2017년 11월 27일 월요일
세포막의 구조
이번 포스팅에서는 세포막의 구조에 대해서 알아보고자 합니다. 먼저 세포막은 기본적으로 세포에서 구획화, 반투과막, 신호 전달의 역할을 하는데요. 세포막의 구조가 밝혀진 것은 상당히 최근입니다. 1972년에 싱어와 니콜슨이 유동 모자이크 모델이라는 이론을 제시했고 이것이 정설로 받아들여지게 되면서 세포막에 대한 신세계가 열렸습니다. 유동 모자이크 모델은 세포막은 비대칭의 이중층 구조로 되어 있고 여기에 표재성 단백질이 막의 양쪽 표면을 덮고 내재성 단백질은 막 안에 끼어 있다는 가설입니다. 이 가설 안에서 모든 단백질과 지질은 자유롭게 세포막 사이사이를 움직입니다.(사실 엄청 모두 자유로와서 자유롭게 움직이는 것은 아니지만 일단 이렇게 알아두시는 것이 편합니다.) 이런 사실은 동결절단법이라는 실험 방법을 통해서 밝혀졌습니다. 동결 절단법이란 액체 질소로 세포막을 꽁꽁 얼린 뒤 세포막을 깨서 세포막의 단면을 관찰하는 실험입니다.
이런 세포막은 여러가지 물질로 구성되어 있는데요. 주 구성 물질은 지질과 단백질입니다. 세포와 그 주변을 보시면 기본적으로 세포의 밖과 안은 모두 수용성 환경이라고 보시면 됩니다. 이런 환경에서 지질이 소수성 장벽을 형성해서 세포와 그 주변을 나눠주는 역할을 하는 거지요. 하지만 이 지질은 소수성이다 보니 극성 물질을 막는데에 효과적이고 작은 무극성 분자들의 경우 선택적으로도 통과시킬 수 있습니다. 또한 전하를 띤 이온들의 농도 기울기를 형성해 막 안팎의 전위차를 유지하기도 하죠.
세포막에 있는 이런 지질의 종류에는 크게 두가지가 있는데요. 바로 인지질과 콜레스테롤입니다. 인지질은 세포막의 안팎에 비대칭적으로 존재합니다. 다른 하나는 콜레스테롤인데요. 콜레스테롤은 인지질의 사이사이에 끼어서 세포막의 유동성을 유지합니다. 온도가 상승하면 막의 해리를 막고 온도가 하강하면 막의 응고를 막죠. 이에 대해서는 앞의 포스팅에서 충분히 설명한 것 같으므로 여기서는 간단히 짚고만 넘어가겠습니다.
세포막을 구성하는 다른 하나의 물질인 막단백질은 크게 표재성 단백질, 내재성 단백질, 고정성 단백질로 나뉩니다. 표재성 단백질은 말 그대로 세포막 표면에 약하게 결합되어 있는 단백질로써 염, pH 변화, 킬레이트제, 요소 등의 처리로 쉽게 분리가 가능합니다. 내재성 단백질은 지질층에 파뭍혀 있는 단백질이라고 생각하시면 됩니다. 대부분 막관통 단백질이 내재성 단백질에 속합니다. 이런 막관통 단백질들은 물질 수송, 신호 전달 등에 중요한 역할을 합니다. 표재성 단백질과는 다르게 약하게 붙어 있는 것도 아니고 지질층에 파묻혀 있기 때문에 계면 활성제를 처리해야 분리가 가능하고 이 이후에도 과정이 복잡하나 이 것은 대학교 기본 과정이 아니기 때문에 생략하겠습니다. 마지막으로 고정성 단백질은 지질과 공유결합해있는 단백질입니다. 제가 가장 첫 문단에서 단백질과 지질이 자유롭게 움직일 수 있긴 하지만 모두가 그런 것은 아니라고 했는데요. 이 단백질들이 그 예외에 속해서 거의 한자리에 고정되어 있다고 보시면 됩니다.
위에서 세포막의 유동성 감소 요인 중 하나를 말 했으니 세포막의 유동성이 왜 감소하는지에 대해서 말을 안할 수가 없네요. 세포막의 유동성 감소 요인에는 사실상 여러개가 있습니다. 가장 중요한 요인으로는 인지질 내 포화 지방산의 탄소 길이가 다른 곳보다 더 긴 부분이 있습니다. 그럼 지질끼리 강한 소수성 결합을 하기 때문에 아무래도 고정성이 커질 수 밖에 없겠죠. 이것과 같은 맥락으로 불포화 지방산의 비율이 감소하면 세포막이 딱딱해집니다. 지질들이 붙을때 더 수월하게 붙을 수 있을 테니까요. 또한 상온에서 콜레스테롤 농도의 증가가 유동성을 감소시킬 수 있습니다. 마지막으로 고정성 단백질처럼 막 단백질들이 주변 분자들과 다양한 구조를 형성할시 막 유동성이 감소합니다.
이로써 세포막의 구조와 그 유동성에 대해서 살펴보았습니다. 다음 포스팅에서는 물질들이 어떻게 해서 세포막을 뚫고 바깥에서 안으로, 혹은 안에서 바깥으로 이동하는지에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.
