생화학

리모플라빈(비타민 B2)

생화학은 생명체를 다루는 화학이기 때문에 분석화학·유기화학·물리화학의 방법과 생리학의 방법을 이용한다.

생화학은 약간 오래된 생리화학이나 생물화학과 동의어로 사용되지만 일반적으로 매우 큰 분자(단백질과 핵산 등)의 화학적 작용을 다루는 흔히 분자생물학으로 분류된다.

생화학에서 특히 중요한 과거의 사건은 생물현상을 화학적 기초 위에 놓은 것이었다. 화학이 근대 과학으로서 성립하게 된 시기는 대략 1650~1780년으로 이때 화학자들은 동물의 호흡이 연소(燃燒), 즉 화학적 산화와 밀접한 관련이 있으며, 광합성은 본질적으로 호흡의 역이라는 것을 밝혀냈다.

생화학은 19세기에 화학에서 유기화학이 분화되어 구조유기화학이 발달하면서부터 급속히 발전하기 시작했다. 생물체 속의 화합물들이 살아 있는 세포에서 일으키는 여러 가지 화학변화를 밝히는 것이 생화학의 중심과제이다. 따라서 살아 있는 세포 내에 있는 유기물질의 분자구조를 결정하는 것이 이 물질들의 합성과 분해에 관한 세포의 메커니즘에 관한 연구보다 우선적으로 이루어져야 했다.

생화학은 유기화학과 물리화학의 연구방법과 이론을 이용하여 생화학적 문제에 응용해왔다.

그러나 이 방향으로 진보해가는 과정에서 처음에는, 생물의 체내에서 일어나는 물질의 교환은 무생물에 적용되고 있는 화학적·물리적 법칙을 따르지 않으며, 따라서 생명현상은 보통의 화학과 물리의 언어로는 기술할 수 없다고 했던 생기론의 방해를 받았다. 생기론자들은 생체내에서만 합성되는 물질은 보통의 화학적 방법으로는 결코 합성할 수 없다고 주장해왔으나 1828년 독일의 프리드리히 뵐러는 유기화합물인 요소(尿素)를 처음으로 실험실에서 합성하여 생기론자들에게 큰 충격을 주었다.

그후 유기화학자들은 계속해서 많은 천연물의 합성에 성공하여, 생체구성물질만을 대상으로 하는 생화학이 유기화학에서 파생되어나왔다. 무생물인 물질에 적용되는 화학법칙이 생체 세포 내에서도 마찬가지로 유효하다는 것이 현대 생화학에서는 자명한 이치로 되어 있다(생기론).

19세기에 들어 와 유스투스 폰 리비히와 루이 파스퇴르라는 2명의 뛰어난 연구자가 화학을 생물학 연구에 응용하여 극적인 성과를 거두었다.

리비히는 자연계의 커다란 순환회로에 관해서 설명했다. 그는 동물은 식물에 의해서만 합성되는 복잡한 유기화합물을 영양원으로 필요로 하기 때문에 만일 광합성을 하는 식물이 없어지면 동물도 소멸할 것이라고 지적했다. 동물과는 달리 녹색식물은 이산화탄소·물·무기염류·햇빛만 있으면 생장한다.

토양은 무기물의 공급원이고, 영양물질들이 식물에 공급되는 것은 토양의 비옥도에 달려 있다. 리비히는 발효·부패·전염병 연구에는 그다지 공헌하지 못했으나, 파스퇴르는 세균학을 확립했다. 파스퇴르는 1860년대에 여러 가지 효모균이나 세균이 발효 또는 때때로 병의 원인이 되는 발효소(醱酵素)를 만든다는 것을 증명하고, 이 미세한 생물을 연구하는 데 화학적 방법이 유용하다는 것을 보여주었다.

파스퇴르의 발효소는 1877년에 효소라고 명명되었다. 1897년 독일의 화학자 E. 부흐너는 살아 있는 세포가 아니라 효모를 압착했을 때 생긴 즙에서도 발효가 일어남을 보였다. 이렇게 해서 살아 있는 세포에서 일어나는 과정을, 살아 있지 않는 물질계인 효소의 작용으로 해석하는 방법이 확립되었다.

