화학(Chemistry), 생화학(Biochemistry)의 기본 개념
화학반응(Chemical Reaction)이란 원자(Atom)나 분자(Molecule)가 전자(Electron)를 잃거나 얻어 화학적 결합을 하거나 깨뜨림으로써 새로운 물질을 구성하는 것
생명체(세포)의 성장,생식,복제,정비를 위해 필요한 에너지,원재료를 제공해 주는 것이 영양소인데, 이렇게 분자차원의 영양소를 재구성,분해, 재정비하는 과정을 생화학 반응이라 함.
화학적 결합(Chemical Bond)
원자(Atom) 혹은 분자(Molecule)가 다른 물질(분자)을 구성하기 위해 서로 결합하는 방법은 크게 2가지임
이온결합(Ionic bonds): 각기 반대로 이온화된 원자 혹은 분자가 전자를 주고 받음으로서 결합하는 형태
공유결합(Covalent bonds): 한 쌍 혹은 그 이상의 쌍의 전자를 함께 공유하여 결합하는 형태
화학반응(Chemical Reaction)의 종류
1. 산화-환원(Oxidation-Reduction)반응: 전자를 잃고,얻는 반응. 전자를 잃는 부분을 산화, 전자를 얻는 부분을 환원 되었다고 함. 예)
– 세포 호흡: 포도당을 태워 에너지를 생산하는 과정
– 광합성: 물과 이산화탄소로 포도당을 생산하는 과정
2. 탈수(Dehydration), 가수(Hydrolysis) 반응: 반응의 결과로 물분자를 잃거나 얻는 반응. 예)
– 탈수 반응: 아미노산이 결합하여 단백질을 생성하는 과정. 단당류가 결합하여 이당류 혹은 다당류를 생성하는 과정
– 가수 반응: 단백질이 아미노산으로 분해되는 과정(단백질 소화). 다당류가 이당류 혹은 단당류로 분해되는 과정(탄수화물의 소화)
3. 인산화(Phosphorylation) 반응: 인산그룹(Phosphate group)이 다른 분자에 더해질 때의 반응. 운동에너지 공급시 필요한 반응 혹은 그 반대 반응. 예)
– ATP à ADP + 에너지 : 근육수축, 정자의 운동
– ADP + 에너지 à ATP : 광합성시
4. 산-염기(Acid-Base) 반응: 각각 이온화된 산과 염기가 반응하여 염(Salt)를 구성하는 것
– 수산화 나트륨(NaOH)과 염산(HCl)이 반응하여 소금과 물을 만드는 반응
u 엔자임과 코엔자임
생화학 반응을 촉진시키는 단백질이 엔자임임. 예를 들자면, 자전거,가구 등을 분해, 조립할때 사용되는 공구 개념임.
엔자임이 없으면 화학반응이 너무천천히 진행되어 세포,생명체가 살 수 없음.
화학반응이 일어나는 곳,즉, 엔자임과 기질(Substrate:엔자임의 작용대상 물질)이 작용하는 부분에서는 전자가 이동하여 화학적 결합 상태가 변화되므로 물질이 분해되거나 새로운 물질이 합성됨.
엔자임은 빨리 작용하며,재사용이 가능하므로 적은양이어도 문제없음.
엔자임도 열에 의해 변형되면 화학적 성질이 변하여 제 기능을 할 수 없음.
엔자임활동이 활발해지려면(생화학반응이 일어나려면) 온도와 pH가 적절해야함.
유기 세포 호흡(포도당을 태워서 에너지를 얻는 것)과 광합성(식물에서 포도당을 만드는 과정)도 모두 엔자임에 의해 조절되는 생화학 반응중 하나임.
세포내의 리소좀(Lysosome)은 엔자임을 담고 있어 세포가 손상을 입은 경우, 이 엔자임을 이용하여 세포를 분해하고, 주변세포가 이 분해된 세포를 사용함. 이 엔자임은 세포의 위치에 따라서 음식물 소화도 담당함.
코엔자임(Coenzyme)
– 많은 엔자임은 코엔자임이 있어야 기능을 함. 코엔자임은 단백질이 아닌 유기물이므로 몸에서 합성이 불가함.
– 비타민,미네랄이 코엔자임 생성에 필수적이므로 체내 신진대사 및 각종 생화학 반응에 없어서는 안 되는 존재임. 코엔자임이 없으면 세포는 죽음.
– 특정 코엔자임은 여러 엔자임과 작용가능하므로 적은양이어도 문제없음.
인체,음식을 구성하는 주요 유기물
탄소는 유기물(Organic molecule)의 핵심. 두번째 레벨에 전자가 4개가 있어 사방으로 결합가능하여 체인이나 링 구조 생성 가능. 보통 공유 결합함. 통상 탄소뼈대(Carbon skeleton)가 분자의 구조를 결정함.
탄수화물과 지방은 탄소(C),산소(O),수소(H)로만 이루어져 있으나, 단백질은 질소(N)도 있음.
탄수화물, 당류
– 포도당(Glucose)과 과당(Fructose)은 단당류(Monosaccharide)로 분자식이 C6H12O6로 동일하나 결합구조가 약간 틀림.