2017년 11월 26일 일요일
우리 몸을 구성하는 분자들: 단백질편
지난 우리 몸을 구성하는 분자들: 지질 편에 이어서 단백질에 대해서 설명해보고자 합니다.
단백질은 다양한 기관, 효소, 호르몬 등 신체를 이루는 주성분으로, 몸에서 물 다음으로 많은 양을 차지하는데요. 일단 단백질은 기본 단위가 아미노산 입니다. 이 아미노산이 중요하기 때문에 아미노산에 대해서 한번 짚고 넘어가겠습니다.
아미노산은 단백질의 구성단위 물질로써 R기에 따라서 20가지로 나뉩니다. 글리신, 알라닌, 프롤린, 발린, 류신, 이소류신, 메티오닌, 페닐알라닌, 티로신, 트립토판, 리신, 아르기닌, ㅎ스티딘, 세린, 트레오닌, 시스테인, 아스파라긴, 글루타민, 아스파르트산, 글루탐산이 이 20가지 종류인데요. 각각 아미노산은 특징을 가지고 있습니다.
위의 스무 가지 아미노산 중 리신과 아르기닌 히스티딘은 양전하 아미노산으로 양전하를 띰니다. 아스파르트산, 글루탐산은 음전하 아미노산에 속하고요. 페닐알라닌, 티로신, 트립토판은 방향성 아미노산에 속합니다. 시스테인은 특이하게도 이황화 결합을 형성할 수 있기 때문에 꼭 기억해야하는 아미노산 중 하나입니다. 우리들은 대부분의 아미노산을 직접 합성할 수 있으나 이소류신, 발린, 메티오닌, 트레오닌, 페닐알라닌, 류신, 트립토판, 리신은 직접 합성할 수 없기 때문에 꼭 섭취를 해줘야 하는 필수 아미노산으로 분류가 되죠. 히스티딘의 경우에는 어릴 때는 스스로 합성할 수 없는 필수 아미노산에 속하나 성인이 되면서 합성이 가능해집니다. 이런 아미노산들을 각각 등전점, 즉 물질의 알짜 전하가 0이 되는 pH 값을 가지는데요. 이것은 대부분 표로 많은 책에서 주어지기 때문에 따로 알고 계식 필요는 없습니다. 하지만 이런 등전점을 이용하여 등전점 전기영동 실험을 많이 하기 때문에 꼭 알아는 둬야 하는 개념입니다. 등전점 전기영동 실험이란 섞여 있는 물질들을 겔 상에서 각각 pI값에 따라 분리하는 실험으로 모든 아미노산과 그 아미노산으로 구성되는 단백질의 pI값이 모두 다르기 때문에 가능한 실험 입니다.
이제 이런 아미노산들은 아미노산 사이에 펩티드 결합을 형성함으로써 중합체(폴리펩티드)를 이루는 데요. 아미노산의 카르복시기와 아미노기가 탈수축합 결합으로 펩티드 결합을 이룹니다. 이런 폴리펩티드는 얼마나 복잡하냐에 따라서 구조를 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 나눠볼 수 있습니다.
1차 구조는 아미노산들이 단순한 쳅티드 결합으로 일렬로 배열된 상태로써 이런 결합이 일어난 때 N말단(아미노기 노출) 부터 C말단(카르복시기 노출) 방향으로 합성됩니다. 이렇게 일렬로 합성이 되면 아미노산들의 R기가 다양하기 노출이 되어 이들의 상호 작용으로 더 복잡한 구조로 후에 결합하게 됩니다.
2차 구조는 쳅티드 결합을 이룬 원자들 사이에서 수소 결합을 형성해 생진 단순한 입체 구조입니다. 이런 2차 구조는 크게 a-나선 구조와 B-병충 구조가 있는데요. a-나선 구조는 이름 처럼 나선의 모양으로 아미노산들이 둥글게 말려있습니다. 대게 오른 나선 구조를 이루며 소수성 아미노산들이 이런 형태로 발견이 되는데요. 전하가 있는 아미노산들은 서로 반발력이 생기는 등의 상호 작용을 해서 이런 구조를 만들기 어렵기 때문입니다. 이런 구조는 세포막에서 박혀있는 형태로 풍부히 관찰됩니다. B-병풍 구조는 말 그대로 병풍의 구조를 이루고 있습니다. 두개 이상의 판이 성로 층을 이루어 가까이 놓일 수 이쏘록 R기가 작은 글리신, 알라닌과 같은 아미노산들이 많이 관찰됩니다.
3차 구조는 R기들 사이의 다양한 결합으로 폴리펩티드 사슬이 접힌 복합 구조로써 대표적인 댄백질로는 미오글로빈이 있죠. 3차 구조를 이루는 결합에는 이온 결합, 수소 결합, 소수성 결합, 반대르발스 결합, 이황화 결합등이 관여합니다. 이런 3차 구조는 단백질의 성질에 지대한 영향을 미치는 데요. 우리 몸의 대부분이 단백질로 이루어진 만큼 3차 구조의 변성은 우리 몸에 지대한 영향을 끼칩니다. 때문에 3차 구조의 변성 요인들을 알아놔야할 필요가 있습니다. 3차 구조의 변성 요인에는 pH, 열, 계면 활성제, 무질서 유발제, 환원제 등등이 있습니다. 이 때문에 피부에 산이 닿으면 우리 피부의 3차 구조 단백질 들이 변성이 되서 화상을 입게 되는 겁니다.
