2. 당, 지방산, 아미노산, 뉴클레오타이드 - 세포내 유기 분자

세포 내 분자들

생물체는 기본적으로 탄소화합물로 이루어져 있습니다. 탄소는 다른 4개의 원자와 결합할 수 있어서 거대 분자를 형성할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 세포가 생산하는 탄소화합물을 유기 분자라고 합니다. 세포에는 4가지의 주요 유기 분자가 존재합니다. 4가지 주요 유기 분자는 당, 지방산, 아미노산, 뉴클레오타이드입니다. 세포 내의 작은 유기 분자는 거대한 유기 분자를 형성하기 위한 단량체입니다.

 

1) 당

당류는 세포의 에너지원이며 다당류의 구성단위입니다. 가장 단순한 당은 단당류이며, 이들로 이루어진 분자는 탄수화물이라고 불리기도 합니다. 대부분 탄소, 수소, 산소가 1:2:1의 비율로 이루어져 있습니다 (화학식 : CnH2nOn). 단당류는 공유결합에 의해 더 큰 탄수화물을 형성할 수 있습니다. 2개의 단당류가 결합하면 이당류, 이보다 조금 더 큰 당의 중합체는 올리고당이라고 하며 수천 개의 단당류로 이루어진 거대 중합체는 다당류라고 합니다. 2개의 당의 결합은 물 분자 한 개가 방출되면서 축합되는 탈수축합반응에 의해 일어납니다. 반대로 가역반응인 가수분해가 일어나면 결합이 끊어지게 물 분자 한 개가 소모됩니다. 단당류 중 포도당(C6H12O6)은 생물체의 에너지원으로서 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 세포들은 포도당 단위들로만 구성된 단순한 다당류를 에너지 저장용으로 사용합니다. 녹말은 식물이 에너지를 저장하는 형태이고, 글리코젠은 동물의 에너지 저장 형태입니다. 식물의 세포벽의 셀룰로스도 포도당으로 구성된 다당류입니다. 올리고당은 단백질, 지질과 결합하여 세포 표면에 표지될 수 있으며 세포 신호의 역할을 할 수 있습니다.

 

2) 지방산

지방산은 긴 소수성 탄화수소 꼬리와 친수성 카복실산 머리로 구성되어 있습니다. 친수성인 카복실기는 화학적 반응성이 있어 다른 분자와 공유결합할 수 있습니다. 탄화수소 꼬리의 탄소 원자들이 이중결합을 갖지 않으면 포화상태이며 포화 지방산이라고 불리며, 하나 이상의 이중결합을 갖고 있으면 불포화 꼬리를 갖고 있는 것으로 불포화 지방산이라고 부릅니다. 탄화수소 사슬의 길이와 탄소 간의 이중결합의 수, 위치에 따라 다양한 지방산들이 존재합니다. 지방산은 세포 내에서 영양 비축 물로 사용되며, 같은 무게당 포도당보다 더 많은 유효 에너지를 생산할 수 있습니다. 지방산은 세포질에 트라이아실글리세롤 분자 형태로 저장됩니다. 이것은 3개의 지방산이 글리세롤 분자에 결합한 것입니다. 에너지 공급이 필요해지면 지방산 사슬들은 트라이아실글리세롤로부터 방출되어 2개의 탄소로 된 단위체로 나누어집니다. 이는 포도당이 분해되어 생성되는 물질과 동일하여, 에너지가 부족할 때 포도당과 동일한 에너지 생성반응 경로에 참여합니다. 지방산과 그 유도체들은 지질을 이루는 단위체입니다. 지질은 물에 녹지 않고 유기용매에 녹는 특성을 가지고 있습니다. 이런 지방산의 세포 내에서의 역할은 세포막을 만드는 것입니다. 이러한 세포막은 주로 인지질로 이루어져 있습니다. 인지질은 글리세롤에 2개의 지방산이 결합하고, 글리세롤의 세 번째 탄소에 친수성인 인산이 결합되어 있습니다. 따라서 인산에 의해 머리 부분이 친수성을 띱니다. 이에 따라 양친매적인 성질을 가지게 되고, 수용성 환경에서 인지질이중층을 이루게 됩니다.