식품에 미량 들어 있는 비타민이 어떻게 각기병·괴혈병·펠라그라와 같은 병을 예방하는가 하는 수수께끼는 1935년에 리보플라빈(비타민 B₂)이 효소의 구성요소라는 사실이 발견되면서 해결되었다.

그후에도 연구를 계속하여 많은 비타민들은 효소의 구성성분 역할을 하기 때문에 세포의 화학반응에 필수적이라는 생각을 입증했다. 1929년에 아데노신삼인산(ATP)이 근육에서 분리되었고, ATP의 생산은 세포 내의 호흡(산화) 과정과 관련되어 있다는 사실이 밝혀졌다.

1935년 2명의 미국 화학자 R.쇤하이머와 D.리텐베르그는 동물 체내에서 이동하는 물질의 경로를 추적하기 위해 방사성동위원소를 처음으로 사용했다.

이 방법은 생체 내에서 일어나는 복잡한 화학변화를 연구하는 데 있어서 대단히 중요한 방법이 되었다. 1869년 고름 세포의 핵에서 분리한 물질을 핵산(核酸)이라고 했는데, 이것은 후에 디옥시리보핵산(DNA)으로 밝혀졌다. 1944년에 이르러서야 유전물질로서의 DNA의 중요성이 인식되었다. 1944년에 세균의 DNA가 다른 세균 세포의 유전형질을 바꾼다는 것이 입증된 지 10년도 지나지 않아서, 웟슨과 크릭에 의해 DNA의 이중나선구조가 제창되었다.

이 모델은 DNA가 세포분열(細胞分裂)에 어떻게 관여하고 종의 유전형질이 어떻게 보존되는가를 이해하기 위한 확실한 기초를 제공했으며, 이에 대한 연구는 계속되고 있다. 최근의 기념비적 업적으로는 단백질의 합성, 효소 내의 원자배열에 대한 상세한 3차원 지도의 제작, 호르몬의 분자 작용을 포함하여 대사를 조절하는 복잡한 메커니즘을 밝혀낸 것 등을 들 수 있다.

연구분야

개요

분자 수준에서 생명에 관해 설명하는 것은 세포 내에서 일어나며 서로 복잡하게 연관되어 있는 화학변화의 계(系), 즉 중간대사로 알려져 있는 과정을 모두 설명하는 것이다.

성장·생식·유전 등의 과정도 중간대사와 밀접하게 연관되어 있으며, 이것들을 개별적으로 이해하는 것은 불가능하다. 복잡한 다세포 생물이 나타내는 성질과 능력은 개개의 세포가 가지고 있는 성질로 축소될 수 있고, 개개의 세포가 나타내는 행동은 그 세포 내에서 일어나는 화학변화와 화학구조를 통해서 이해할 수 있다.

세포 내의 모든 화학변화가 완전하게 설명되고 이해되었을 때, 인간은 지력이 도달할 수 있는 한도 내에서 완전하게 생명을 이해한 셈이 될 것이다.

생체 물질의 화학조성

살아 있는 모든 세포는 물과 염류 외에 다수의 유기화합물을 포함하고 있다.

일반적으로 세포를 이루고 있는 유기물의 대부분은 단백질·탄수화물·지방으로 분류할 수 있다. 핵산과 여러가지 다른 유기 유도체도 중요한 성분이다. 단백질은 생체의 기본 요소로서, 동물체의 구성성분(예를 들면 콜라겐)과 세균 등의 침입물로부터 생체를 지키는 작용을 하는 항체(抗體) 역할을 할 뿐만 아니라, 필수적인 생체촉매를 이루고 있기도 하다.

단백질은 분자량이 작은 것(분자량 5,700인 인슐린)에서부터 큰 것(분자량 100만 이상)에 이르기까지 크기가 다양하다. 탄수화물에는 당류·녹말·셀룰로오스 등의 물질이 포함되어 있다. 탄수화물의 분해경로, 저장과 이용의 경로 등은 20세기 전반에 밝혀졌다. 호흡이나 근수축과 탄수화물의 관계에 관한 주요한 연구는 1950년대에 이르러 완결되었다.

지방은 에탄올이나 에테르·벤젠 등의 비극성 용매에 의하여 생물 시료로부터 추출되는 유기물이다. 생체의 지방이 탄수화물로부터 형성되는 것에 관한 연구는 1850년초에 실시되었는데, 이 연구와 그 후에 계속된 연구에 의해서 탄수화물이 생체 내에서 끊임없이 지방으로 변환된다는 것이 확인되었다.