4차 구조는 간단히 3차 구조의 폴리펩티드들이 여러개가 모인 구조라고 보시면됩니다. 폴리펩티드 간에 이온 결합, 수소 결합, 소수성 결합, 반데르발스 결합, 이황화 결합, R기들 사이의 다른 공유 결합등이 고나여하죠. 대표적인 단백질로는 미오글로빈이 여러개가 모인 헤모글로빈이 있겠습니다.
이런 단백질은 사실상 우리 몸에서 대부분의 역할을 합니다. 그래도 굳이 적어보자면 단백질은 세포 안팎의 지지 구조 형성, 신체의 운동 조절, 각종 신호 전달자, 세포막의 물질 수송 통로, 효소 작용, 생체 내 고분자 물질들의 수선과 유지 담당, 면역 작용 등등의 역할을 합니다. 사실상 앞으로 배울 내용들의 대부분이 단백질에 관련되었다고 보시면 됩니다. 이로써 단백질 편을 마치겠습니다.
2017년 11월 25일 토요일
우리 몸을 구성하는 분자들: 지질
저번 포스팅에선 우리 몸을 구성하는 대표적인 분자들 중 물과 탄수화물에 대해서 알아보고 특히 탄수화물의 여러 종류와 우리 몸에서 그의 기능을 알아보았는데요. 이번에는 나머지 분자들인 지질과 단백질에 대해서 알아보고자 합니다.
먼저 지질에 대해서 이야기 해보겠습니다. 지질을 사실상 여러 종류의 분자를 통칭하는 용어로 정의는 물에 녹지 않는 유기물입니다. 대표적인 종류로는 중성지방, 막지질, 스테롤이 있겠습니다. 지질이란 말이 여러 분자를 통칭하는 말인 만큼 지질의 각 종류는 하는 일이 다양하고 특수하므로 각 지질 종류의 하위 종류와 그 쓰임새에 대해서 자세히 알아볼 필요가 있습니다.
지질의 가장 대표격이라고 할 수 있는 것은 중성지방인데요. 중성지방은 우리가 흔히 생각하는 기름, 지방이라고 생각하시면 됩니다. 중성지방은 글리세롤 분자 1개와 지방상 3분자가 에스테르 결합으로 연결되어 있습니다. 여기서 에스테르 결합이란 산과 알콜에서 물을 제거할 떄 생성하는 결합으로 탈수축합 결합의 일종입니다. 이런 중성지방은 동물의 백색 지방세포에 주로 저장되고 에너지원으로 이용됩니다. 이렇게 우리 몸에서 지방을 저장하는 이유는 지방이 내장 기관을 감싸 보호하거나 몸의 절연체 기능을 수행하기 때문이기도 하지만 더 중요한 이유로 포도당이 너무 많아지면 글리코겐으로 저장을 하지만 이것도 너무 많아지면 삼투압에 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 지방은 소수성이라 삼투압에 영향을 주지 않거든요.
이런 중성지방에도 사실 여러 종류가 있는데요. 이 중성지방의 종류는 붙어있는 지방산의 종류에 따라서 나뉩니다. 지방산에는 포화지방산이라는 선형 모양의 지방산이 있고 cis 불포화 지방산이라는 심하게 뒤틀린 지방산이 있습니다. 거기에 trans-불포화 지방산이라는 약간 뒤틀린 지방산도 있어요. 중성 지방에 cis 불포화 지방산이 있으면 중성지방이 많이 뒤틀어진 형태로 존재하기 때문에 분자들이 다닥다닥 붙지 못합니다. 따라서 고체 상태로 존재하는 것이 힘들어 진다는 거죠. 때문에 상온에서 액체로 존재하는데 우리가 흔히 보는 식물성 기름이 이에 속합니다. 이렇게 cis 불포화 지방산을 가지고 있는 중성지방은 단순히 에너지원으로 사용될 뿐만 아니라 여러가지 다른 물질, 예를 들면 아이코사이노이드 호르몬 계열로 전환될 수 있습니다. 때문에 우리 신체 내에서 상당히 중요하죠. 이 때문에 동물성 지방보다는 식물성 지방이 우리 몸에 더 좋다는 겁니다. 중성지방에 만약 불포화 지방산이 있으면 이런 지방산은 곧은 선형으로 서로 서로 붙어 있기가 좋습니다. 따라서 상온에서 고체로 존재하죠. 바로 동물의 지방입니다. 이런 포화 지방산은 사실상 에너지원 외로 쓰일 수 없습니다. trans-불포화 지방산은 사실상 자연에는 굉장히 소량으로 존재하나 인간이 액체성 기름을 운반을 용이하게 하기 위해서 고체로 바꾸면서 인공적으로 많이 탄생한 지방산입니다. 아무래도 원래 자연에 거의 없는 것이었기 땜누에 신체 내에서 분해도 잘 안되고요.몸에 쌓일 시 굉장히 해롭습니다. 주로 혈관에 쌓여서 심혈관계 이상, 당뇨병, 암, 알레르기 등의 질환을 유발하죠.
