생화학(영어: biochemistry 또는 biochemistry)은 살아있는 유기체와 관련된 화학 과정을 연구하는 학문입니다. 생화학이라고도 하지만 보통은 생화학이라고 줄여서 부른다. 생화학적 과정은 생명의 복잡성을 야기합니다.
생물학과 화학의 하위 분야인 생화학은 분자 유전학, 단백질 과학 및 대사의 세 영역으로 나눌 수 있습니다. 20세기의 마지막 수십 년 동안 생화학은 이 세 분야를 통해 생명의 과정을 설명하는 데 성공했습니다. 또한 생명과학의 거의 모든 분야가 생화학적 방법론과 연구를 통해 밝혀지고 발전되고 있습니다. 생화학은 어떻게 생체 분자가 살아있는 세포 내에서 그리고 살아있는 세포 사이에서 일어나는 과정을 이해하는 데 초점을 맞추고 있으며, 이는 다시 조직, 기관 및 유기체의 구조와 기능에 대한 연구 및 이해와 매우 관련이 있습니다. . 생화학은 DNA에 암호화된 유전 정보가 생명 과정으로 이어질 수 있는 분자 메커니즘을 연구하는 분자 생물학과 밀접한 관련이 있습니다.
대부분의 생화학은 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질과 같은 생물학적 거대분자의 구조, 기능 및 상호작용을 다루며, 이러한 생체분자는 세포의 구조를 형성하고 생명 활동과 관련된 많은 기능을 수행합니다. 세포 화학은 더 작은 분자와 이온에 의존합니다. 이들은 물과 금속 이온과 같은 무기 화합물이거나 단백질 합성에 사용되는 아미노산과 같은 유기 화합물일 수 있습니다. 세포가 화학 반응을 통해 환경으로부터 에너지를 이용하는 메커니즘을 대사라고 합니다. 생화학의 발견은 의학, 영양 및 농업에 주요 응용 분야가 있습니다. 의학에서 생화학자는 질병의 원인, 질병의 치료 방법 및 의약품을 연구합니다. 영양 분야에서 생화학자들은 건강을 유지하는 방법과 영양 결핍의 영향을 연구합니다. 농업에서 생화학자들은 양과 비료를 조사하고 작물 성장, 작물 저장 및 해충 방제를 개선하는 방법을 찾으려고 노력합니다.
(출발 물질: 생명의 화학 원소)
자연에서 발견되는 92가지 화학 원소 중 약 24가지가 다양한 유형의 생명체에 필수적입니다. 지구상의 희토류 원소(셀레늄과 요오드 제외)는 생명체에 의해 사용되지 않으며 몇 가지 일반적인 원소(알루미늄과 티타늄)도 생명체에 의해 사용되지 않습니다. 대부분의 유기체에는 필요한 공통 요소 세트가 있지만 식물과 동물 사이에는 몇 가지 차이점이 있습니다. 예를 들어 해조류는 브롬을 사용하지만 육상 식물과 동물은 브롬을 필요로 하지 않는 것 같습니다. 모든 동물은 나트륨이 필요하지만 일부 식물은 필요하지 않습니다. 식물은 붕소와 규소가 필요하지만 동물은 필요하지 않을 수 있습니다(또는 거의 필요하지 않음). 산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인의 6대 원소는 인간 세포를 포함한 살아있는 세포 질량의 약 99%를 차지합니다. 인체의 대부분을 구성하는 6대 원소 외에 인간에게는 18개 이상의 미량 원소가 필요합니다.
(생체분자)
생체 분자의 네 가지 주요 부류는 탄수화물, 지질, 단백질 및 핵산입니다.. 많은 생물학적 분자(생체 분자)는 폴리머입니다. 모노머는 폴리머로 알려진 더 큰 거대 분자를 형성하기 위해 함께 연결된 비교적 작은 분자입니다. 모노머가 서로 연결되어 바이오폴리머를 합성할 때 탈수 반응을 일으킨다. 다른 폴리머는 더 큰 복합체를 형성할 수 있으며 이러한 복합체는 종종 생체 활성에 필요합니다.
