생화학 개론

생명체  생체 분자의 합성 이온과 분자의 세포막 통과 세포의 운동 노폐물의 제거

생화학 반응(biochemical reaction) 1) 친핵성 치환 반응 친핵체: 음(-)이온 또는 비결합성 전자쌍(non-bonding electron pair)

가수분해(hydrolysis) : 물분자의 산소가 친핵체로 쓰이는 반응

2) 제거반응: 한 분자 내 원자들 제거, 이중결합 형성

3) 첨가반응 - 두 분자가 결합하여 하나의 생성물 형성 - 수화반응(hydration) : 대표적 첨가반응, 물분자(H2O) 첨가

4) 이성질화 반응 : 같은 분자 내 원자나 화학군이 이동하여 발생

5) 산화-환원 반응 전자수용체(산화제, oxidazing agent)에 전달 할 때 - 전자를 공여체(환원제, reducing agent)로부터 전자수용체(산화제, oxidazing agent)에 전달 할 때 - 전자를 주면 산화(oxidized), 전자를 받으면 환원(reduced) - 산화와 환원은 동시에 발생 - 한 분자가 산소를 얻거나 수소를 잃으면 산화(에틸알코올 → 아세트산) - 한 분자가 산소를 잃거나 수소를 얻으면 환원(아세트산 → 에틸알코올) 

다세포생물(인간)의 계층

대사(metabolism) - 동화 과정(anabolic pathway) :작은 전구물질 → 크고 복잡한 분자 합성, 에너지 소모 - 이화 과정(catabolic pathway) : 크고 복잡한 분자 → 작은 물질로 분해, 에너지 방출

생물체가 자신의 생명유지를 위해 필요 모든 세포에서 이용되는 에너지 형태는 ATP이다. 세포는 대사과정에서 형성되는 모든 물질을 저장할 수 있다. 에너지 : glycogen 이나 triacylglycerol로 저장될 때 ATP가 사용 대사는 세포 내 여러 소 기관에서 일어난다. 대사 과정에 관여하는 중간물질은 자유로이 세포를 떠날 수 있다. 세포 내 대사는 다양한 기전에 의해 조절샘

생체분자(biomolecule) 주로 C, H, O, N, P, S 등으로 구성 미량의 금속과 비금속원소 포함 결합 형태 : 주로 공유 결합  탄화수소(hydrocarbon)로부터 유래 소수성(hydrophobicity) 작용기에 의해 유도체 분자들의 화학적 성질 결정 생물체의 구조, 기능 및 정보전달에 사용 생체분자(biomolecule)

생명현상을 이루는 화학의 기초 탄소의 결합 성질 탄소(C) : 원자 번호 6, 원자량 12, 여러 종류의 원자들과 안정적인 공유결합을 형성 생물학적으로 중요한 탄소 결합 : 수소(H), 질소(N), 산소(O), 황(S), 인산(P) 결합형태 : 단일, 이중, 삼중 결합을 형성 탄소원자는 4개의 원자 결합이 형성 가능 : 탄소원자의 결합의 다양성을 제공 탄소 결합의 배열 : 직선상, 가지상, 고리모양 탄소분자의 결합은 생체분자의 골격 구조를 형성하는 데 주요 탄소와 N, H, O, S 원자의 결합 : 작용기의 함입을 허용 -> 생체 혼합물의 보다 광범위한 화학적 변화를 유발

생체 분자의 종류

생체분자의 구조와 기능에 영향을 미치는 힘 공유결합 : 매우 안정되고 생리적 조건에서는 파괴되지 않는 결합, 강한 결합 비공유결합 : 생물학 기능과 생체 분자의 조절에 중요, 약한 결합 - 반데르발스힘, 수소결합, 이온결합, 소수성결합

생체 분자의 중요한 작용기

세포(Cell) 원핵세포 : 단일세포 세포 내 소기관이 없음, 단일 염색체, 단순한 이중가닥 DNA, 다공성의 세포벽(세포의 형태유지, 보호), 운동성(편모, 섬모), 세포막(선택적 투과)

진핵세포: 막에 둘러싸인 핵, 세포내 소기관이 존재, 많은 염색체, DNA와 단백질이 함께 구성

1) 세포막 점액다당(세포 보호 분비물), 당지질(탄수화물 및 지질 분자), 당단백질 (탄수화물과 지질 결합물질)로 구성 단백질, 지질 및 이중층 배열이 동일한 비율로 구성 분자이온과 물의 선택적 유입 및 유출에 대한 역할 Na+, K+등 많은 능동수송 체계들을 가짐