이번엔 지질의 다른 종류인 막지질에 대해서 설명해보도록 하겠습니다. 막지질은 한쪽 끝은 소수성 다른 쪽 끝은 친수성인 성질을 지닙니다. 그러다보니 물속에서 친수성 부분은 물과 붙고 소수성 부분은 자기들끼리 붙어서 이중층의 막 구조를 형성하게 됩니다. 막 구조를 만드는데 용이하다 보니 생체막의 구성성분을 이룹니다. 하지만 이런 생체 막이라고 해서 전혀 통과할 수 없는 그런 막이 아니라 선택적으로 물질을 투과시키는 반투과막이라고 보시면 되겠습니다.
이런 막지질에도 중성지방과 같이 3가지 종류가 있는데요. 하나는 인산지질(인지질), 다른 하나는 당지질, 마지막 하나는 스핑고 지질입니다. 셋다 기본 구조는 다르지만 어떤 물질이 첨가되었냐에 따라서 종류가 나뉩니다. 먼저 인산 지질은 글리세롤 1분자와 지방산 2개 인산 그리고 R기가 결합한 형태입니다. (여기서 R기란 임의적 분자 구조를 말합니다. R기에는 다양한 다른 물질이 있으며 이에 따라서 인지질의 종류를 나눕니다.) 인지질의 지방산은 보통 한개는 포화지방산이고 다른 하나는 불포화 지방산을 씁니다. 이런 인지질은 보통 세포의 막이나 세포 소기관의 막을 이루고 있습니다.
당지질은 인지질과 같은 구조에 단 인 대신에 당이 와있는 구조인데요. 동물에서는 거의 찾아볼수가 없고 보통 식물 엽록체 틸라코이드 내막의 70~80%를 이룹니다. 이는 동물은 상대적으로 인을 얻을 수 있는 방법이 다양하지만 토양에는 인이 부족하다 보니 식물은 인이 그렇게 많이 얻을 수 없습니다. 때문에 인을 아끼려고 인이 없는 막지질을 대신 사용하는 겁니다. 이 당의 자리에는 보통 갈락토실이나 황이 올 수 있습니다.
스핑고지질은 위의 2개 분자들과는 조금 다르게 스핑고신 1분자 + 지방산 1개 + R기 가 붙어 있는 형태입니다. 스핑고 지질은 종류도 많고 우리 몸에서 중요한 역할을 하며 여러 질병과도 관련이 있는데요. 스핑고 지질의 종류에 대해서 알아보도록 하겟습니다. 스핑고 지질의 한 종류인 스핑고마이엘린은 마이엘린 수초라고 불리우는 우리의 신경세포에서 절연체 역할을 하는 부분의 성분으로 쓰입니다. 락토실세라마이드는 세포막의 당질피질층에 박혀있으면서 ABO식 혈액형을 구분하는 역할ㅇ르 합니다. 갱글리오사이드는 세포막에 필요한 물질인데요. 우리몸에 꼭 필요한 물질이기는 하지만 텍이-삭스 병의 원인이 되기 도 합니다. 테이-삭스 병이란 갱글리오사이드를 분해하는 효소인 헥소사미니데이즈 A가 결핍되어서 갱글리오사이드를 분해할 수 없어서 생겨나는 병으로써, 갱글리오사이드가 뇌에 축적되어서 신경세포를 죽이는 결과는 낳습니다. 결과적으로 이런 병을 가지고 태어난 아이는 이 지질을 분해하지 못하고 결국 2~3세에 죽게 됩니다.
이렇게 크게 2가지 종류의 지질에 대해서 설명을 해드렸습니다. 마지막으로 스테롤에 대해서 설명을 드리고자 해요. 스테롤은 4개의 고리 구조의 화합물을 통칭하는 말로써 6탄소 고리 3개, 5탄소 고리 한개로 이루어져 있으며 평면 구조를 띱니다. 스테롤의 종류에는 콜레스테롤, 피토스테롤, 에르고스테롤 등이 있는데요. 동물은 콜레스테롤을 보통 가지고 있습니다. 이런 스테롤은 우리 몸에서 여러 기능을 하는데요. 이런 기능에 대해서 알아보도록 하죠.
일단 스테롤의 가장 큰 역할을 세포막의 안정성을 유지하는 겁니다. 스테롤은 막지질의 사이사이에 껴서 더울 때 막지질이 해리되는 것을 막아주고 추울 때 응고되는 것을 막아줍니다. 또한 스테로이드 호르몬을 이루기도 해요. 바로 성호르몬과 부신피질 호르몬이 콜레스테롤로부터 만들어지는 물질입니다. 또한 비타민 D가 여기서 만들어 질 수 있습니다.
다음 포스팅에서는 단백질에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
2017년 11월 24일 금요일
우리 몸을 구성하는 분자들: 물, 탄수화물 편
우리 몸을 구성하는 분자는 크게 두 종류로 나뉩니다. 바로 물과 유기 분자인데요. 물이 우리 몸의 대부분을 차지한다는 사실은 많은 분들이 알고 계실거라고 생각합니다만, 유기 분자라는 단어가 생소하신 분들이 있을 겁니다. 이런 분들을 위해서 유기 분자에 대해서 설명을 해보자면, 유기 분자는 4족 원소인 탄소 뼈대로 이루어진 분자입니다. 이런 유기분자의 대표적인 예로는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이 있습니다. 이제 각각의 성분에 대해서 차찾 자세히 알아보고자 합니다.