 

3) 아미노산

아미노산은 알파(α) 탄소에 아미노기(–NH2), 카복실기(–COOH), 수소 원자(–H), 곁사슬(–R)이 결합하여 있는 화합물입니다. 아미노기와 카복실기는 생리적인 조건에서는 –NH3+ 와 –COO− 형태로 존재합니다. 하나의 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카복실기 사이에서 공유결합 일어나면 2개의 아미노산이 하나의 중합체를 이루게 됩니다. 이 결합을 펩타이드 결합이라고 하며 아미노산 사슬을 폴리펩타이드라고 합니다. 이에 따라 폴리펩타이드는 한쪽 끝은 아미노기, 다른 한쪽 끝은 카복실기를 갖는 방향성을 가져다줍니다. 아미노산이 결한된 중합체를 단백질이라고 합니다. 단백질에서 20종류의 아미노산이 발견되며, 각 아미노산은 알파 탄소에 붙어 있는 서로 다른 곁사슬을 가지고 있습니다. 곁사슬이 산성, 염기성, 전하를 띠지 않은 극성, 비극성인지에 따라 아미노산의 성질이 달라지고 이는 단백질의 기능의 근간이 됩니다. 단백질은 저마다의 구조를 가지고 있습니다. 단백질은 4가지 구조가 존재합니다. 단백질에서 아미노산의 서열을 1차 구조라고 합니다. 1차 구조에 의해 형성된 단백질 분자가 아미노산의 분자구조로 인하여 일정한 각도로 구부러진 베타구조나 꼬인 형태인 알파나선 구조를 갖추게 되는데 이를 2차 구조라고 합니다. 이 구조는 주변 아미노산 간의 수소결합을 통해 구조가 유지됩니다. 2차 구조를 가진 단백질이 곁사슬들 사이의 소수성결합, 수소결합, 정전기적 인력, 이황화 결합에 의해 특정 입체구조를 가지게 된 것을 3차 구조라고 합니다. 3차 구조를 가진 단백질 분자가 둘 이상이 모여서 하나의 집합체를 형성한 것을 4차 구조라고 합니다. 단백질은 생물체 내에서 구조적, 기능적 역할을 수행할 수 있습니다. 대표적인 예로 효소가 있습니다. 효소는 생물체가 살기 위해 필요한 화학반응을 촉매하여 수많은 물질대사에 관여합니다.

 

4) 뉴클레오타이드

튜클레오타이드은 5탄당에 연결된 질소를 포함한 고리 화합물로 구성되어 있습니다. 이러한 당은 리보스나 데옥시리보스이면, 한 개 이상의 인산기를 가지고 있습니다. 질소를 포함하는 고리를 염기라고 부릅니다. 뉴클레오타이드의 인산기와 다음 뉴클레오타이드의 당 사이에서 -> 포스포다이에스터 결합에 의해 연결되어 중합체를 형성한 것이 핵산입니다. 이때, 당이 리보스면 RNA(리보핵산)라고 하며 염기로는 A,G,C,U를 포함합니다. 데옥시리보스를 가지고 있으면 DNA(데옥시리보핵산)라고 하며, 염기로는 A,G,C,T를 가지고 있습니다. 폴리뉴클레오타이드의 염기 서열에 의해 유전정보가 암호화되어 있습니다. RNA는 단일 가닥의 폴리뉴클레오타이드 형태이고 DNA는 2개의 가닥이 수소결합에 의해 결합된 이중나선 구조를 이루고 있습니다.

 

이번 포스팅에서는 세포 내의 유기 분자들과 그들의 중합체에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 생체 내에서 일어나는 물질대사에 대해 알아보도록 하겠습니다.