

몇 몇 뉴클레오티드들은 핵산 구성과는 별도로 세포에서 중요한 역할을 갖고 있다.

세포대사를 이루는 모든 생화학적 반응은 에너지를 필요로 한다. 이러한 대부분의 에너지는 에너지 운반체인 뉴클레오티드 유도체 ATP에 의해 공급된다.

ATP는 당인 리보스와 질소성 염기인 아데닌 및 공유결합들에 에너지를 지니는 일 련의 3개의 인기를 갖는다.

ATP는 ATP분해효소(ATPase)가 물을 첨가하며 말단에 인기를 절단(가수분해)하고 ADP를 생산할 때 에너지를 방출한다(그림 3-23). 두 번째 인기 또한 제거되어 AMP를 생산하고 비슷한 량의 에너지를 방출할 수 있다.

그림 3-23.

4. 식물은 다양한 이차화합물을 생산한다.

식물에는 직접적으로 식물의 생장과 발달에 참여하는 물질(일차화합물)이 아닌 여 러 가지 화합물들이 만들어지는데 이러한 물질들을 총칭하여 이차화합물이라 한다.

광대한 이차화합물 중에서 중요한 것들은 테르펜, 테르페노이드(terpenoids), 페놀 화합물, 플라보노이드 및 알칼로이드(alkaloids)이다.

수천가지 형태의 이차화합물은 방어, 특이적인 구조 또는 생식을 위해서 사용된다.

4.1 테르펜과 테르페노이드(terpenoids)는 곤충을 쫒아버린다.

25,000종의 테르펜과 테르페노이드 이차화합물은 크기와 복잡성에 있어서 매우 다양.

그림 3-24. 테르펜류(Terpenes).

(a) 테르펜의 기본구조인 이소프렌(isoprene)의 화학구조와 두 가지 테르펜 ; 용매로 쓰이는 limonene과 천연 고무화합물인 heavea rubber.

(b) 테르펜을 함유하는 장미 추출물은 향수로 사용된다.

4.2 페놀화합물과 플라보노이드 그리고 알칼로이드

식물은 8,000 종의 페놀화합물을 생산하는데 이 중 약 4,500종이 플라보노이드이다.

콩깍지, 호밀

그림 3-25. 페놀화합물류(Phenolics).

(a) 향료인 바닐린과 목재의 리그닌의 구조

(b) 음식제조에 있어서 인공 바닐라보다 훨씬 가치가 있는 천연 바닐라. 추출물들은 난초과 Vanilla의 건조한 열매(바닐라 깍지)에서 추출된다.

(c) 착색된 참나무 목재의 절편은 대부분 리그닌으로 구성되어 있다.

2) 플라보노이드

그림 3-26. 플라보노이드.

(a) 3가지 플라보노이드 색소들의 구조 :

펠라르고니딘(Pelargonium에 함 유),

cyanidin(장미에 함유),

delphinidin(Delphinium에 함유).

(b) 제라늄,

(c) 참제비고깔속(Delphinium)

3) 많은 알칼로이드(Alkaloids)가 의약품으로 이용된다.

알칼로이드에는 12,000종 이상이 있으며 어떤 식물은 여러 가지를 생산하기도 한다.

Strychnine) 튜보쿠라인(tubocurine)

그림 3-27. 알칼로이드류.

(a) 신체에 뚜렷한 영향을 주는 몇 가지 알칼로이드들의 구조들.

(b) 담배. 알칼로이드인 니코틴의 이름은 이 식물명에서 유래되었다.

식물성 천연물 중에서 중요한 3개의 그룹의 분류, 기본구조와 생합성경로 및 기능.

형질전환체 배양에 의한 물질생산.

Agrobacterium causes plants is uncontrolled growth of cells into masses of tissue called tumors.

Different species of

Agrobacterium form different types of tumors.

Agrobacterium tumefaciens causes a tumor called a crown gall.

Agrobacterium rhizogenes, like the name implies, causes the sprouting of root tissue from an infection site, a

condition known as hairy root.

Agrobacterium rubi causes cane gall of raspberries.

참고사이트

한국의 식물검색: http://bric.postech.ac.kr/species/bird/

학명 등 식물검색: http://plants.usda.gov/cgi_bin/topics.cgi 유전자은행: http://kctc.kribb.re.kr/