물은 생물체의 약 70%를 차지하고 있는 우리 몸에서 가장 많은 성분입니다. 이 물을 체액이라고 하는데 이런 체액은 세포 밖에 있는 물(세포 외액)과 세포 안에 있는 물(세포 내액)을 포함하는 말입니다. 세포 외액은 혁액과 세포 사이액으로 이루어져 있다고 보시면 되고요. 이런 물은 수소와 산소 사이의 공유 결합으로 이루어져 있는데요. 산소가 전기 음성도(전자와 친한정도)가 더 강하기 때문에 산소와 수소가 공유하고 있는 전자를 강하게 끌어당겨서 부분적으로 음전하를 띔니다. 때문에 물 분자가 전체적으로 극성인데요. 우리 교과서에 가장 잘 제시되어 있는 예로 떨어지는 물에 전극을 가져다대면 물이 휘는 현상이 있죠. 다른 액체보다도 물이 우리 몸의 대부분을 차지하는데에는 이유가 있는데요. 이는 물의 특수한 성질에서 많이 기인합니다. 일단 물은 비열, 융해열, 기화열이 커서 녹는점과 끓는점이 높습니다. 때문에 주변의 날씨가 심하게 바뀌는 상황에서도 안정적으로 몸을 유지할 수 있는 거지요. 또한 물은 상당한 극성이기 때문에 용해성 즉, 이온화 해리, 하이드록시기와 수소 결합 형성 등을 통해 물질들을 녹일수 있는 능력이 굉장히 큽니다. 이런 성질은 신체 내에서 물질들을 쉽게 운반할 수 있도록 합니다. 이 뿐만이 아닙니다.
위에서 말씀드렸듯이 우리 몸에 있는 유기 분자의 대표적인 예로는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이 있습니다. 이 중 탄수화물부터 설명해 드리도록 하겠습니다. 탄수화물은 보통 단맛을 내는 성질이 있고 에너지원과 생체의 구성 성분으로 이용됩니다. 탄수화물은 또 크게 단당류, 이당류, 다당류로 나뉘는데요. 단당류 종류로는 또 5탄당과 6탄당이 있습니다. 5탄당에는 리보오스와 디옥시리보오스가 있으며 리보오스는 RNA의 구성성분이기도 하고, 디옥시리보오스는 DNA의 구성성분이기도 합니다. 6탄당에는 우리가 많이 아는 포도당, 과당, 갈락토오스가 있습니다. 이당류는 단당류 사이에 글리코시드 결합(당과 당의 연결이 산소에 의해 연계되는 결합) 이 있어서 단당류 2개가 이어진 구조라고 보시면 됩니다. 이런 이당류에는 엿당, 젖당, 설탕이 있습니다. 엿당은 포도당 2개가 이어져 있고요. 젖당은 갈락토오스와 포도당이 이어져 있으며 설탕은 포도당과 과당이 이어져 있습니다. 다당류는 단당류들이 글리코시드 결합으로 연속적으로 쭉 이어진 구조라고 생각하시면 됩니다. 다당류에는 아밀로오스, 셀룰로오스, 아밀로펙틴, 글리코겐, 키틴, 프로테오글리칸, 글리코칼릭스, 펩티도글리칸, 아가로오스 등이 있는데요. 이런 다당류 들의 성질이 좀 중요하기 때문에 밑에서 좀 더 자세히 알아보고 가겠습니다.
아밀로오스는 식물 세포의 양분 저장 형태로 포도당 사이에 a(1-4) 결합이 형성되어 선형의 다당류가 둥글게 말린 구조라고 보시면 됩니다. a(1-4)결합이란 포도당 끼리 연결될때 결합하는 방식중의 하나로 이런 결합으로 포도당이 연결되면 둥글게 말린, 구조를 이루게 된다고 보시면 됩니다. 셀룰로오스는 식물 세포의 세포벽 성분으로 포도당 사이 B(1-4)결합을 형성한 선형의 다당류가 서로 나란히 배열되어 단단한 구조를 이룬것인데요. 이 B(1-4)결합은 a(1-4)결합과는 다르게 딱딱한 구조를 이루게 합니다. 즉, 사실상 아밀로오스와 셀룰로오스의 구성성분은 완전히 같지만 단순히 결합 방식 하나에 의해서 완전히 구조가 갈린다고 볼 만큼 이런 결합 방식은 중요합니다. 사람이 종이를 못먹는 이유도 종이는 거의 셀룰로오스로 이루어져 있는데, 인간의 소화계는 a(1-4) 결합만 끊을 수 있기 때문이죠. 종이를 먹는 소, 염소, 양 등등은 소화계에 b(1-4)결합도 끊을 수 있는 효소가 있기 때문에 가능한 겁니다.
아밀로펙틴과 글리코겐은 둘 다 구조적으로는 아밀로오스에 곁가지로 포도당이 많이 붙어있는 형태라고 보시면 됩니다. 하지만 두개의 쓰임새는 다르죠. 아밀로펙틴은 아밀로오스와 똑같이 식물의 양분 저장 용도로 쓰입니다. 글리코겐은 동물의 간에 양분 저장이 됩니다. 하지만 이 둘의 차이점은 글리코겐이 더 곁가지가 많아요. 생체 내에서 곁가지가 많을 수록 더 빠르게 에너지를 분해해서 쓸수가 있는데요. 동물은 단기간에 빠르게 에너지를 만들어서 써야하기 떄문에 글리코겐을 영양 저장 성분으로 선택한 것 같습니다.
