생화학은 생명 현상을 화학의 언어로 풀어내는 학문입니다. 우리 몸속에서 일어나는 수많은 반응들이 정교한 화학 과정이라는 사실은 매우 흥미롭습니다. 음식이 에너지로 변환되고, 상처가 회복되며, 감정에 따라 신체 상태가 달라지는 모든 현상을 생화학으로 설명할 수 있습니다. 생화학은 살아있는 생물체 내부의 구성 성분 및 생물체와 관련된 생리작용 또는 화학적 과정에 대해 연구하는 학문으로, 생명의 복잡성을 밝혀내는 핵심 과학 분야입니다.
생화학과 분자생물학의 긴밀한 관계
생화학은 분자유전학, 단백질 과학, 물질대사의 세 가지 분야로 나뉩니다. 20세기 지난 수십 년 동안 생화학은 이들 세 가지 분야를 통해 생명의 과정을 성공적으로 설명해 왔습니다. 생화학은 DNA에 암호화되어 있는 유전 정보가 생명의 과정을 일으킬 수 있는 분자 메커니즘에 관한 연구인 분자생물학과 매우 밀접한 관련이 있습니다.
생화학의 대부분은 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질과 같은 생물학적 고분자의 구조, 기능, 상호작용 등에 대해 다룹니다. 이들 생체분자들은 세포의 구조를 형성하고 생명활동과 관련된 많은 기능들을 수행합니다. 특히 단백질은 585개의 아미노산 잔기들로 구성된 알부민과 같이 복잡한 구조를 가지며, 효소로서 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 10 ¹¹배 이상 증가시킬 수 있습니다.
1950년대 제임스 D. 왓슨, 프랜시스 크릭, 로절린드 프랭클린, 모리스 윌킨스는 DNA 구조를 밝혀내고 유전 정보의 전달 관계를 제안하는데 중요한 역할을 했습니다. 핵산은 뉴클레오타이드를 단위체로 하는 중합체이며, 핵염기의 서열이 정보를 저장합니다. 아데닌, 사이토신, 구아닌은 DNA와 RNA에서 모두 발견되는 반면, 티민은 DNA에서만, 유라실은 RNA에서만 발견됩니다. 눈에 보이지 않는 분자들이 정확한 순서와 규칙에 따라 움직이며 생명 현상을 만들어낸다는 사실은 생화학이 가진 가장 큰 매력입니다.
물질대사와 에너지 생성의 정교한 과정
포도당은 대부분의 생명체에서 주요 에너지원으로 사용됩니다. 포도당은 해당과정이라고 불리는 10단계 과정으로 대사되며, 그 결과로 포도당 1 분자가 피루브산 2 분자로 분해됩니다. 해당과정은 2 분자의 NAD⁺를 2 분자의 NADH로 전환시키고, 세포의 에너지 화폐인 ATP 2 분자를 순생성합니다. 해당과정은 산소를 필요로 하지 않는다는 점이 중요합니다.
충분한 산소를 공급받는 세포에서 피루브산은 더 대사될 수 있습니다. 피루브산은 아세틸-CoA로 비가역적으로 전환되고, 이 과정에서 이산화 탄소가 방출되며 NAD⁺가 NADH로 환원됩니다. 1 분자의 포도당으로부터 생성된 2 분자의 아세틸-CoA는 시트르산 회로로 들어가서 4CO₂로 완전 분해되고, 이 과정에서 6NADH, 2FADH₂, 2ATP를 생성합니다.
생성된 NADH와 FADH₂는 전자전달계로 전달되는데, 전자전달계는 궁극적으로 전자를 산소(O₂)로 전달하고 이 과정에서 방출되는 에너지로 막을 경계로 한 H⁺(양성자)의 농도 기울기를 형성합니다. 포도당 1분자가 세포 호흡에 사용되면, 해당과정에서 기질 수준 인산화로 2ATP, 시트르산 회로에서 기질 수준 인산화로 2ATP, 산화적 인산화에서 28ATP가 합성되므로, 총 32ATP가 생성됩니다. 이처럼 우리 몸 안에서 일어나는 에너지 생성 과정은 매우 정교하고 효율적입니다. 포도당을 완전히 산화시키기 위해 산소를 사용하는 것은 산소를 사용하지 않는 어떤 대사 과정보다 훨씬 많은 에너지를 생물체에 제공합니다.
