세포의 화학 성분
살아 있는 조직과 흙덩이에는 같은 종류의 원소(탄소, 수소, 산소, 질소 등)가 들어 있어요. 하지만 살아 있는 조직에는 탄소와 수소가 훨씬 많아요. 탄소 화합물을 찾아내려면 간단한 분석을 해요.
- 살아 있는 조직을 트라이클로로아세트산(Cl₃CCOOH)과 함께 갈아 죽처럼 만들어요.
- 천이나 솜으로 걸러요.
- 걸러져 나온 액체 = 산에 녹는 무리(여과액)예요. 아미노산, 당, 뉴클레오타이드 같은 작은 분자가 들어 있어요.
- 남은 것 = 산에 녹지 않는 무리(잔여물)예요. 단백질, 핵산, 다당류, 지질이 있어요.
조직을 태우면(회화) 탄소 화합물은 모두 사라져요. 남은 재에는 칼슘, 마그네슘 같은 무기 원소와 황산염, 인산염 같은 화합물이 있어요.
작은 분자는 분자량이 18~800 Da이고 녹는 무리에 있어요. 거대 분자(생체 고분자)는 10,000 Da보다 커요. 단백질, 핵산, 다당류가 여기에 속해요. 지질은 800 Da보다 작은데도 녹지 않는 무리에 들어가요. 갈 때 깨진 막이 녹지 않는 작은 주머니(소포)를 만들기 때문이에요.
보통 세포의 무게 비율: 물 70~90%, 단백질 10~15%, 핵산 5~7%, 탄수화물 3%, 지질 2%, 이온 1%.
단백질: 아미노산 사슬
아미노산은 가운데 탄소(α-탄소)에 네 가지가 붙어 있어요. 수소, 아미노기(–NH₂), 카복실기(–COOH), 그리고 달라지는 R기예요. R기가 아미노산의 종류를 정해요. R = H이면 글리신, R = CH₃이면 알라닌, R = CH₂OH이면 세린이에요. 아미노기와 카복실기에 따라 산성(글루탐산), 염기성(라이신), 중성(발린)으로 나뉘고, 일부는 방향족(타이로신, 페닐알라닌, 트립토판)이에요. 용액 속에서 어떤 pH가 되면 아미노산은 + 전하와 – 전하를 함께 가져요. 이것을 쌍성이온이라고 해요.
아미노산은 물이 빠지면서 펩타이드 결합(–CO–NH–)으로 이어져 폴리펩타이드가 돼요. 단백질은 최대 20종류의 아미노산으로 된 이종 중합체예요. 필수 아미노산은 음식으로 먹어야 하고, 비필수 아미노산은 몸이 만들 수 있어요.
구조의 네 단계
- 1차: 아미노산의 순서예요. N-말단(처음)에서 C-말단(끝)까지예요.
- 2차: 사슬의 일부가 오른나사 방향의 나선으로 꼬이거나 판 모양이 돼요.
- 3차: 사슬이 털실 뭉치처럼 스스로 접혀요. 일하는 데 필요한 3D 모양이에요.
- 4차: 두 개 이상의 사슬이 맞물려요. 사람의 헤모글로빈 = α 2개 + β 2개 소단위예요.
하는 일: 콜라겐(동물에서 가장 많은 단백질), 루비스코(생물권에서 가장 많은 단백질), 트립신(효소), 인슐린(호르몬), 항체(방어), GLUT-4(포도당을 세포 안으로 운반), 수용체(냄새, 맛, 호르몬을 느낌).
탄수화물(다당류)
당은 C, H, O로 이루어져요. 포도당과 리보스는 단당류예요. 두 개가 글리코사이드 결합으로 이어지면 이당류(설탕, 젖당, 엿당)가 돼요. 긴 사슬은 다당류이고 녹지 않는 무리에 있어요.
- 녹말 – 식물의 양분 저장고예요. 나선 모양의 꼬임이 아이오딘을 붙잡아 푸른색을 내요.
- 셀룰로오스 – 식물 세포벽(면, 종이)에 있는 포도당 단일 중합체예요. 나선이 없어서 아이오딘과 푸른색을 내지 않아요.
- 글리코젠 – 동물의 양분 저장고이고 가지가 많아요.
- 이눌린 – 과당의 중합체예요.
- 키틴 – 글루코사민 같은 아미노당으로 된 복잡한 다당류예요. 곤충 겉뼈대와 곰팡이 세포벽에 있어요.
다당류 사슬에서 오른쪽 끝은 환원성 말단, 왼쪽 끝은 비환원성 말단이에요.