키틴은 위에서는 소개를 안한 단당류 중 한 종류인 N-아세틸글루코사민이 b(1-4)결합으로 연결된 구조입니다. (사실 단당류의 종류는 굉장히 많습니다.) 제가 위에서 B(1-4)결합은 굉장히 딱딱한 구조를 만든다고 했죠? 여기서도 마찬가지입니다. N-아세틸글루코사민이 굉장히 단단한 구조를 만들어서 주로 곤충의 외골격과 균류의 세포벽 등을 이루게 됩니다.
프로테오글리칸은 단백질과 음전하를 띤 이당류 연속체(GAG)가 결합된 구조이고요. GAG가 워낙 길기 때문에 단백질은 사실 굉장히 소량이라고 보시면 됩니다. 이런 프로테오글리칸은 우리 몸에서 2가지 형태로 존재합니다. 분비형과 막관통형인데요. 이런 물질들은 보통 세포 안에서 만들어지기 마련입니다. 그 중 일부는 세포 밖으로 분비가 되고 일부는 세포 막에 가서 박히게 되는 거죠. 분비형은 세포 외기질(ECM), 즉 세포 사이사이를 채우기 위해서 세포들에서 분비되어 세포 밖 환경에서 다른 섬유성 단백질들과 결합해 세포들을 잡아줍니다. 잘 생각해보면 당연한 일인데 우리 몸에 만약 이런 접착제나 윤활유 같은 존재들이 없다면 우리 세포들은 기본적으로 서로 서로 붙어 있을 수 없을 겁니다. 윤활유 역할을 못하면 세포들이 모두 마찰에 닳어서 없어져버릴 수도 있겠네요. 약간 젤 같은 느낌이라고 보시면 됩니다. 막관통형은 세포막에 박혀서 세포밖과 소통하는 역할을 하는데요. 주변 세포와 인식, 부착 등에 관여합니다.
글리코칼릭스는 당질피질이라고도 하는 성분입니다. 사실 딱 어떤 성분을 콕 집어서 이야기하기 보다는 세포막 바깥쪽에 프로테오글리칸, 당단백질, 당지질 등에 의해 형성된 당의 층, 일종의 구조물이라고 보시면 되겠습니다. 이런 글리코칼릭스는 세포 표면을 보호하고 주변 환경과 인식, 부착, 세포 신호 전달등에 관여합니다.
펩티도글리칸은 N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 B(1-4)결합으로 연결된 구조인데요. 보다시피 B(1-4)결합이여서 딱딱한 구조를 이룹니다. 때문에 진정 세균의 세포벽을 형성해서 저장액 환경에서 진정 세균이 터지는 것을 막아줍니다. 아가로오스는 홍조류의 세포벽 성분인데요. 나선 구조의 덩어리를 형성하기 때문에 이런 아가로오스를 녹여 굳여서 아가로오스 겔을 형성합니다. 이런 겔은 핵산을 분리하는 전기연동 실험에서 많이 쓰이지요.
이로써 이번 포스팅에서는 물과 탄수화물 분자들의 종류에 대해서 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 단백질과 지질의 종류와 생체 내에서의 그 쓰임에 대해서 알아보도록 하죠.
2017년 11월 23일 목요일
생물과 무생물의 경계자들
저번 포스팅에서 생물의 정의에 대해서 알아보셨는데요. 이번 포스팅에서는
생물과 무생물의 경계에 있는 일명, 경계자들에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 저번 포스팅에서도 얘기했듯이, 어떤 물질을 보았을 때 이것이 생물인지
무생물인지 판단하기가 참 어려워요. 이렇게 판단하기 어려운 대표 주자에는 먼저 바이러스, 바이로이드, 프리온 등이 있습니다.
먼저 바이러스에 대해서 살펴 보시죠. 바이러스는 러시아의 이바노프스키
박사에 의해서 발견되었습니다. 당시의 러시아에서는 담배를 많이 재배 했었는데요. 이런 담배가 원인 모를 병으로 죽어나가자 당시 국가 재정에는 치명적이었습니다.
때문에 국가는 생물학의 선두를 달렸던 이바노프스키 박사에게 이 병의 원인을 밝혀달라고 부탁했습니다.
이에 이바노프스키 박사는 병든 담배 잎을 갈아서 즙을 내어 세균이 통과할 수 없는 미세한 구멍이 뚫린 세균 여과기에 걸러 건강한 담배
잎에 묻히는 실험을 수행하였습니다. 이바노프스키 박사의 예상으로는 모든 병은 세균으로부터 유래한 것이므로
그 세균이 있는 미세한 구멍을 통과하지 못한 쪽의 액을 잎에 묻혔을 때 발병을 해야 했습니다. 하지만
오히려 결과가 반대로 나타났어요. 이유는 이 병의 원인이 바이러스였고 바이러스는 세균보다 작기 때문에
미세한 구멍을 통과한 것이죠. 이렇게 바이러스가 세상에 밝혀지게 되었습니다.
