1.2 화학적 기반

생명체의 화학 반응은 제한된 원소가 조합된 분자들 사이에서 일어난다. 탄소(C)는 보통 네 개의 공유 결합을 형성할 수 있어 사슬형, 가지형, 고리형 골격을 만들며, 단일 결합과 이중 결합의 배열에 따라 다양한 구조를 형성한다. 동일한 탄소 골격도 어느 원자단이 결합하는가에 따라 극성·산염기성·반응성·분자 인식 특성이 크게 달라진다.

1.1 탄소 골격은 분자의 모양과 결합 가능성을 정한다

탄소-탄소 단일 결합을 중심으로는 대체로 회전이 가능하지만, 이중 결합에서는 π 결합 때문에 자유 회전이 제한된다. 사슬이 유연한지, 고리가 평면적이거나 접힌 형태를 이루는지, 특정 위치가 단단히 고정되어 있는지는 효소에 결합하는 능력과 막을 통과하는 성질에 영향을 준다. 생체분자를 이해할 때 분자식뿐 아니라 결합의 연결 순서와 공간 구조를 확인해야 하는 이유다.

1.2 작용기는 분자의 성질을 바꾸는 화학적 부분이다

작용기(functional group)는 분자의 비교적 일정한 반응성과 물리화학적 성질을 나타내는 원자단이다. 하이드록실기(-OH)는 수소 결합에 참여하고, 카복실기(-COOH)는 양성자를 방출할 수 있으며, 아미노기(-NH₂)는 양성자를 받아들이는 형태로 존재할 수 있다. 인산기는 강한 수화와 음전하에 기여하고, 설프하이드릴기(-SH)는 조건에 따라 이황화 결합을 형성한다.

1.3 실제 생체분자에는 작용기가 여러 개 함께 존재한다

글리신은 아미노기와 카복실기를 동시에 가지므로 단순한 아민 또는 카복실산과 다른 산염기 거동을 보인다. 포도당은 여러 하이드록실기와 카보닐기를 지니고, 수용액에서는 주로 고리형 구조로 존재한다. 젖산은 하이드록실기와 카복실기를 동시에 갖는다. 시스테인은 황 원자를 포함하는 곁사슬로 단백질의 구조 안정화와 산화환원 반응에 기여할 수 있다.

1.4 pH에 따라 같은 작용기의 전하가 달라진다

카복실산은 HA ⇌ H⁺ + A⁻의 평형을 이룬다. pH가 pKa보다 높아지면 A⁻의 비율이 증가하고, pH가 pKa보다 낮아지면 HA가 우세하다. 아민의 양성자화 형태 BH⁺ 또한 BH⁺ ⇌ B + H⁺의 평형을 이룬다. 생체분자의 전하가 바뀌면 물에 녹는 성질과 단백질의 결합 부위에 대한 친화력도 변할 수 있다.

헨더슨-하셀바흐 관계식 pH = pKa + log([A⁻]/[HA])를 사용하면 산형과 염기형의 비율을 계산할 수 있다. pH = pKa일 때 두 형태의 농도는 같고, pH가 pKa보다 2 높으면 [A⁻]/[HA] = 100이다. 이 수식은 다음 단원인 물과 완충 용액에서 다시 활용한다.

세포마다 특징적인 대사물질은 다르지만, 여러 생물에서 공통으로 사용하는 물질군이 존재한다. 단당류는 탄소와 에너지의 원천, 아미노산은 단백질의 구성 단위, 뉴클레오타이드는 핵산의 재료이자 에너지 전달·신호 전달에 관여하는 물질이다. 세포 내부에는 이러한 유기 저분자뿐 아니라 물, 금속 이온, 인산염 같은 무기 성분도 반드시 존재한다.

2.1 작은 분자의 종류와 역할

2.2 중심 대사와 생합성 전구체

포도당은 해당과정의 여러 단계를 거쳐 피루브산으로 전환될 수 있고, 피루브산은 아세틸-CoA 등을 통해 다른 대사 경로와 연결된다. 아세틸-CoA의 아세틸기는 시트르산 회로와 지방산 합성 등에 이용된다. 특정 대사 경로의 유무와 방향은 생물 종, 조직, 영양 상태, 산소 공급 등 조건에 따라 달라진다.

2.3 ATP·NAD⁺·조효소 A는 화학 반응을 연결하는 전달체다

ATP(아데노신 삼인산)는 여러 반응에서 인산기를 전달하거나 ATP의 가수분해와 결합된 과정을 통해 반응을 추진한다. ATP의 가수분해 반응이 자유에너지 측면에서 유리한 이유는 단순히 “결합에 에너지가 저장되어 있어 끊으면 나온다”로 설명되지 않는다. 반응물과 생성물의 공명 안정화, 수화, 전하와 농도 조건을 함께 고려해야 한다.