척추동물에서 격렬하게 수축하는 골격근은 에너지 요구량을 충족시킬 만큼 충분한 산소를 공급받지 못하기 때문에 혐기성 대사 과정으로 전환되어 피루브산을 젖산으로 전환시킵니다. 간은 포도당신생합성이라는 과정을 사용하여 포도당을 재생성하는데, 이 과정은 해당과정에서 얻은 2ATP와 비교하여 6ATP를 필요로 합니다. 운동 중의 근육세포의 해당과정, 근육세포의 피루브산이 젖산으로 전환된 다음 혈액으로 방출되고, 간세포에서 젖산이 피루브산으로 전환된 다음 포도당신생합성을 통해 포도당을 합성하고 포도당을 혈액으로 방출하는 순환을 코리 회로라고 합니다.
의학과 생명과학 분야에서의 응용
생화학에서의 발견은 주로 의학, 영양학, 농업에 적용됩니다. 의학에서 생화학자들은 질병의 원인과 질병의 치료 방법 및 의약품에 대해 연구합니다. 예를 들어 헤모글로빈의 β 소단위체의 6번째 아미노산인 글루탐산 잔기가 발린 잔기로 치환되면 헤모글로빈의 입체 구조가 바뀌어 낫 모양 적혈구 빈혈증을 일으킬 수 있습니다. 이처럼 아미노산 1개가 바뀌어도 전체 구조를 변화시킬 수 있다는 사실은 생화학 연구의 중요성을 잘 보여줍니다.
거티 코리와 칼 코리는 코리 회로를 발견한 공로로 1947년에 노벨 생리학·의학상을 공동수상했습니다. 조지 비들과 에드워드 테이텀은 균류에서 하나의 유전자는 하나의 효소를 생성한다는 것을 보여준 공로로 1958년에 노벨 생리학·의학상을 수상하였습니다. 앤드루 파이어와 크레이그 멜로는 유전자 발현의 침묵에서 RNA 간섭(RNAi)의 역할을 발견한 공로로 2006년에 노벨 생리학·의학상을 수상하였습니다.
영양학에서 생화학자들은 건강을 유지하는 방법과 영양소 결핍의 영향에 대해 연구합니다. 포유류는 필요로 하는 아미노산들 중 절반 정도만 합성할 수 있습니다. 이들은 아이소류신, 류신, 리신, 메싸이오닌, 페닐알라닌, 트레오닌, 트립토판, 발린을 합성할 수 없으며, 이들은 필수 아미노산이기 때문에 섭취하는 것이 필수적입니다. 농업에서 생화학자는 토양과 비료를 조사하고, 작물 재배, 작물의 저장 및 해충 방제를 개선할 수 있는 방법을 발견하려고 노력합니다.
생화학 연구자들은 생화학 고유의 특정 기술들을 사용하지만, 유전학, 분자생물학, 생물리학 분야에서 개발된 기술과 아이디어를 점점 더 결합시켜 사용하고 있습니다. 크로마토그래피, X선 결정학, 이중 분극 간섭계, 핵자기 공명분광법, 방사성 동위원소 표지법, 전자현미경, 분자동역학 시뮬레이션과 같은 새로운 기술이 발달하면서 생화학은 큰 발전을 이루었습니다. 콜린 피치포크는 1988년에 DNA 증거로 살인 혐의에 대한 유죄 판결을 받은 최초의 사람으로, 이것은 법과학의 발전을 이끌었습니다. 필립 랜들은 1963년에 발견한 랜들 회로(포도당-지방산 회로) 및 당뇨병에 대한 연구로 잘 알려져 있으며, 고지방 산화가 인슐린 저항성의 원인이었음을 확인했습니다.
생화학은 복잡하지만 그만큼 우리 몸을 이해하는데 꼭 필요한 학문입니다. 생명과학의 거의 모든 분야들이 생화학적 방법론과 연구에 의해 밝혀지고 발전하고 있으며, 생화학은 생체분자들이 어떻게 살아있는 세포 내에서 그리고 세포들 사이에서 일어나는 과정들을 발생시키는지를 이해하는데 초점을 맞추고 있습니다. 이는 차례로 조직, 기관, 개체의 구조와 기능에 대한 연구와 이해와 크게 관련되어 있습니다. 사람과 가장 가까운 과학 중 하나인 생화학은 앞으로도 의학, 영양학, 농업 등 다양한 분야에서 인류의 삶의 질을 높이는데 중요한 역할을 할 것입니다.
[출처]
생화학 - 위키백과: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%9D%ED%99%94%ED%95%99