1. 탄수화물
탄수화물의 두 가지 주요 기능은 에너지 저장과 구조 형성입니다. 설탕은 탄수화물이지만 모든 탄수화물이 설탕은 아닙니다. 지구상에는 다양한 유형의 탄수화물이 있습니다. 탄수화물은 에너지 저장에 사용될 뿐만 아니라 세포 간 상호 작용 및 세포 신호 전달에도 중요한 역할을 합니다.
가장 단순한 형태의 탄수화물은 단당류이며 대부분 탄소, 수소 및 산소를 1:2:1의 비율로 포함합니다(일반적인 화학식은 CnH2nOn이며 여기서 n은 3보다 큼). 포도당(C6H12O6)은 가장 중요한 탄수화물입니다. 과당(C6H12O6)은 과일의 단맛과 관련된 단당류이며, (35)(a) 디옥시리보스(C5H10O4)는 DNA의 성분이다. 단당류는 선형 또는 고리 형태로 존재할 수 있습니다. 선형 단당류는 카르보닐기와 수산기의 반응을 통해 고리에 산소 원자가 포함된 탄소 고리를 형성할 수 있다. 고리형 분자는 알도스이면 헤미아세탈이고 케토스이면 헤미케탈입니다.
2. 지질
일반적인 지질의 구조. 콜레스테롤과 올레산은 맨 위에 있습니다. 중간에는 올레오일, 스테아로일 및 팔리토일 사슬이 부착된 글리세롤인 트리글리세리드가 있습니다. 맨 아래에는 일반적인 인지질인 포스파티딜콜린이 있습니다. 지질은 왁스, 지방산, 인지질, 스핑고지질, 당지질 및 테르페노이드(예: 레티노이드 및 스테로이드)를 포함하는 상대적으로 수불용성인 생물학적 기원의 비극성 화합물을 포함하는 다양한 분자를 포함합니다. 화합물이다. 일부 지질은 선형 지방족 화합물인 반면 다른 지질은 고리 구조를 가지고 있습니다. 일부 지질은 방향족(순환 평면 구조 포함)인 반면 다른 지질은 방향족이 아닙니다. 일부 지질은 유연하고 다른 지질은 단단합니다.
지질은 일반적으로 한 분자의 글리세롤에 다른 분자를 부착하여 만들어집니다. 중성 지방은 1분자의 글리세롤과 3분자의 지방산으로 구성되어 있습니다. 이 경우 지방산은 포화(탄소 사슬에 이중 결합이 없음)되거나 불포화(탄소 사슬에 하나 이상의 이중 결합)될 수 있습니다.
대부분의 지질은 완전히 비극성이지만 일부는 극성일 수 있습니다. 일반적으로 대부분의 지질 구조는 비극성 또는 소수성이므로 물과 같은 극성 용매와 잘 상호 작용하지 않습니다. 지질 구조의 또 다른 부분은 극성 또는 친수성이며 물과 같은 극성 용매와 잘 상호 작용하는 단단한 형태가 있습니다. 소수성 부분과 친수성 부분을 모두 가진 분자를 양친매성 분자라고 합니다. 콜레스테롤의 경우 극성 부분은 수산기(-OH)입니다. 인지질의 경우 극성 부분은 인산을 포함하는 머리 부분입니다.
지질은 사람의 일일 식단에서 필수적인 부분입니다. 사람들이 섭취하는 버터, 치즈, 곱창과 같은 대부분의 기름과 유제품은 지방으로 구성되어 있습니다. 식물성 기름에는 다양한 고도 불포화 지방산이 풍부합니다. 지방 함유 식품은 체내에서 소화 과정을 거쳐 지방의 최종 분해 산물인 지방산과 글리세롤로 분해됩니다. 지질, 특히 인지질은 또한 공가용화제(예: 비경구 투여용) 또는 약물 담체(예: 리포솜 또는 트랜스퍼솜)의 구성 요소로서 다양한 의약품에 사용됩니다.
