글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/생물체를 만드는 물질/생물체를 만드는 유기물

생물체는 앞에서도 말했듯이 많은 방과 부대 설비를 갖춘, 세포라는 하나의 건축물로 비유할 수 있는 구조를 갖고 있다. 다세포 생물은 세포가 살아 가기 위한 여러 가지 내부 환경을 갖추고 있다. 즉, 상하수도나 물질의 유통 기구에 해당하는 체액, 생물체를 지탱하는 골격, 외부를 차단하는 장벽에 해당하는 구조 등을 갖추고 있는데, 이들은 모두 세포의 생산물이다.

세포의 주요 건축 재료인 원형질은 단백질·당질·지질로 구성되어 있는데, 그 구조의 뼈대와 작용의 주체는 단백질이다. 이 단백질의 구조와 성질을 결정하는 정보, 바꾸어 말하면 세포 건축 계획의 도면을 암호로 갖고 있는 것이 바로 핵산이다. 이들 유기 화합물 중 단백질·핵산 및 당질의 다당류는 생체 고분자 화합물이라 불리며, 가수 분해하면 각기 소재 성분인 아미노산·뉴클레오티드·단당류 등의 저분자 화합물로 분해된다. 이를 단량체라고 한다. 단량체가 결합하여 다량체가 되는 것이 단백질·핵산 및 다당류로, 그 공통된 기본 구조는 하나의 축을 갖는 나선 구조이다.

단백질

蛋白質

단백(蛋白)은 원래 새알의 흰 부분을 말하며, 세포의 구조를 인식하지 못하고 원형질이라고 부르고 있었을 때부터 그 주성분은 16%의 질소를 함유하는 난백상 물질(단백질)이라는 것이 밝혀졌다. 1838년 무렵부터 단백질은 생명에 가장 중요한 것이라고 생각하게 되어 프로테인(가장 중요한 것)이라고 불렀다.

단백질은 세포나 조직의 구성 성분일 뿐 아니라 손톱·털·깃 등을 만들며, 효소의 주성분으로 여러 가지 물질의 화학 변화에 촉매로 작용한다. 또한 근육이 수축하는 것도 몇몇 단백질의 작용 때문이며 호흡에 필요한 효소 성분을 저장하거나 운반하는 것은 일종의 색소 단백질이다. 항체는 면역에 관계하는 단백질이며, 호르몬으로 작용하는 단백질도 몇 가지 알려져 있다.

아미노산

amino酸

단백질을 산(6N 염기)과 함께 장시간(10-24시간) 가열하면 단량체인 아미노산으로까지 분해된다. 단백질을 만드는 아미노산은 약 20종 있으며, 모두 L형 α- 아미노산으로, R－CH(NH2)COOH라는 공통된 화학식으로 나타낸다. 카르복실기(－COOH)는 그 수소 원자를 H+로서 방출하기 쉬운 산의 성질을 갖고 있으며, 아미노기(－NH2)는 H+와 결합하여 염기 성질을 갖는다. R은 아미노산의 개성을 나타내는 측쇄(側鎖)로서, H(글리신)나 CH3(알라닌) 같은 간단한 것부터 C가 사슬 모양이나 고리 모양으로 결합한 복잡한 것까지 약 20종 이상 있다.

펩티드

Peptide

어떤 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이에서 －CO－NH－라는 결합이 생겨 그 때마다 HO－H, 즉 물 한 분자가 없어지면 아미노산이 사슬처럼 몇 개 연결된 분자가 된다. 이를 총칭하여 펩티드라고 하며, －CO－NH－ 결합을 펩티드 결합이라고 한다. 그러나 펩티드라는 것은 원래 단백질을 산이나 알칼리와 함께 가열하거나 단백질이 펩신 등의 소화 효소에 의해 소화 분해될 때 생기는 중간 생성물군(群)에 주어진 명칭이었다.

