본문내용
1. 생화학의 기초
1.1. 아미노산의 구조
아미노산의 구조는 3차원적 입체구조를 가지고 있다. 아미노산 분자의 중심이 되는 부분은 α-탄소 원자이며, 이 α-탄소 원자에는 네 개의 기능기가 연결되어 있다. 구체적으로는 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH), 수소(-H), 그리고 곁사슬(-R그룹)이 연결되어 있다.
곁사슬(-R그룹)의 종류에 따라 20종류의 서로 다른 아미노산이 존재한다. 이들 각각의 아미노산은 고유한 화학적 성질과 생물학적 기능을 가지고 있다. 예를 들어 친수성, 소수성, 염기성, 산성 등의 성질을 나타내는 다양한 종류의 곁사슬이 존재한다.
또한 아미노산 분자 내의 카르복실기와 아미노기는 pH에 따라 양이온, 중성, 음이온 형태로 존재할 수 있어, 아미노산이 산, 염기로 작용할 수 있게 한다. 이러한 아미노산의 양쪽성 특성은 단백질 구조와 기능에 매우 중요한 역할을 한다.
따라서 아미노산의 구조는 다양한 화학적 특성과 생물학적 기능을 갖게 하는 근간이 되며, 이를 통해 단백질의 구조와 기능이 결정된다고 할 수 있다.
1.2. 이성질체
이성질체는 동일한 화학식을 가지지만 분자 내 원자들의 공간적 배열이 다른 화합물을 의미한다. 이성질체에는 입체이성질체와 기하이성질체가 존재한다.
입체이성질체는 분자 내 동일한 기능기가 공간상 서로 다른 위치에 존재하는 이성질체이다. 입체이성질체의 대표적인 예로는 아미노산이 있다. 아미노산의 α-탄소는 네 개의 서로 다른 치환기가 결합된 입체중심이 되며, 이에 따라 L-형과 D-형의 두 가지 입체이성질체가 존재한다. L-형은 자연계에 존재하는 대부분의 아미노산의 형태이며, D-형은 세균 등의 미생물에서 발견된다.
입체이성질체를 구별하는 방법 중 하나는 우선순위 규칙이다. 이 방법에 따르면 분자 내 치환기의 원자량이 가장 큰 것을 최우선 순위로 하고, 시계방향으로 배열하여 이성질체의 구조를 R(rectus)형과 S(sinister)형으로 나눌 수 있다.
기하이성질체는 분자 내 이중결합을 기준으로 서로 다른 위치에 치환기가 있는 이성질체이다. 이중결합 주변의 치환기가 같은 방향에 있으면 cis형, 반대 방향에 있으면 trans형으로 구분한다. 지방산의 경우 대부분 cis형으로 존재하나 부분 수소화된 지방산인 트랜스지방은 trans형 구조를 가진다.
이와 같이 이성질체는 동일한 분자식을 가지지만 원자들의 공간적 배열이 다르기 때문에 물리화학적 성질, 생리활성 등이 달라질 수 있다. 따라서 이성질체의 구별은 화합물의 특성을 이해하는 데 매우 중요하다고 할 수 있다.
1.3. 물의 특성
물은 생화학에서 매우 중요한 역할을 하는 물질이다. 물은 생명체를 구성하는 주요 성분으로서 전체 생물체 중 약 60-90%를 차지한다. 물은 독특한 특성을 지니고 있어 생명체의 다양한 화학반응과 생리학적 기능을 가능하게 한다.
물 분자의 구조는 수소와 산소가 결합한 H2O이며, 산소 원자의 전자쌍 배치로 인해 물 분자는 약 104.5도의 각도를 이루는 V자 형태를 띤다. 이러한 구조로 인해 물 분자는 극성을 띠게 되며, 이로 인해 다양한 용매 특성을 가지게 된다. 물은 극성 용매로서 극성 물질을 잘 용해시킬 수 있으며, 비극성 물질은 잘 용해되지 않는다.
물의 극성은 생체 내 화학 반응에 중요한 역할을 한다. 생체 내 반응들은 대부분 물 용액 상에서 일어나며, 수소 결합, 소수성 상호작용, 이온 결합 등 다양한 분자간 상호작용이 물 분자에 의해 매개된다. 물은 또한 열용량이 크고 열전도율이 높아 생체 내 온도 조절에 중요한 역할을 한다.
물의 특성 중 가장 주목할 만한 점은 밀도이다. 물은 4도C에서 최대 밀도를 가지며, 이 특성으로 인해 얼음은 액체 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜨게 된다. 이는 생물체가 동절기를 견딜 수 있게 하는데 중요한 역할을 한다. 또한 물은 높은 표면장력을 가지고 있어 식물의 수분 이동과 생물체 내부 수분 이동에 기여한다.
물은 다양한 특성으로 인해 생명체에 없어서는 안 될 필수적인 물질이다. 물의 화학적 구조와 성질은 생명체 내 물질대사, 전달, 조절 등 생명 활동의 근간을 이루고 있다.
1.4. 산과 염기
산과 염기는 생화학에서 매우 중요한 개념이다. 산은 수소 이온(H+)을 떨어뜨릴 수 있는 분자 또는 이온을 말하며, 염기는 수소 이온을 받아들일 수 있는 분자 또는 이온을 말한다.
산은 'H'가 떨어져 나올 수 있는 분자이며, 전자쌍을 받을 수 있는 것을 의미한다. 반면에 염기는 'H'를 받을 수 있는 분자이며, 전자쌍을 줄 수 있는 것을 의미한다. 이러한 산-염기의 정의를 통해 생화학 반응에서 수소 이온 농도(pH)와 반응의 진행 정도를 이해할 수 있다."
pH는 수소 이온 농도의 음의 로그 값으로 정의된다. pH가 낮으면 수소 이온 농도가 높아 산성이 되고, pH가 높으면 수소 이온 농도가 낮아 염기성이 된다. pH 7은 중성을 나타낸다.
pKa도 중요한 개념으로, 약산 또는 약염기의 해리도를 나타낸다. pKa는 산의 농도와 염기의 농도 비에 대한 음의 로그값이다. pKa값이 낮을수록 산이 쉽게 해리되어 pH를 낮추고, pKa값이 높을수록 염기가 쉽게 해리되어 pH를 높인다."
생체 내에서 pH와 pKa의 조절은 매우 중요하다. 생물학적 반응은 특정 pH 범위 내에서 최적으로 일어나기 때문이다. 따라서 생체는 완충 시스템을 가지고 있어 외부의 산이나 염기에 의한 pH 변화를 최소화한다. 완충제는 약산과 그 염, 또는 약염기와 그 염으로 구성되어 있으며, 완충제의 비율이 비슷할수록 완충 능력이 커진다."
1.5. 완충제
완충제는 외부에서 산이나 염기가 첨가되더라도 pH 변화가 크게 일어나지 않는 용액이다. 완충제의 작용 원리는 약산과 그 염 또는 약염기와 그 염이 혼합되어 있을 때 이들 간의 평형 때문이다. 완충제를 제조할 때는 약산과 그 염 또는 약염기와 그 염의 비율이 비슷해질수록 완충 용량이 커진다.
대표적인 완충제로는 인산 완충제, 탄산-중탄산 완충제, 히스티딘 완충제 등이 있다.
인산 완충제는 인산(H3PO4)과 인산염(H2PO4-, HPO4...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12