3. 단백질
단백질은 아미노산이라는 단위로 구성된 매우 큰 거대 분자 중합체입니다. 아미노산은 아미노기(–NH2), 카르복시기(–COOH), 수소원자(–H), 측쇄(R기, –R)가 알파라 불리는 키랄 탄소에 결합된 화합물이다. (α) 탄소. 아미노 및 카르복실기는 생리학적 조건에서 -NH3+ 및 -COO-로 존재합니다. 측쇄(R기)는 아미노산의 종류에 따라 다르며, R기의 특성은 단백질의 전체적인 3차원 구조에 큰 영향을 미친다. 일부 아미노산은 그 자체로 기능하거나 변형된 형태로 기능합니다. 예를 들어, 글루탐산은 중요한 신경 전달 물질로 기능합니다. 아미노산은 펩티드 결합을 통해 서로 연결될 수 있습니다. 이 탈수 반응에서 물 분자가 제거되고 한 아미노산의 아미노기의 질소와 다른 아미노산의 카르복실기의 탄소가 펩티드 결합으로 연결됩니다. 2개의 아미노산이 펩티드 결합으로 연결된 분자를 디펩티드라고 하고 짧은 길이의 아미노산(보통 30개 미만)이 연결된 분자를 펩티드 또는 폴리펩티드라고 합니다. 단백질은 많은 수의 아미노산으로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 중요한 혈장 단백질인 알부민은 585개의 아미노산 잔기로 구성됩니다.
단백질은 구조적 역할과 기능적 역할을 모두 수행할 수 있습니다. 예를 들어 액틴과 미오신 단백질의 움직임은 궁극적으로 골격근 수축을 유발합니다. 많은 단백질의 특성 중 하나는 특정 분자 또는 분자 유형에 특이적으로 결합하고 이러한 결합은 매우 선택적일 수 있다는 것입니다. 항체는 특정 유형의 분자에 결합하는 단백질의 예입니다. 항체는 중쇄와 경쇄로 구성됩니다. 두 개의 중쇄는 아미노산 사이의 이황화 결합을 통해 두 개의 경쇄에 연결됩니다. 항체는 N-말단 도메인의 차이에 따라 변형을 통해 특이적으로 만들어집니다.
실제로 항체를 이용한 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay)는 다양한 생체 분자를 검출하기 위해 현대 의학에서 사용되는 가장 민감한 검사 중 하나입니다. 아마도 가장 중요한 단백질은 효소일 것입니다. 살아있는 세포의 거의 모든 반응에는 반응의 활성화 에너지를 낮추기 위해 효소가 필요합니다. 효소는 기질이라고 하는 특정 반응물 분자를 인식한 다음 반응을 촉매합니다. 활성화 에너지를 낮춤으로써 효소는 반응 속도를 1011배 이상 증가시킵니다. 자발적으로 완료되는 데 3,000년이 걸리는 반응이 효소 반응의 경우 1초도 채 걸리지 않을 수 있습니다. 효소 자체는 반응에서 소모되지 않고 다음 반응에서 재사용된다. 다양한 작용기를 이용하여 효소의 활성을 조절하고 세포 전체의 생화학적 조절을 가능하게 한다.
단백질의 구조는 전통적으로 네 가지 수준의 계층 구조로 설명됩니다. 단백질의 1차 구조는 아미노산의 선형 배열에 의해 결정됩니다. 예를 들어, “알라닌-글리신-트립토판-세린-글루탐산-아스파라긴-글리신-리신-…”과 같은 배열 순서. 2차 구조는 지역 형태와 관련이 있습니다. 아미노산의 일부 조합은 α-나선이라고 하는 코일 또는 β-시트라고 하는 시트를 형성합니다. 위의 헤모글로빈 다이어그램에서 일부 α-나선을 볼 수 있습니다. 3차 구조는 단백질의 전체적인 3차원 구조적 모양입니다. 이들 단백질의 3차 구조는 아미노산 배열에 의해 결정된다. 실제로 하나의 아미노산이 바뀌면 전체 구조가 바뀔 수 있습니다. 헤모글로빈의 β 소단위는 146개의 아미노산 잔기로 구성됩니다. 헤모글로빈의 β 소단위체의 6번째 아미노산인 글루탐산 잔기가 발린 잔기로 치환되면 헤모글로빈의 3차원 구조가 바뀌어 겸상적혈구빈혈을 일으킨다. 마지막으로, 4차 구조는 4개의 소단위를 가진 헤모글로빈과 같은 다중 폴리펩티드 소단위를 가진 단백질의 구조와 관련이 있습니다. 모든 단백질이 2개 이상의 서브유닛으로 구성되는 것은 아닙니다.