지질
지질은 물에 녹지 않아요. 지방산은 카복실기에 탄소 사슬(R기)이 붙은 것이에요. 팔미트산은 카복실 탄소를 포함해 탄소가 16개, 아라키돈산은 20개예요. 이중 결합이 없으면 포화, 하나 이상 있으면 불포화예요. 글리세롤(트라이하이드록시프로페인)에는 지방산이 최대 3개 붙어요. 지방산 수에 따라 모노-, 다이-, 트라이글리세라이드가 되고, 이것이 지방과 기름이에요. 기름은 더 낮은 온도에서 녹아요(예: 참기름). 레시틴 같은 인지질은 인산기가 있고 세포막을 이뤄요. 신경 조직에는 더 복잡한 지질이 많아요. 지질은 엄밀히 말해 거대 분자도 중합체도 아니에요.
핵산
뉴클레오타이드는 세 부분으로 이루어져요. 질소 염기, 5탄당, 인산이에요. 염기 + 당만 있으면 뉴클레오사이드예요(아데노신, 구아노신, 티미딘, 유리딘, 시티딘).
- 퓨린(고리 2개): 아데닌, 구아닌. 피리미딘(고리 1개): 사이토신, 타이민, 유라실.
- DNA: 디옥시리보스 당, 염기 A, G, C, T, 이중 나선이에요. A는 T와 수소 결합 2개로, G는 C와 3개로 짝을 지어요.
- RNA: 리보스 당, 염기 A, G, C, U, 보통 한 가닥이에요.
핵산에서는 인산이 한 당의 3′ 탄소와 다음 당의 5′ 탄소를 이어요. 이것이 인산다이에스터 결합이에요. 왓슨-크릭(B-DNA) 모형에서는 두 가닥이 서로 반대 방향이고, 한 바퀴에 염기쌍이 10개 있어요. 염기쌍 하나의 높이는 0.34 nm이고, 한 바퀴의 길이는 3.4 nm예요.
효소: 종류, 성질, 작용
효소는 생물의 촉매예요. 거의 모두 단백질이고, 일부 핵산도 효소처럼 일하며 리보자임이라고 불러요. 효소는 반응을 빠르게 하고 자신은 변하지 않은 채 나와요.
어떻게 작용할까
효소마다 활성 부위라는 주머니가 있고, 여기에 기질이 꼭 맞아요. E + S → ES(효소-기질 복합체) → EP → E + P예요. 모든 반응은 시작하는 데 에너지가 필요해요. 이것이 활성화 에너지예요. 효소는 이것을 낮춰서 반응이 훨씬 빨라져요. 예를 들어 탄산탈수효소는 CO₂ + H₂O → H₂CO₃ 반응을 약 1,000만 배 빠르게 해요(시간당 약 200개 대신 초당 약 600,000개 분자).
효소 활성에 영향을 주는 요인
- 온도와 pH: 효소마다 가장 잘 일하는 값(최적)이 있어요. 낮은 온도에서는 한동안 활동하지 않을 뿐이고, 높은 온도는 효소를 변성시켜요(모양이 망가져요).
- 기질 농도: 속도가 올라가다가 모든 활성 부위가 차면 Vmax에서 더 오르지 않아요. Km = 속도가 Vmax의 절반일 때의 기질 농도예요.
- 저해제: 경쟁적 저해제는 기질과 모양이 비슷해서 활성 부위를 막아요. 예를 들어 말론산은 석신산 탈수소효소를 막아요. 이런 저해제는 세균을 막는 데 쓰여요.
여섯 부류
- 산화환원효소/탈수소효소 – 두 기질 사이에서 H나 전자를 옮겨요.
- 전이효소 – 기질 사이에서 (H가 아닌) 작용기를 옮겨요.
- 가수분해효소 – 물을 써서 에스터, 에터, 펩타이드, 글리코사이드, C–C, P–N 결합을 끊어요.
- 분해효소(리아제) – 물 없이 작용기를 떼어 내고 이중 결합을 남겨요.
- 이성질화효소 – 한 이성질체를 다른 이성질체로 바꿔요.
- 연결효소(리가아제) – 두 화합물을 이어요(예: C–O, C–S, C–N, P–O 결합).
