생물학과 화학에 속한 학문인 생화학

살아있는 생물의 속과 그와 관련한 화학적 내용을 연구하는 것이 생화학이라고 합니다. 생화학은 생물화학의 줄임말로 보통 줄여서 생화학이라고 많이 부릅니다. 이는 크게 세 가지로 분류되는데 분자유전학, 물질대사, 단백질 과학입니다. 이 세 분야를 기반으로 많은 과학자는 생명의 과정에 대하여 증명하였으며 생체분자들이 세포 내에서 어떤 방법으로 존재하는지, 그 사이에서 생기는 일들을 연구하는 것에 집중하고 있습니다. 대부분 생화학은 생물학적 고분자의 기능과 구조와 상호작용을 연구하며, 이러한 것에는 단백질, 탄수화물 같은 것이 있습니다. 모두가 알다시피 이것들은 생명 활동에 있어 큰 부분을 차지하고 있습니다. 이러한 세포들은 더 작은 분자나 이온들의 화학작용으로 인해 발생하며, 단백질 합성에 필요한 아미노산이나 금속 이온 같은 유기, 무기 화합물을 뜻합니다.

 

물질대사는 이런 화학반응을 통해 에너지를 이용함을 뜻하며, 이러한 연구 결과들은 우리의 삶과 밀접한 의학이나 농업 등에 사용되고 있습니다. 질병의 원인과 치료법과 의약품이 그것에 속하며 영양소 결핍과 건강을 유지하는 법 또한 생화학이 적용되는 분야라고 볼 수 있습니다. 이러한 생화학은 고대 그리스에서부터 연구가 시작되었습니다. 더욱 세밀하게 연구가 시작된 시기는 19세기경으로 볼 수 있는데 생화학의 시작이라고 보는 사례들은 비슷하게 발생하여 학자들마다 그 시기에 대해 다르게 보고 있습니다. 예전에는 생명체와 그 물질들이 무생물과 다른 본래의 특징과 물질을 보유한다고 믿었으며 오로지 생명체만 그러한 분자를 만들어 낼 수 있다고 판단했습니다. 하지만 한 과학자가 요소 합성을 연구하며 새로운 논문을 제시했고, 유기 화합물을 인간의 힘으로 생산할 수 있다는 것을 학계는 인정하게 되었습니다. 이를 기점으로 신기술들이 탄생하였습니다. 또한 생화학은 세포에 정보를 전달하는 유전자의 역할을 발견하는 역사적인 사건이 일어납니다. 이것을 분자생물학이라 칭하는데 20세기에는 이것을 기반으로 유전 정보의 관계를 증명하게 되고, 이후에 하나의 효소는 하나의 유전자에서만 생성된다는 것을 증명하는 데 성공한 조지 비들과 에드워드 테이텀은 노벨상을 받게 됩니다.

 

생화학은 인체의 구성과 무기질에 해당하는 화학 원소를 발견하는데 24가지의 화학 원소는 자연의 92가지 중에서 인간을 비롯한 생명을 가지고 있는 이들에게 매우 필수적입니다. 셀레늄과 아이오딘을 제외한 지구 상에 존재하는 희토류 원소는 생명체에 미사용 되며, 티타늄과 알루미늄 등을 비롯한 흔한 원소들 중 몇 가지 또한 미사용 되는 원소들입니다. 이것들을 제외하면 거의 대부분 비슷한 원소를 필요로 하지만, 생김새가 다르듯이 동물과 식물은 조금씩 다른 점은 존재합니다. 사람뿐 아니라 보통의 생명체에 필요한 원소들을 알아보자면 산소, 탄소, 수소, 칼슘, 인, 질소가 대부분이며 이 외에 칼륨, 황, 나트륨, 염소 등 기타 원소들이 극소량 필요하다고 합니다.

 

다음으로 중요한 부분은 생체분자라고 할 수 있습니다. 이것에는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이 있으며 이들은 중합체라고 불립니다. 이들은 복합체가 될 수 있으며 곧 생물활성의 기본이 됩니다. 먼저 단백질을 보면 흔히 알고 있는 아미노산이라는 단위체로 생성된 아주 거대한 고분자 중합체라고 설명할 수 있습니다. 구조적이나 기능적 역할이 가능한 단백질은 액틴과 마이오신의 행동으로 골격근 수축을 만들어냅니다. 특정 분자가 특이적으로 결합하는데 이것이 매우 선택적일 수 있다는 것은 많은 단백질이 갖고 있는 특이함 성격 중 하나라고 볼 수 있습니다. 항체는 그러한 사례의 한 예시며 변형을 통해 특성을 드러내는 것이 항체의 특이성입니다. 가장 민감한 검사 중 하나로 불리는 효소 결합 면약 흡착 검사가 바로 이 항체를 사용하여 생체분자를 뽑아내는 것입니다. 효소는 단백질 중 제일 중요합니다. 활성화 에너지를 하향시키기 위해서 생존하고 있는 세포들에게 가장 중요한 것이 효소입니다. 세포의 생화학적인 조절을 가능하게 하는 효소는 반응속도를 10배 이상 늘리는 강력함을 가지고 있습니다. 4가지 단계로 설명되는 단백질의 구조 중 1차 구조는 아미노산의 전형적인 순서를 배열한 것으로 확정됩니다. 2차 구조는 국지적인 형상으로 볼 수 있으며, 3차 구조는 3차원의 형태로 이것은 아미노산 배열이 어떤 순서를 갖게 되는가로 정해집니다. 4차 구조는 헤모글로빈 같은 여러 소단 위체를 갖는 단백질의 구조에 대해 볼 수 있습니다. 우리가 먹은 단백질은 보통 단일 아미노산으로 변하는데 이것은 소장에서 흡수됩니다. 그리고서 새 단백질을 위해 결합되어 20가지 아미노산을 만드는 것에 이용되며, 아미노산 합성을 위한 모든 효소는 세균과 식물이 가지고 있습니다. 반면에 사람을 포함한 포유류는 이것들의 절반만 합성하기에 따로 섭취해야 합니다. 아미노기가 사라진 아미노산은 탄소의 뼈대만 남게 되는데 이 전이효소가 서로 전달할 수 있도록 도와줍니다. 이후 단백질이 만들어질 수 있도록 아미노산들은 서로 결합하게 됩니다. 단백질 분해에는 이것과 유사한 과정이 발견되는데 먼저 단백질은 아미노산이 되고 혈액 속의 독성을 갖게 되는 질소의 노폐물을 제거하기 위해 동물들은 각자가 다른 방법으로 배설해 왔습니다. 대표적으로 사람은 요소회로를 통해 독성을 가진 암모니아를 배설 가능한 요소로 바꿔 내보내게 됩니다. 과학자들은 이런 두 단백질을 현재도 비교하며 구조를 연구하고 있습니다. 그럼 다음 글에서는 생체분자의 4가지 요소 중 나머지 요소를 알아보도록 하겠습니다.