펩티드는 그것을 만드는 아미노산 분자수를 나타내는 수사(그리스어)를 앞에 붙여 지(2), 트리(3), 테트라(4), … 올리고(10 이하의 소수, 분자량 1,000 이하), 폴리(다수) 펩티드 등으로 부른다. 생물체에는 펩티드로 중요한 역할을 하는 글루타티온(트리펩티드), 하수체(下垂體) 후엽 호르몬(옥타펩티드), 하수체 전엽의 부신 피질 자극 호르몬(ACTH)이나 색소 세포 자극 호르몬(MSH) 등의 폴리펩티드 등이 있다.

일차, 고차 구조

一次, 高次構造

폴리펩티드와 단백질은 종종 혼동해서 쓰이는데, 일반적으로 구성 아미노산 분자수가 50 이상, 분자량이 수천, 수만 이상이 되면 폴리펩티드는 복잡한 입체 구조를 갖게 되어 단백질다운 성질을 나타낸다. 각 단백질의 특유한 성질은 그 고유한 구조에 바탕을 두지만 그 구조는 결국 어느 아미노산이 어떻게 배열하는지에 따라 정해진다. 폴리펩티드의 아미노산 배열을 일차 구조라고 하며, 이것은 유전자인 DNA에 의해 정해진다. 폴리펩티드의 카르복실기(－CO)와 아미드기(－NH) 사이에 수소 결합을 낳아 단백질이 나선형 등 입체적으로된 것을 이차 구조라고 한다. 그리고 폴리펩티드의 아미노산 측쇄 사이에 새로운 위치 관계가 생겨 나선형이 구부러져 복합화한 것을 3차 구조라고 하며, 단백질 한 분자 속에 두 개 이상의 폴리펩티드 사슬이 포함되어 생긴 구조를 단백질의 4차 구조라고 한다. 51개의 아미노산으로 이루어진 인슐린은 가장 대표적인 단백질이다. 영국의 상거가 처음 그 구조를 밝히는 데 10년(1944-1954)이나 걸렸는데, 그 후 분석법이 개량되어 많은 단백질의 아미노산 배열이 결정되고 있다.

길다란 펩티드 사슬에는 무질서한 공간 배치를 나타내는 랜덤 구조, 코일 모양으로 감긴 나선 구조(α－헤릭스), 골함석 모양의 플리츠 시트 구조(β－구조)가 있다. 또 한 개의 폴리펩티드가 꺾여들어가 부분적으로 이들 구조 부분을 합친 것(미오글로젠), 그리고 몇 개가 서로 합쳐져 꼬인 섬유 모양의 것(피브리노겐) 등 하나의 거대한 입상(粒狀) 분자가 되는 것이 있다.

핵산

핵산(뉴클레오티드)에는 핵 속의 염색체 성분인 디옥시리보 핵산(DNA)과 핵 내부에서 만들어진 뒤 세포질에 나가 작용하는 리보 핵산(RNA)이 있다. 미토콘드리아·색소체 등에도 작지만 DNA가 존재한다.

DNA는 디옥시리보뉴클레오티드, RNA는 리보뉴클레오티드가 반복해서 결합된 긴 사슬 모양의 다량체이다. 단량체인 뉴클레오티드는 모두 5탄당(DNA는 디옥시리보오스, RNA는 리보오스), 인산 및 푸린 염기(아데닌：A와 구아닌：G) 또는 피리미진 염기(티민：T 또는 우라실：U와 시토신：C)으로 이루어지며, 단량체끼리는 당과 인산이 교대로 연결되어 분자의 뼈대가 만들어진다. 핵산의 성질은 당에 붙는 염기의 배열 방법의 차이에 의한다.