보조인자
효소의 단백질 부분은 아포효소예요. 많은 효소는 단백질이 아닌 도우미가 필요해요. 보결족(단단히 붙어 있음, 예: 퍼옥시데이스와 카탈레이스의 헴), 보조효소(느슨하게 붙어 있음, 대개 비타민에서 만들어짐, 예: NAD와 NADP에는 나이아신이 들어 있음), 금속 이온(예: 카복시펩티데이스에는 아연)이 있어요. 보조인자를 떼어 내면 효소는 일하지 못해요.
직접 해 보기: 일하는 효소 관찰
아무것도 안 넣은 밥이나 얇은 빵 조각을 삼키지 말고 2분 동안 씹어 보세요. 단맛이 나기 시작해요. 침 속 아밀레이스가 녹말을 당으로 쪼개기 때문이에요. 이제 열의 영향을 알아봐요. 생감자 조각에 아이오딘 한 방울을 떨어뜨려요(청흑색 = 녹말). 그다음 생감자와 삶은 감자를 잘라 각각에 과산화수소(약국에서 구함)를 한 방울 떨어뜨려요. 생감자는 카탈레이스 효소가 일해서 거품이 나요. 삶은 감자는 열이 효소를 변성시켰기 때문에 거의 거품이 나지 않아요. 3D의 6단계와 연결해 보세요.
핵심 공식과 정의
- 산에 녹는 무리: 작은 분자(18–800 Da); 산에 녹지 않는 무리: 단백질, 핵산, 다당류(> 10,000 Da) + 지질
- 아미노산: α-탄소 + H + –NH₂ + –COOH + R기
- 펩타이드 결합: –CO–NH–; 글리코사이드 결합(당); 에스터 결합(지방); 인산다이에스터 결합(핵산)
- 단백질 구조: 1차 → 2차 → 3차 → 4차
- 뉴클레오타이드 = 염기 + 5탄당 + 인산; 뉴클레오사이드 = 염기 + 당
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- 효소 부류: 산화환원효소, 전이효소, 가수분해효소, 분해효소(리아제), 이성질화효소, 연결효소(리가아제)
- 완전효소 = 아포효소 + 보조인자(보결족 / 보조효소 / 금속 이온)
풀이 예제
1. 간 조직을 트라이클로로아세트산에 갈아 거릅니다. (a) 포도당, (b) DNA, (c) 인지질은 각각 어느 부분에서 찾을 수 있나요?
(a) 포도당은 작아서 → 여과액(산에 녹는 무리). (b) DNA는 거대 분자라서 → 잔여물(산에 녹지 않는 무리). (c) 인지질은 작지만 깨진 막이 소포를 만들기 때문에 산에 녹지 않는 무리에 남아요.
2. DNA 조각이 염기쌍 20개로 이루어져 있어요. 이중 나선은 몇 바퀴이고 길이는 얼마인가요?
한 바퀴 = 10 bp이므로 20 ÷ 10 = 2바퀴예요. 길이 = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm예요.
3. 어떤 DNA 분자에 아데닌이 30% 있어요. 구아닌의 비율을 구하세요.
A = T이므로 T = 30%예요. A + T = 60%이므로 G + C = 40%예요. G = C이므로 G = 20%예요.
4. 단백질 구조의 단계 이름을 말하세요. (a) 아미노산의 순서, (b) 헤모글로빈의 사슬 4개, (c) 나선.
(a) 1차, (b) 4차, (c) 2차.
5. 어떤 효소가 P–O 결합을 만들어 DNA 두 조각을 이어요. 이 효소는 어느 부류인가요?
새 결합으로 두 분자를 이으므로 → 연결효소(DNA 리가아제)예요.
6. 어떤 효소의 Vmax = 100 단위예요. 기질 농도가 Km과 같을 때 속도는 얼마인가요?
Km은 속도가 Vmax의 절반일 때의 기질 농도예요. 100 ÷ 2 = 50 단위예요.
자주 하는 실수
- 지질을 거대 분자라고 말하는 것. 지질은 800 Da보다 작아요. 막이 소포를 만들기 때문에 산에 녹지 않는 무리에 들어갈 뿐이에요.
- 낮은 온도가 효소를 변성시킨다고 생각하는 것. 추위는 한동안 활동하지 못하게 할 뿐이고, 높은 온도가 모양을 망가뜨려요.
- 뉴클레오사이드와 뉴클레오타이드를 헷갈리는 것. 뉴클레오사이드에는 인산이 없어요. 뉴클레오타이드 = 뉴클레오사이드 + 인산이에요.
- 셀룰로오스가 아이오딘에 푸르게 변한다고 말하는 것. 나선이 아이오딘을 붙잡는 녹말만 변해요. 셀룰로오스에는 나선이 없어요.