– 2개의 단당류가 탈수결합하면 이당류(Disaccharide)가 되고, 여러 개의 단당류가 탈수결합하면 복합 탄수화물(Complex Carbohydrates or Polysaccharide) 혹은 전분이 됨.
– 단백질
– 하나의 아미노산은 질소,탄소,산소,수소 원자 10-20개로 구성되어 있으며, 여러형태로 결합이 가능하여 여러 종류의 단백질로 합성가능함.
– 5-10개의 아미노산이 결합된 작은 단백질이 있는가 하면, 인슐린은 86개의 아미노산으로 이루어져 있으며, 가장 큰 단백질인 Collagen은 약 1,500개의 아미노산으로 구성됨.
DNA, RNA
– DNA는 여러개의 Nucleotide(핵산(Nucleic Aid)의 기본단위로, 단당류 + 인산그룹(Phosphate group) + 질소베이스(Nitrogen base)로 이루어짐)가 결합되어 구성되며 , 5가지의 질소 베이스가 유전을 결정함.
– DNA는 유전물질(유전자 코드)이며, RNA는 DNA가 복사된 것으로 단백질 합성에 사용됨.
– 인간은 46개의 염색체(Chromosome: DNA가 나선형으로 꼬여 결합된 것)가 있음.
– DNA,RNA합성에 여러 B비타민, 여러 미네랄이 관여함.
지질(Lipids)
– 중성지방(Triglycerides): 1개의 글리세롤(Glycerol)과 3개의 지방산(Fatty Acid)이 결합된 형태. 결합된 지방산의 종류에 따라 매우 다양한 지방이 존재
– 인지질(Phospholipids): 인(P)을 함유한 인산 그룹(Phosphate group) 1 개 + 글리세롤 1개 + 2개의 지방산 이 결합된 형태.
– 스테로이드(Steroids): 탄소원자 고리가 맞물리는 형태로 존재하는 지질의 한 종류
세포(Cell)
모든 세포는 세포막,원형질,유전물질,에너지흐름, 그리고 엔자임과 코엔자임을 보유하고 있음.
리보솜(Ribosome)은 RNA와 단백질로 구성되어 있으며, 체내에 필요한 단백질의 합성을 담당함.
모든 신진대사(Metabolism)시 관련된 모든 물질의 교환 (포도당,산소,이산화탄소,노폐물 등)은 세포막을 통하여 일어남.
유기호흡(Aerobic Cellular Respiration)을 통한 에너지 생성과정
산소와 여러 엔자임에 의해 포도당이 분해되어, 사용이 쉬운 저장된 에너지 형태인 ATP(Adenosine Triphosphate)를 생산하는 과정.
포도당 + 산소 à 이산화탄소 + 물 + 에너지(ATP 와 열)
C6H12O6 + O2 à CO2 + H2O + ATP or Heat
전자가 이동하면서 포도당을 구성하는 원자들간의 결합이 끊어지고 수소이온이 이동하면서 에너지가 발생됨.
포도당 연소에 의해 발생한 에너지 + ADP(Adenosine Diphosphate) + P(인) à ATP 생성
근육세포 등에서 에너지 사용시: ATP à ADP + 에너지 . ATP 분자의 세번째 인산염(Phosphate) 결합이 끊어져 ADP가 될 때, 에너지가 방출되어 세포에서 사용가능하게됨.
무기 호흡(Anaerobic Cellular Respiration) = 발효(Fermentation)
산소 없이 포도당을 연소해 에너지(ATP 및 열) 생산하는 과정
무기 호흡의 결과로 유산(Lactic acid, 젖산) 혹은 에틸알콜 생성
유산 생성: 2가지
– 과도한 운동시 인간 근육 세포에서 산소 부족할 경우, 산소없이 에너지 생산하는 과정에서 유산이 생성됨.
– 근육에 축적된 유산: 근육피로,근육통,근육경련 야기. 산소 빚(Oxygen debt)으로, 추후 충분한 호흡으로 산소가 공급되면 피루빅산(Pyruvic acid)이나 포도당(간에서)으로 다시 전환됨.
– 유산균에 의해 우유가 요구르트로 발효되는 과정에서나, 장내 유산균(유익균)의 활동시 유산 생성
에틸알콜: 양조 과정서 효모균에 의해 포도당이 에탄올(에틸알콜)과 이산화탄소 및 ATP로 전환됨.
각 영양소와 에너지, 신진대사 포도당은 수소가6쌍이나 지방은 10배의 수소원자를 보유하고 있으므로 칼로리가 높아 식물과 동물의 효율적인 에너지 저장수단으로 사용됨.
단백질과 지방은 간단히 분해되어, 각각 포도당의 에너지 생성과정의 중간단계(Glycolysis, Kreb cycle)로 들어가서 에너지 발생가능함. 이 과정에서 아미노산의 아미노 그룹 (질소함유그룹)은 암모니아로 바뀜.
초과 섭취한 단백질은 저장이 안 되므로 에너지로 사용되거나 지방으로 전환되어 저장됨. 단백질 섭취가 부족한 경우에는 세포를 분해하여 나온 단백질을 이용함.