2) 핵 세포 내 염색체를 포함하는 세포 소기관 진핵세포의 필수 성분 핵과 세포질 사이의 물질교환이 허용 되는 구멍, 얇은 핵막에 의해 둘러싸여 있음 핵질에는 DNA와 단백질의 복잡한 구조로 된 섬유상 구조인 염색체가 존재 단백질 합성을 위한 유전정보의 전사과정은 핵에서 진행 핵소체 : 특정 염색체의 특별한 부분과 관련, RNA가 특징적으로 풍부 (라이보소체, RNA를 합성하는 장소이기 때문)

3) 사립체(미토콘드리아) 세포의 에너지생산 공장 이중 세포막 기관(내막 – 바탕질, 효소가 풍부, 외막) 산화 - 호기성 호흡(이산화탄소와 물 분자 생산), ATP 변환 다양한 고분자 성분의 합성에 필요한 DNA를 가짐

4) 거친면, 매끈면 세포질세망(조면, 활면 소포체) 진핵세포의 세포질 전체로 퍼져 잇는 가는 관 구조의 평평하며 서로 연결된 단일막 소포의 체계(시스터나, 세관으로 구성) - 세포에서 생성된 화합물이나 호르몬, 단백질 등을 수송(단백질의 통로로 기능) 골지체로 합성된 단백질을 운반하는 기능을 담당 거친면 세포질세망(조면소포체) 세포질세망의 일부분의 외부 표면에 라이보소체가 부착(표면이 거칠어 보임), 부착된 라이보소체가 단백질의 합성 매끈면 세포질세망 세포질세망에 라이보소체가 없는 매끄러운 부분 스테로이드 생합성 및 해독 기전을 담당

5) 골지체 층층이 쌓인 평평 단일막 소포(시스테나)로 구성 세포질세망에서 만들어진 단백질들의 변형이 일어남(단백질이 올바른 기능을 수행하기 위해 필요) 단백질을 분비하는 세포(이자세포)의 골지체 - 합성된 물질을 분리, 농축하는 역할, 분비가 된 후 새롭게 합성된 단백질을 저장

6) 용해소체(라이소좀) 작은 단일막 소포 DNA, RNA를 분해할 수 있는 핵산분해효소와 같은 효소를 포함 용해소체의 막은 스트레스에 매우 민감(막의 파열은 세포를 분해 하는 효소의 방출로 세포의 죽음을 유발-> 소화) 정상세포에서는 교체가 필요한 세포 구성성분을 분해하는 기능 외부 물질은 식세포 작용과 음세포 작용에 위해 세포 안으로 끌어들여 용해 가수분해 효소를 가짐

7) 과산화소체(퍼옥시솜) 용해소체와 크기가 비슷한 세포 소기관 효소 결정으로 구성된 단단한 중심부가 관찰 효소(요산 산화효소, 과산화수소분해효소)는 과산화수소를 포함하는 여러 화합물의 반응을 촉매 과산화소체의 다양한 생리기능은 아직 명확하지 않음 -> 에너지와 산화 대사 및 특정 대사경로에서 일정한 역할을 하는 것으로 생각됨 과산화수소분해 효소 활동 – 효소와 다른 대사과정에 의해 생성된 세포 내 과산화수소의 처리에 중요

물(H2O): 생명체의 매질

물(H2O) 세포의 가장 많은 구성요소, 전체 체중의 60~70% 차지 생화학 반응, 막을 통한 물질 수송, 체온 유지, 소화액 생산, 배설물의 용해과정에 필요 체내 수분 균형의 유지(대사과정에 중요)

물의 화학 높은 녹는점, 끓는점, 기화열, 큰 표면장력을 가짐 물의 전기적 특성: 쌍극성 분자(극성) → 물분자의 산소원자와 다른 화학물질의 수소원자 사이에서 발생하는 수소결합 형성에 기여 → 구조화 된 용매의 특성, 액체 상태에서 강력한 내부 응집력을 가짐

용매로서의 물 물 분자는 이온성 화합물에 대해 우수한 용매 양친매성 분자들은 물에 분산되는 극성(친수성)과 비극성(소수성)작용기를 모두 소유한 물질 -> 양친매성 분자 -> 수용액에 녹일 때 미셀 형성

물의 해리 상수(Kw) ▶물의 자동 이온화 ▶물의 해리상수 (물의 이온곱 상수) 순수한 물에서 극히 일부분의 물 분자들끼리 서로 수소이온을 주고 받아 H3O+과 OH-로 이온화 되는 현상 H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq ) ▶물의 해리상수 (물의 이온곱 상수) 물이 자동 이온화 하여 평형상태를 이룰 때의 평형 상수 H2O(l) + H2O(l) H3O+ + OH- K = [H3O+][OHㅡ] / [H2O]2 (물의 몰농도는 일정하므로 [H2O]는 상수로 취급) K[H2O]2 = Kw라 하면 Kw = [H3O]+ [OH]- = [H+][OH-] ▶일반적으로 상온(25℃)에서, Kw = [H+] [OH-] = 1.00x10-14 로 사용 ▶25℃의 순수한 물의 [H+] = [OH-] = 1.00x10-7 M로 일정

