생화학의 생체분자

과당(C6H12O6)은 과일의 단맛과 관련 있는 단당류이며, 데옥시리보스(C5H10O4)는 DNA의 구성 성분이다. 단당류는 선형 또는 고리형으로 존재할 수 있다. 선형의 단당류는 카보닐기와 하이드록시기의 반응으로 산소 원자가 고리에 포함된 탄소 고리의 형태를 만들 수 있다. 가장 간단한 형태의 탄수화물은 단당류이며, 대부분 탄소, 수소, 산소가 1:2:1의 비율로(일반적인 화학식은 CnH2 non, 여기서 n은 3 이상) 포함되어 있다. 포도당(C6H12O6)은 가장 중요한 탄수화물이다. 고리형 분자는 알도스이면 헤미아세탈, 케토스이면 헤미케탈이다. 이런 고리형에서, 고리는 보통 5개 또는 6개의 원자를 가진다. 5 원자 고리형은 5 원자 고리 화합물인 퓨란을 닮아서 푸라노스라고 하며, 6 원자 고리형은 6 원자 고리 화합물인 피란을 닮아서 피라노스라고 부른다. 예를 들어, 알도헥소스인 글루코스(포도당)는 1번 탄소의 카보닐기와 4번 탄소의 하이드록시기 사이에 결합이 만들어져 헤미아세탈이 형성되면, 글루코푸라노스라고 불리는 5 원자 고리 구조를 만들 수 있다. 같은 반응이 글루코스의 1번 탄소의 카보닐기와 5번 탄소의 하이드록시기 사이에 일어나면, 글루코피라노스라고 불리는 6 원자 고리 구조를 생성할 수 있다. 생체분자의 4가지 주요 부류는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이다. 많은 생물학적 분자(생체분자)들은 중합체이다. 서로 차별화된 고분자들은 더 큰 복합체를 구성할 수 있으며, 이러한 복합체들은 종종 생물 활성에 필요하다. 탄수화물의 주요 기능 중 두 가지는 에너지의 저장과 구조의 형성이다. 단위체는 중합체로 알려진 큰 고분자를 생성하기 위해 서로 연결된 상대적으로 작은 분자들이다. 단량체가 서로 연결되어 생체고분자를 합성할 때 탈수 반응을 거치게 된다. 당(糖)은 탄수화물이지만, 모든 탄수화물이 당인 것은 아니다. 지구 상에는 많은 종류의 탄수화물들이 존재한다. 탄수화물은 에너지 저장에 사용될 뿐만 아니라 세포와 세포 사이의 상호작용 및 세포 신호전달에 중요한 역할을 한다. 두 개의 단당류는 물 분자가 방출되는 탈수 반응을 통해 글리코사이드 결합을 형성하여 이당류를 생성할 수 있다. 이당류는 가수분해 반응으로 글리코사이드 결합이 분해되어 2개의 단당류를 생성할 수 있다. 가장 유명한 이당류는 포도당 1분지와 과당 1분지로 구성된 슈크로스(설탕)다. 또 다른 주요 이당류는 포도당 1분지와 갈락토스 1분지로 구성된 우유에서 발견되는 젖당이다. 젖당(락토스)은 락테이스에 의해 가수분해될 수 있으며, 락테이스의 결핍은 젖당 불내 증의 원인이 된다. 탄수화물은 환원 말단 또는 미환원 말단을 가질 수 있다. 젖당에서 포도당 전기는 환원 말단을 가지고 있고, 갈락토스 전기는 포도당의 4번 탄소의 하이드록시기(-OH)와 완전한 아세탈을 형성한다. 슈크로스는 포도당의 1번 탄소의 알데하이드와 과당의 2번 탄소의 케톤 사이에 완전한 아세탈의 형성으로 인해 환원 말단을 가지지 않는다. 탄수화물의 환원 말단은 선형의 알데하이드(알도스) 또는 케톤(케토스) 형태와 평형을 이룰 수 있는 탄소 원자이다. 이러한 환원 말단의 탄소 원자에서 단위체의 결합이 일어나는 경우, 피라노스 또는 푸라노스 형태의 자유 하이드록시기는 다른 당의 하이드록시기 사슬자와 교환되어, 완전한 아세탈을 생성한다. 이것은 알데하이드 또는 케톤의 형태로 사슬이 열리는 것을 예방하고, 수정된 전기를 비환원성으로 만든다. 지질은 다양한 종류의 분자들을 포함하고 있으며, 왁스, 지방산, 인지질, 스핑고지질, 등지질 및 테르페노이드(예: 레티노이드와 스테로이드)를 포함한 생물로부터 기원한 비교적 물에 불용성이고, 비극성 화합물들을 포괄하는 화합물들이다. 일부 지질들은 선형의 지방족 화합물이며, 다른 지질들은 고리 구조로 되어 있다. 일부 지질들은 방향족 화합물(고리형의 평면 구조를 가진)인 반면, 다른 지질들은 그렇지 않다. 어떤 지질들은 유연하지만, 다른 지질들은 경직된 것도 있다. 몇 개(약 3~6개)의 단당류들이 결합하면, 올리고당("올리고(oligo-)"는 "소수(few)"를 의미)을 형성한다. 올리고당은 표지 및 세포 신호뿐만 아니라 다른 용도로 사용될 수 있다. 수많은 단당류가 중합되면 다당류를 형성한다. 단당류들은 긴 선형 사슬의 형태로 결합하거나, 분지(가지 구조)를 만들 수도 있다. 일반적인 다당류로 셀룰로스, 지질 구조 대부분은 물과 같은 극성 용매와 상호 작용을 잘 하지 않는다는 것을 의미하는 비극성 또는 소수성이다. 지질 구조의 또 다른 부분은 극성 또는 친수성이며, 물과 같은 극성 용매와 상호작용을 잘하는 경형이 있다. 녹말, 글리코젠이 있는데, 이들 세 가지 다당류들은 포도당 단위체들의 결합으로 구성되어 있다. 셀룰로스는 식물의 세포벽의 중요한 구조적 구성 성분이며, 녹말은 식물의 에너지 저장 형태로, 글리코젠은 동물의 에너지 저장 형태로 사용된다. 대부분 지질은 전체적으로 비극성이지만, 일부분이 극성을 가질 수도 있다. 대체로 소수성 부분과 친수성 부분을 모두 가지고 있는 분자를 양친 매성 분자라고 한다. 콜레스테롤의 경우 극성 부위는 하이드록시기(-OH)이다. 인지질의 경우 극성 부위는 인산을 포함하는 머리 부분이다. 지질은 보통 글리세롤 1분지에 다른 분자들이 결합하여 만들어진다. 트라이글리세라이드는 1분지의 글리세롤과 3분지의 지방산의 결합으로 구성되어 있다. 이러면 지방산은 포화(탄소 사슬에 이중 결합이 없음)되거나 불포화(탄소 사슬에 하나 이상의 이중 결합이 있음)될 수 있다. 지질은 사람의 일상 식단의 필수적인 부분이다. 사람들이 주로 섭취하는 대부분 기름과 버터, 치즈, 기와 같은 유제품들은 지방으로 구성되어 있다. 식물성 기름은 다양한 다불포화지방산이 풍부하다. 지방 함유 식품은 체내에서 소화 과정을 거치며, 지방의 최종 분해 산물인 지방산과 글리세롤로 나누어진다. 또한, 지질, 특히 인지질은 다양한 의약품에서 이용되는데, 공동가용화제(예: 비경구 투입) 또는 약물 운반체의 성분(예: 리포솜 또는 이동 솜)으로 사용된다.