과다 섭취된 탄수화물과 지방은 체지방이나 콜레스테롤로 전환됨.
탄수화물없이 단백질 혹은 지방만 섭취하면, 각각 에너지로 사용됨.
케톤체(Ketone body)
– 탄수화물없이 지방만 많이 섭취할 경우, 지방은 케톤체로 전환되어 에너지로 사용되고, 남는 케톤체는 호흡이나 소변으로 배출됨.
– 케톤체의 생성 및 이용: 혈액내 포도당이 부족할 경우 글루카곤에 의해 체지방이 분해됨 à Acetyl CoA로 전환 à HMGCoA로 전환 à 케톤체로 전환됨.
– 케톤체는 인체내 모든 기관(간제외)에서 에너지로 사용가능하나, 단식을 하거나 탄수화물이 부족한 식사가 지속되면 과도한 케톤체를 생성하여 케토시스(Ketosis) 일으킬 수 있음.
– 케토시스(Ketosis): 과도한 케톤체가 생성되어 소변이나 호흡으로 배출(달콤한 냄새)되는 증상
– 당뇨에서처럼 케톤체 사용이 오래 지속되면 혈액이 지나치게 산성화되는 케톤산성증(Ketoacidosis) 생길 수 있음.
– 아세톤은 케톤체의 일종.
체액(Body fluid)과 혈액(Blood)
몸의 60%가 체액(Body fluid)으로 구성되어 있음(여성의 경우는 50%). 체액은 4%의 혈장(혈액의 액체성분), 16%의 세포간액(IF:Interstitial fluid), 40%의 세포내액(Intracellular fluid)으로 이루어져 있음.
세포 밖은 세포간액(Interstitial Fluid)으로 차 있으며, 세포막(Cell Membrane)에 의해 세포내액과 구분됨. 세포막은 모든 물질의 교환이 일어나는 대문임.
모세혈관의 압력이 높아지면 혈액 투과량이 증가하여 혈액량은 줄어들고 세포간액은 증가됨.
혈액의 점도를 높이는 역할을 하는 혈장 단백질이 증가하면 세포간액에서 혈액으로 수분이동이 증가하여 혈액량이 많아짐.
전해질(Electrolyte)
물에 녹아 이온화되는 미네랄
+ 이온화 되는 것은 Na(소듐), Ca(칼슘), K(포타슘), Mg(마그네슘)이 있음. – 이온화 되는 것은 Cl(염소), HCO3 (Bicarbonate), 인산염, 여러 단백질 등이 있음.
신경신호전달,근육수축 등 여러 기능에 필수적이며, 각종호르몬, 코엔자임 등의 재료
소듐은 물을 끌어 당기는 성질이 있어, 소듐의 양만큼 물이 많아짐. 따라서 소듐섭취가 높으면 혈액량이 많아져 혈압이 높아지게 됨. 부신피질에서 분비되는 호르몬인 알도스테론(Aldosteron)은 신장에서 소듐의 흡수를 증가시켜 체액을 늘리는 기능을 함.
기타 인체구성 부분
결합조직(Connective tissue)
– 조직들을 연결하고 지지하는 틀로서 풀이나 아교처럼 장기와 조직들을 연결함.
– 상피세포와는 다르며, 피부,막,근육,뼈,신경 및 모든 내부 기관에 분포함.
– 지방세포,섬유조직,연골조직,혈구 등이 이에 해당
막(Membrane)
– 인체에는 여러곳에 막(Membrane)이 있음.
– 가슴,배 부분에는 장기가 들어 있는 공간(흉강,복강)이 있는데 각각 장기를 둘러 싸는 장막과 벽(공간의 외측)막으로 둘러쌓여 있음. 이 흉막,복막들은 장기와 벽이 마찰해도 괜찮도록 윤활액을 분비함. 예) 폐와 흉벽막, 위장,대장과 복벽막 등
– 점액막(Mucous Membrane)은 외부에 노출되어 있는 장기의 막을 말하는데 점액을 분비함. 예)기관지,폐,소화기,비뇨기,생식기 등
각 생화학적 물질의 크기 비교
수소원자(1 angstrom) < 아미노산,포도당(0.1-1nm) < DNA(1nm) < 단백질,탄수화물,지방(1nm-10nm) < 보통 바이러스,작은 박테리아(10nm-100nm) < 큰 바이러스, 보통박테리아(1µm-10µm) < 적혈구,백혈구(10µm) < 아메바,조류 (100µm)
(단위: angstrom=0.1nm, nm=nanometer=10-9 meter, µm=micrometer=10-6)
식물(과일,야채,허브)이 사람에게 효과가 있는 이유
살아있는 생물은 모두 유사한 유기화합물-단백질,지방,탄수화물,핵산, 비타민,미네랄,엔자임,호르몬 등- 로 이루어져 있고 식물세포와 동물세포가 유사한 부분이 많기 때문에 식물내의 유기화합물이 식물체에서 발휘하는 효과(항생,살충,항곰팡이,항암,항산화 등)가 인간의 몸 속에서도 유사한 효과를 발휘하기때문.