이런 바이러스는 위의 실험에서도 알 수 있다 시피 굉장히 크기가 작습니다. 세균보다
작아서 세균 여과기를 통과하고요. 관찰도 보통 광학 현미경으로는 불가하고 전자 현미경을 통해서만 관찰이
가능합니다. 이런 특징 외에도 이전 포스팅에서 말했다시피 바이러스는 현재 무생물로 취급 받고 있는데요. 이 이유에는 바이러스가 무생물적 특징을 가지기 때문입니다. 바이러스는
숙주 밖에서는 단순 단백질 덩어리에 불과해요. 또한 세포 소기관들이 없고 세포 구조를 관찰할 수 없습니다. 또한 독립적인 효소가 거의 없어 스스로 물질 대사를 할 수가 없고요. 단백질의
결정 구조를 얻을 수 있습니다. 하지만 단순히 바이러스가 무생물적 특징만 있다면 굳이 경계자들이라고
이름 붙일 이유가 없겠죠? 바이러스는 숙주 내에서는 또 생명 활동을 보입니다. 숙주의 효소들을 사용해 물질 대사와 증식을 하고요. 각종 유전 현상들과
돌연변이를 일으킵니다.
바이러스에 대해서 대략 알아보았으니 또 다른 경계자인 바이로이드에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 바이로이드는 처음 감자와 같은 식물들이 작황 감소의 원인을 찾던 중 발견되었습니다. 바이로이드는 ssRNA로만 이루어진 감염성 입자로 바이러스보다 더
작습니다.(바이러스의 1/1000크기에 해당). 이런 RNA는 숙주 세포 내에서
siRNA로 가공되어 숙제 세포 유전자들의 발현을 억제 합니다.
마지막 대표 경계자는 프리온입니다. 이 프리온은 무척 특이한데요. 프루시너(1982년)에
의해서 단백질로만 이루어진 질병원인 프리온이 발견되었습니다. 이 프리온의 특징에는 바이러스는 가열이나
방사선 처리에 의해 쉽게 불활성화 되지만 이 프리온은 오직 단백질 분해 효소에 의해서만 약한 불활성화가 일어납니다. 사실 정상적인 프리온은 우리 인체 내에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데요. 시간이
지나다 보면 정상적인 프리온 중 일부가 비정상적인 프리온으로 바뀌게 됩니다. 그렇게 되면 끓여도 불활성화
되지 않고 체내 소화 효소들에 내성이 있어서 잘 분해도 되지 않게 됩니다. 보통 신경 세포에서 자연적으로
많이 발생하고요. 비정상 프리온이 응결핵 작용을 해서 나머지 정상 프리온들도 변성되도록 합니다. 이렇게 자기 단백질이 변성된 것이므로 숙주의 면역계가 항원으로 인식해 제거도 못하게 되죠.
위에서 보셨듯 프리온은 굉장히 무서운 질병원임에는 틀림이 없는데요. 그럼
이 프리온이 유발하는 질병에 대해서 알아보겠습니다. 위에서 말했든 신경세포에서 많이 프리온으로 인한
질병이 나타나는데요. 신경세포는 재생이 거의 되지 않기 때문에 이런 프리온으로 인한 피해가 치명적입니다. 비정상 프리온이 뭉치다보면 결국 세포가 사멸해 버리거든요. 신경
세포가 사멸하면서 치매, 즉 알츠하이머병이 나타납니다. 또한
놀랍게도 최근에 다운 증후군도 이런 프리온성 질환임이 밝혀졌습니다. 다운증후군 환자는 21번째 염색체가 1개 더 있어서 나타나는 질병인데요. 21번째 염색체에 있는 한 유전자가 이런 프리온을 만들어내는 역할을 합니다.
보통 사람들은 2개의 유전자가 이런 프리온을 만들어 내는데 다운 증후군 환자는 3개의 유전자가 이런 프리온을 만들어 내다 보니 비정상 프리온이 많이 생기고 이로 인해서 여러가지 장애를 앓게
되는 거죠. 이 외에도 스크래피 병, 쿠루병, 그리고 아직까지도 많은 논란이 있는 광우 병이 있습니다. 쿠루병의
경우 상당히 특이한데요. 파푸아뉴기니아에 사는 한 종족에서 발견된 병으로 동족이 죽으면 죽은 자의 지혜를
나눠갖는다는 의미에서 죽은 사람의 뇌를 먹었다고 합니다. 그런데 보통 죽은 사람은 노인인 경우가 많으니 .. 나이든 사람의 뇌 속에는 아무래도 비정상 프리온이 많았겠죠? 그걸
먹다 보니 비정상 프리온이 다른 사람 몸에도 쌓여서 결국 신경세포들이 많이 사멸해 뇌에 구멍이 뚫리는 병에 걸리게 된겁니다.
2017년 11월 22일 수요일
생물의 정의
이번 포스팅에서는 생물의 정의에 대해서 알아보기로 하겠습니다. 세상에는 많은
물질들이 있습니다. 이중 어떤
것을 생물이라고 하고 어떤 것을 무생물이라고 할까요? 생물 자체가 무척 복잡한 개념인 만큼 한 문장으로 정리하기 어렵다 보니 생물을 정의하는 데에는 여러 가지 기준이 존재합니다. 이런 여러
가지 기준 중에서도 대부분의 과학자들이 공통적으로 합의한 몇 가지 기준에 대해서 먼저 알아보기로 하겠습니다. 첫째, 자기
복제와 증식을 할 수 있다. 둘째, 질서가 있는 조직화된 구조를 이룬다. 셋째, 자극에 반응하고 항상성을 유지한다. 넷째, 물질
대사를 한다. 다섯째, 생식과 진화를 한다.