DNA

DNA 분자 구조의 모델은 1953년에 와트슨과 클릭에 의해 만들어졌다. 그들에 따르면 일반적으로 DNA 분자의 대부분은 시계 방향, 즉 오른쪽으로 감긴 폴리뉴클레오티드 사슬이 머리와 꼬리를 반대로 하여 두 가닥으로 감은 이중 나선 구조를 하고 있다. 두 가닥의 사슬은 대응하는 푸린 염기와 피리미진 염기가 다수의 약한 수소 결합으로 맺어져 안정되어 있다. 대응하는 염기는 항상 A와 T, G와 C이므로 염기의 배열법에 대해 두 가닥의 사슬은 반대 방향성을 갖게 된다. 다시 말해서 대응하는 염기의 종류가 정해져 있기 때문에 이중 나선의 한쪽 나선상의 염기의 종류와 배열을 알면 다른쪽 나선상의 배열은 자동적으로 정해진다. 이와 같은 관계를 상보적(相補的)이라 한다. DNA의 유전자로서의 정보는 염기의 배열에 조립되어 있으므로 이 DNA 분자의 구조는 복제와 전사(轉寫)라는 두 가지 작용을 다할 수 있도록 잘 만들어져 있다.

복제는 DNA 분자 의 유전 정보가 딸세포에 들어가는 것을 만드는 것이다. 만약 이중 나선이 풀어져 각각의 나선이 대응하는 핵산 염기를 함유하는 뉴클레오티드를 끌어당겨, 끌어당겨진 것이 서로 연결되어 새로운 나선을 만들면 처음의 이중 나선과 핵산 염기가 완전히 같은 이중 나선이 두 개 만들어진다. 이것이 DNA의 자기 복제이다.

이때 새로운 이중 나선에는 처음의 이중 나선이 하나씩 들어 있기 때문에 반보존적 복제라고 한다. 전사(轉寫)는 DNA 분자 정보를 RNA 합성에 의해 판독할 수 있다. RNA에 전사된 정보는 대부분 단백질 합성으로 번역되어 그 단백질의 작용(효소 작용) 결과 만들어진 산물 형태로 구체적으로 발현된다.

RNA

RNA는 DNA에 비해 당이 다른 것, A와 쌍을 이루는 피리미진 염기는 T가 아니라 U라는 것 등 사소한 점은 다르지만 모두 아주 비슷한 기본 구조를 가진 하나의 폴리뉴클레오티드 사슬이다. 그 하나의 나선 속에서 대응하는 염기쌍이 결합하여 분자의 일부에 이중 나선 구조를 볼 수 있는 경우도 있다.

세포에는 단백질 합성에 관계하는 세 종류의 RNA가 있다. (1)운반 RNA(이전 RNA, tRNA, sRNA)―가장 작은 RNA로, 아미노산을 리보좀으로 운반하는 역할을 한다. 아미노산의 종류에 따라 각기 구조가 다른 운반 RNA가 있으며, 20가지 이상의 다른 형태가 있다. 그 일부분은 모두 공통된 구조를 갖고 있으며, 여기에 활성화 아미노산을 결합하여 리보좀까지 운반한다.

(2)리보좀 RNA―아미노산을 연결하여 폴리펩티드 합성을 실제로 행하는 곳은 리보좀이다. 이것은 RNA와 단백질로 구성된 입자이다. 이 RNA가 리보좀 RNA로, 리보좀의 약 절반을 차지하며, 세포 전체 RNA의 대부분을 차지한다.

(3)전령 RNA(메신저 RNA, mRNA)―전사(轉寫) 단계에서 개개의 아미노산을 지정하는 암호(코돈)를 뉴클레오티드 염기의 세 문자(트리플레트)로 정보를 갖도록 만들어진 RNA이다. A, G, U, C 네 종류의 염기로 43＝64의 암호를 만들 수 있다. 전령 RNA는 리보좀과 결합하여 폴리좀이라는 복합체를 만든다. 그리고 운반 RNA에 의해 운반된 아미노산을 리보좀에서 분리하여 폴리펩티드도 방출한다.