산과 염기 Bronsted (브뢴스테드)의 개념 산: 양성자를 유리하는 물질 염기: 양성자 받는 물질

Arrhenius(아레니우스)의 개념 산(acid): 수용액에서 H+(H3O+)를 내는 물질 HCl(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + Cl-(aq) 염기: 수용액에서 수산화 이온 OH-를 내는 물질 NH3(aq) + H2O(l)  NH4+(aq) + OH-(aq)

수소 이온 지수(pH) pH = log(1/[H+]) = -log[H+] ⇒[H+] = 10-pH pH : 수용액 속의 [H+]의 역수에 대한 상용로그 값 pH = log(1/[H+]) = -log[H+] ⇒[H+] = 10-pH 중성 용액의 [H+] = 1.0 x 10-7 M ⇒ pH = 7.0 pOH : 수용액 속의 [OH-]의 역수에 대한 상용로그 값 pOH = log(1/[OH-]) = -log[OH-] ⇒ [OH-] = 10-pOH 중성 용액의 [OHㅡ] = 1.0 x 10-7 M ⇒ pOH = 7.0 pH와 pOH의 관계 : 25℃에서 pH와 pOH의 합은 항상 14 산성 용액 : pH〈 7 〈 pOH 중성 용액 : pH = 7 = pOH 염기성 용액 : pH 〉7 〉pOH

수용액에서의 수소 이온 농도 수용액의 Kw값은 일정하므로 - 산을 가하여 용액 중의 H+농도가 증가하면 OH-의 농도는 감소 산성 용액 : [H+] ≻ 1.0 x 10-7M ≻ [OH-] - 염기를 가하여 용액 중의 OH- 농도가 증가하면 H+ 의 농도는 감소하여 [H+] ≺[OH-]되므로 수용액은 염기성 산성 용액 : [H+] ≺ 1.0 x 10-7M ≺ [OH-]

pH 척도 수소이온의 농도 pH값으로 표현 pH는 [H+]의 로그함수로 표현, 수소이온 농도의 음의 로그 값으로 정의 0~14의 pH 값은 수소이온 농도 1M~1x10-14M의 농도까지를 의미 순수한 물의 수소이온 농도 1x10-7M, pH7, 중성 [H+]의 증가-> 산성 조건을 생성, [H+]의 감소-> 염기성 조건을 생성 pH의 한 단위 변화는 [H+]의 농도가 10배 차이

강산과 약산 강산 : 양성자에 대한 친화력이 매우 낮아서 물에서 완전하게 해리 (이온화)할 수 있는 물질 약산: 양성자에 대한 친화력이 높은 물질, 물에 쉽게 해리되지 않는 분자 약산의 완충능력은 약산의 짝산 짝염기의 농도에 의존 -> 양성자 수용체 및 양성자 공여체의 농도 비율에 따라서 결정

완충 용액의 pH 약한 산 HA는 수용액에서 다음과 같이 평형 HA H+ + Aㅡ Ka = [H+][Aㅡ] / [HA] ⇒ [H+] = Ka x [HA] / [Aㅡ] 양변에 –log를 취하면, –log[H+] = -logKa x –log[HA,산] / [Aㅡ, 염] pH = pKa + log[Aㅡ, 염] / [HA, 산] (단, pKa = -logKa)(Henderson-Hasselbach, 헨더슨-하셀바흐공식)

완충용액과 완충작용 완충용액(Buffer Solution) 생리적 완충액(Buffer) 산이나 염기를 가하여도 공통 이온효과에 의해 pH가 거의 일정한 용액 (약산과 그의 짝염기 및 약염기와 그의 짝산으로 구성된 용액) 생리적 완충액(Buffer) 인간 체액의 pH는 다름(혈장 pH7.4) 혈액의 pH유지 -> 적혈구의 헤모글로빈, 다수의 혈장 단백질 (양성자 수용체 및 공여체로서 효과적으로 역할) 세포외 완충계 : 조직 대사에 의해 생성된 이산화탄소의 제거를 위해 필요한 수단을 제공하는 탄산(H2CO3) (탄산(H2CO3)이 해리되면 -> H+와 중탄산이온 (HCO3-)

전해질 (Electrolytes) 수용액에서 ion화 또는 해리하는 화합물 즉, 물에 녹아 전류가 흐르게 하는 물질 전기가 통하면 전기분해 산, 염기 균형 조절 전해질로는 염화나트륨, 황산, 염산 등