이렇게 5가지의 기준을 알아 봤는데요. 이제 각자 하나의 기준을 더 면밀히 살펴 보도록 하겠습니다. 일단 첫째
자기 복제와 증식을 할 수 있음. 이 기준은 언뜻 보면 이 기준 자체로 생물을 정의할 수 있는 문장으로
보입니다. 하지만 이 문장이 생물체의 유일한 기준이 될 수 없는 이유에는 생물체가 아닌 바이러스 또한
자기 복제와 증식을 할 수 있다는 겁니다. 바이러스 뿐만 아니라 그저 물질로 간주되는 몇몇 종류의 RNA도 과학이 발전함에 따라서 자기 복제와 증식을 하는 것으로 밝혀지면서 이 기준의 부족함이 많이 알려지게
되었습니다.
둘째, 질서가
있는 조직화된 구조를 이룬다. 라는 조건은 기본적으로 세포를 말하는 겁니다. 생물체는 모두 구조적, 기능적 기본 단위인 세포로 이루어져 있다는
거지요. 단순히 세포로만 이루어진, 즉, 단세포 생물인 원형 생물의 경우도 있지만 동물과 식물의 경우 더 진화를 격으면서 세포를 뛰어넘는 질서와 조직화된
구조를 이루고 있습니다. 예로 동물은 여러 세포들이 모여서 조직을, 여러
조직들이 모여서 기관을, 여러 기관들이 모여서 기관계를 이루고 있습니다.
셋째, 자극에
반응하고, 항상성을 유지한다. 항상성이 어떻게 보면 약간
어려운 말일 수 있는데요. 항상성은 바로 어떤 꾸준한 상태를 유지하려는 성질을 이야기 합니다. 그럼 우리 기관 중에는 어떤 것이 자극의 반응과 항상성의 유지와 관련 있을 까요? 바로 신경계와 내분비계(호르몬)이
이에 해당합니다. 우리의 신경계에는 중추 신경계가 있고 말초 신경계가 있는데요. 중추 신경계는 뇌와 척수로 이루어져 있고 말초 신경계는 구심성 신경(감각
신경), 원심성 신경(운동 신경)으로 이루어져 있어서 주어진 자극을 받아들이고, 판단하고, 이에 반응하는 일을 가능케 합니다. 내분비계의 특징은 미량으로 작용하고, 체액에 의해 운반이 된다는 점이 있ㅅ브니다.
네번째, 물질대사를
한다. 이 말이 어떤 뜻인지 이야기를 해보도록 하겠습니다. 일단
물질 대사라는 자체가 어려우실수 있는 데요. 그냥 물질대사는 생물체 내에서 생명을 유지하기 위해 일어나는
모든 화학 반응이라고 보시면 됩니다. 모든 세포는 질서, 즉
항상성을 유지하기 위해서 이 물질대사를 해야하는 데요. 이를 위해서 이화 작용과 동화작용을 수행합니다. 세포호흡이 이화작용, 광합성이 동화작용의 단적인 예라고 보시면 되겠네요.
다섯번쨰, 생물은
생식과 진화를 합니다. 이 생식에는 여러 가지 방법이 있는데 이 것에 대해서 천천히, 그리고 자세히 설명하도록 하겠습니다. 일단 이 방법을 크게 두 가지로
나눠보면 무성생식과 유성생식이 있습니다. 무성생식은 분열법, 출아법, 포자법 등이 해당하는 것으로 세포 또는 몸의 일부가 분리되어 만들어진다는 겁니다. 즉 거의 자기 자신이 그대로 복제가 되는 것이지요. 이 방법의 장점은
이 과정이 꽤 단순하다는 겁니다. 때문에 짧은 시간에 대량 번식이 가능합니다. 하지만 단점은 그 개체군의 개체들은 모두 동일한 유전자를 가지고 있기 때문에 환경이 바뀌면 몰살되기가 굉장히
쉽다는 겁니다. 이런 단점을 커버하기 위해서 이런 생물들의 세포는 대체로 핵막이 없습니다. 때문에 주변 환경에 의해서 DNA에 많은 변이들이 일어납니다. 이렇게 되어서 복제 당시에는 동일한 유전자를 보유하고 있을지는 몰라도 결과적으로는 다른 유전자를 가지게 되면서
환경에 적응해 나가는 것이지요. 유성생식은 수정하는 것을 말합니다. 즉, 수컷과 암컷이 만나야 합니다. 누군가를 만나야하니까 당연히 증식
속도가 느린 편입니다. 하지만 장점으로는 두 생식 세포가 합쳐지면서 유전적 다양성을 얻기 때문에 다양한
자손들의 출현을 통해 환경 변화에 적응할 수 있습니다. 또한 2n의
핵형을 지니기 때문에 자손에게 정상 유전자를 물려주고 비정상 유전자는 도태시킬 수 있어서 해로운 돌연변이가 제거되는 효과도 있겠습니다.
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