뉴클레오시드 3인산(NTP)

nucleoside三燐酸(－)

뉴클레오티드는 한 개의 인산을 함유하며, 뉴클레오시드 1인산이라는 별명을 갖고 있다. 그 인산이 2개, 3개 연결된 것은 각각 뉴클레오시드 2인산, 뉴클레오시드 3인산이라고 한다. 핵산은 각기 네 종류의 뉴클레오시드 3인산(NTP)으로 만들어지며, RNA로는 아데노신 3인산(ATP), 구아신 3인산(GTP), 우리진 3인산(UTP), 시티진 3인산(CTP)이 직접 재료가 된다. DNA의 재료가 되는 NTP도 위에서 말한 각 NTP에서 뉴클레오시드 2인산(NDP) 단계의 것을 소재로 하여 만들어진다.

또 NTP가 NDP가 될 때 큰 화학 에너지를 방출한다. 에너지 운반에 가장 많이 쓰이는 것은 ATP이며, NDP에서 NTP를 생성할 때에도 ATP가 필요하다. 여러 가지 세포질이 세포내에서 만들어질 때는 언제나 에너지가 필요하며, 그 공급원으로서 ATP 외에 단백질 합성에는 GTP, 당질 합성에는 UTP, 지질 합성에는 CTP가 일반적으로 필요하다.

당질

히드록실(OH)기를 가진 탄소가 사슬 모양 또는 그 사슬이 O(산소)를 매개로 고리 모양으로 결합한 알데히드나 케톤을 당(糖)이라고 한다. 이는 탄소의 수에 따라 크게 5탄당(예：핵산의 당), 6탄당(예：포도당·과당) 등으로 나눌 수 있다. 그 밖에 아미노기나 카르복실기 등을 가진 당도 있으며, 이를 모두 합쳐 당질이라고 한다.

당질은 아미노산 탄소의 뼈대를 만들거나 에너지원이 되는 등 아주 중요한 역할을 하며, 또한 단백질이나 지질과 함께 세포의 구성 성분이 되기도 한다. 당질끼리 다수 결합하여 만들어진 다당류로는 세포내에서는 전분과 글리코겐 등이 있으며, 세포 밖에는 세포막의 바깥쪽을 덮는 글리코칼릭스(당의 외피)가 있다. 글리코칼릭스는 식물 세포에서는 세포의 형태를 지탱하고 보호하는 두꺼운 세포벽을 구성하는데, 동물 세포에서는 전자 현미경으로도 관찰할 수 없을 정도로 미미하다. 적혈구에 있는 응집원처럼 이들 다당류는 세포의 특이성을 나타내는 일종의 표지로서도 작용한다.

지질

물에는 녹지 않고 에테르·클로로포름 등의 유기 용매에는 잘 녹는 여러 물질을 총칭하여 지질이라고 한다. 가장 대표적인 지질로는 지방·인지질·당지질·스테로이드·카로티노이드 등이 있다.

지방

脂肪

에너지의 저장 형태인 지방은 가수 분해에 의해 글리세린 한 분자와 지방산 3분자를 생성한다. 지방산은 사슬 모양의 탄화수소의 한쪽 끝에 카르복실기를 가진 유기산이다.

인지질과 당지질

燐脂質－唐脂質

지방의 지방산 한 개가 인산으로 치환되거나 그 인산에 코린 등의 물질이 결합한 것이 인지질로, 당을 함유하는 당지질과 함께 중요한 세포 구성 성분이 되고 있다.

스테로이드

Steroid

스테로이드는 지방산을 함유하지 않고, 5개와 6개의 탄소로 이루어진 고리가 네 개 결합된, 공통의 기본 구조를 가진 물질이다. 동물에 많은 콜레스테롤은 세포막의 중요한 구성 성분이며, 또한 생체막이나 부신 피질 호르몬 및 담즙산의 모체이다.

카로티노이드

Carotinoid

카로티노이드는 광합성을 돕고 자외선의 유해 작용을 막는 일종의 식물 색소인데, 동물에서는 비타민 A의 모체로서 도움을 주고, 시력에도 관계한다.