지방 대사의 주요기관은 간(肝)이다. 핵산은 모든 생물의 세포와 세균에 존재하는 매우 복잡한 고분자 화합물이다. 핵산은 단백질의 합성과 세대간의 유전정보를 전달하는 데 매우 중요한 역할을 하고 있다. 1940년대에는 디옥시리보핵산(DNA)과 리보핵산(RNA) 2종류 핵산이 존재한다는 것이 입증되었다. 핵산이 생물학적으로 중요한 의미를 가지고 있다는 것은 1940, 1950년대에 걸쳐 서서히 밝혀졌다.

영양

생화학자들은 오랫동안 동물이 섭취하는 음식물의 화학조성에 흥미를 가져왔다.

모든 동물은 물과 무기물 외에 음식물에 포함되어 있는 유기물을 필요로 하며, 이 유기물은 그 동물이 필요로 하는 에너지를 충분히 공급한다. 탄수화물·지방·단백질은 일정한 한도 내에서 이 목적을 위해 서로 변환되면서 사용된다. 그외에 동물은 영양물질로서 특수한 유기화합물을 필요로 한다. 식물은 동물과 달리 기존의 유기물을 필요로 하지 않는다는 것이 1700년대말에 실시된 연구에서 밝혀졌다. 녹색식물은 이산화탄소·물·무기염·암모니아·질산염 등과 같은 단순한 물질로부터 자기 자신의 세포를 이루는 성분을 합성한다.

이 작용을 광합성이라고 하며, 광합성을 통해 탄수화물이 만들어진다.

소화

동물과 사람이 섭취하는 식물 중의 유기물은 대부분 고분자로 이루어져 있다.

이 분자들은 고등동물의 소화관에서 가수분해되어 구성성분으로 분해된다. 즉 단백질은 아미노산의 혼합물로, 지방의 일부는 지방산과 글리세롤로, 다당류는 단당류로 분해된다. 일반적으로 생물에서 작은 분자는 모두 동일한 것이 이용되지만 크고 복잡한 분자는 각 생물종에 따라 다르다. 그러므로 동물은 식물이나 다른 동물의 단백질을 직접 이용할 수 없으며, 동물은 섭취한 다른 종류의 단백질을 먼저 아미노산으로 분해한 후에 그 동물 고유의 단백질로 재합성한다.

혈액

혈액은 연구자의 호기심을 끊임없이 불러일으켜온 동물조직의 하나이다.

혈액은 생화학이 시작될 때부터 활발하게 연구되었기 때문에, 혈액의 화학조성은 체내의 다른 조직보다 더 상세하고 정확하게 알려져 있다. 혈액색소인 헤모글로빈은 집중적으로 연구되어왔다. 헤모글로빈은 적혈구에 포함되어 있고, 산소를 폐에서 다른 조직으로 운반하는데 산소농도가 높은 폐에서는 산소와 결합하고, 산소농도가 낮은 조직에서는 산소를 방출한다.

대사와 호르몬

세포에서는 복잡하지만 질서있게 진행하는 일정한 화학변화가 일어나고 있으며, 이 화학변화를 통틀어 대사라고 한다.

대사는 열의 방출과 관련되어 있다. 즉 방출된 열은 동일한 화학변화가 생체 밖에서 일어났을 경우에 얻어지는 열의 양과 같다. 이 사실은 열역학 법칙이 생체 내에서도 적용될 수 있음을 보여준다. 호르몬은 대사의 조절인자로 볼 수 있다. 호르몬 연구는 생리적 효과의 결정, 구조결정, 호르몬 작용에 따른 화학적 메커니즘 결정이라는 3가지 측면에서 이루어지고 있다.

유전자

유전자 연구에 의해서 종의 유전형질은 자기복제를 하는 단위인 유전자에 의해서 유지·전달된다는 것이 밝혀졌다.

유전자는 핵산으로 이루어져 있고, 핵의 염색체 내에 있다. 20세기 중반 DNA의 화학구조가 결정되었고, 그 자기복제 메커니즘과 핵의 DNA에 의해서 RNA 합성이 일어나는 방식을 설명하는 것은 생물학사에서 매력적인 부분의 하나이다.