섭취된 단백질은 일반적으로 소장에서 단일 아미노산으로 분해되어 흡수됩니다. 그런 다음 아미노산을 결합하여 새로운 단백질을 만들 수 있습니다. 해당과정, 시트르산 회로 및 오탄당 인산 경로의 중간체를 사용하여 단백질을 구성하는 20개의 아미노산을 만들 수 있으며 대부분의 박테리아와 식물에는 아미노산 합성에 필요한 모든 효소가 있습니다. 그러나 인간과 다른 포유류는 단백질 합성에 사용되는 20개 아미노산 중 약 절반만 합성할 수 있습니다. 그들은 이소류신, 류신, 라이신, 메티오닌, 페닐알라닌, 트레오닌, 트립토판 또는 발린을 합성할 수 없습니다. 필수아미노산이기 때문에 반드시 섭취해야 합니다. 포유류에는 알라닌, 아스파라긴, 아스파라긴산, 시스테인, 글루탐산, 글루타민, 글리신, 프롤린, 세린, 티로신과 같은 비필수 아미노산을 합성하는 효소를 합성하는 효소가 있습니다. 아르기닌과 히스티딘은 포유동물이 합성할 수 있기 때문에 종종 필수 아미노산으로 간주되지만, 어리고 성장하는 동물은 충분한 양을 생산할 수 없습니다.
아미노산에서 아미노기가 제거되면 α-케토산이라는 탄소 골격이 남습니다. 아미노전이효소는 아미노산의 아미노기를 다른 α-케토산으로 옮길 수 있습니다. 이는 많은 생화학적 경로의 중간체가 α-케토산 백본으로 전환된 다음 아미노기가 트랜스아미노양이온 반응을 통해 추가되기 때문에 아미노산의 생합성에서 중요합니다. 그런 다음 아미노산은 서로 결합하여 단백질을 만들 수 있습니다. 유사한 과정이 단백질 분해에 사용됩니다. 단백질은 먼저 구성 아미노산으로 가수분해됩니다. 혈액에서 암모늄 이온(NH4+)으로 존재하는 유리 암모니아(NH3)는 살아있는 유기체에 유독합니다. 따라서 질소 노폐물의 배설을 위한 적절한 수단이 있어야 합니다. 동물의 필요에 따라 다양한 배설 방법이 진화했습니다. 단세포 유기체는 단순히 암모니아를 환경으로 방출합니다. 마찬가지로 경골어류는 암모니아를 물에 방출합니다. 일반적으로 포유류는 요소 회로를 통해 암모니아를 요소로 전환한 다음 요소를 배설합니다.
두 개의 서로 다른 단백질이 관련되어 있는지, 즉 상동인지 확인하기 위해 과학자들은 서열 비교 방법을 사용합니다. 서열 정렬 및 구조 정렬과 같은 방법은 과학자들이 관련 분자 간의 상동성을 식별하는 데 도움이 되는 강력한 도구입니다. 단백질 간의 상동성을 발견하고 관계를 식별하면 단백질 패밀리의 진화 패턴을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 두 단백질 서열이 얼마나 유사한지를 발견함으로써 단백질의 구조와 기능에 대한 지식을 얻을 수 있습니다.
4. 핵산
핵산은 주로 세포핵에서 발견되는 생명 활동에 필수적인 생체 고분자입니다. 핵산은 모든 살아있는 세포와 바이러스에 유전 정보를 전달할 수 있는 복잡한 고분자량의 생화학적 거대분자입니다. (2) 핵산은 뉴클레오티드 단위로 구성된 고분자입니다. 뉴클레오티드는 핵염기(퓨린 염기 또는 피리미딘 염기), 5탄당 및 인산의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.