NAD⁺는 보통 두 전자와 하나의 양성자에 해당하는 환원 당량을 받아 NADH로 전환되며, FAD/FADH₂도 산화·환원 반응에 관여한다. 조효소 A는 티오에스터 결합 형태로 아실기를 운반한다. 이처럼 세포는 여러 반응에 공통적인 전달체를 사용하여 서로 다른 대사 경로를 연결한다.

교과서와 연구 문헌에서는 ‘분자량’이라는 말이 여러 의미로 쓰이므로 정확한 용어를 구분해야 한다. 특히 단백질의 크기를 kDa로 표현하는 관행과 용액의 농도를 mol/L로 표시하는 관행을 연결하려면 개별 분자의 질량과 물질의 몰질량을 구별해야 한다.

계산 사례 A 포도당 한 분자와 포도당 1 mol

포도당의 분자식은 C₆H₁₂O₆이다. 고등학교에서 자주 쓰는 상대 원자질량 C = 12.01, H = 1.008, O = 16.00을 사용하면 Mr = 6(12.01) + 12(1.008) + 6(16.00) = 180.156이다. 따라서 평균적인 포도당 분자의 질량은 약 180.156 Da, 몰질량은 약 180.156 g/mol이다. 두 값의 숫자가 비슷하지만 단위와 물리적 의미는 완전히 다르다.

계산 사례 B 단백질 50 kDa의 질량

단백질의 분자질량이 약 50 kDa라면 그 몰질량은 약 50,000 g/mol이다. 이 단백질 0.10 μmol의 질량은 (50,000 g/mol) × (0.10×10⁻⁶ mol) = 0.0050 g = 5.0 mg이다. 계산에서는 ‘한 분자당 50,000 Da’와 ‘1 mol당 50,000 g’의 대응을 사용한다.

계산 사례 C 펩타이드 합성 후 질량은 어떻게 달라지는가?

글리신 두 분자가 결합해 글리실글리신(Gly-Gly) 한 분자를 만들 때, 축합의 순반응식에서는 물 한 분자가 제거된 것으로 계산할 수 있다. 따라서 몰질량은 대략 2×75.07 − 18.015 = 132.125 g/mol이다. n개의 아미노산이 한 개의 선형 펩타이드로 연결되는 모형에서는 펩타이드 결합이 n−1개 형성되며 그 수만큼 H₂O에 해당하는 질량을 뺀다.

거대분자(macromolecule)는 큰 분자량과 복잡한 구조를 가진 분자다. 여러 생물에서 단백질, 다당류, 핵산은 작은 구성 단위가 공유 결합으로 반복 연결된 고분자이며, 지질은 생명 유지에 필수적인 주요 분자군이지만 모두가 반복 단량체로 이루어진 고분자는 아니다. 즉, “생체의 주요 네 분자군”과 “모두 같은 방식으로 중합된 고분자”는 동일한 뜻이 아니다.

3.1 생체 구성 단위와 결합 방식

3.2 축합과 가수분해는 연결과 분해를 설명하는 기본 모형이다

단량체들이 공유 결합을 형성할 때 일반적인 화학량론을 축합 반응으로 나타낼 수 있다. 반대로 결합의 절단에 물이 참여하면 가수분해 반응이라고 부른다. 그러나 세포 내 실제 고분자 합성은 단량체를 단순히 섞어 물만 제거하는 과정이 아니다. 예를 들어 단백질 합성에는 tRNA에 결합한 활성화 아미노산과 리보솜이 필요하고, 핵산 합성에는 뉴클레오사이드 삼인산이 사용된다.

3.3 고분자는 단순한 ‘분자의 합’ 이상의 성질을 가진다

세포는 아미노산을 무작위로 나열해 단백질을 만들지 않는다. 아미노산 서열은 단백질의 접힘과 상호작용 가능성을 제약하며, 형성된 3차원 구조가 촉매·수송·신호 전달 기능에 영향을 준다. 핵산은 염기 서열의 상보성을 이용하여 정보를 저장하고 복제한다. 다당류도 같은 단당류가 연결되어 있더라도 결합 위치·입체배열·가지 형성 정도에 따라 녹말·글리코젠·셀룰로스처럼 크게 다른 성질을 갖는다.

단량체가 수백~수천 개 연결된 큰 고분자를 사용하면 같은 총 질량의 단량체가 따로 있을 때에 비해 용질 입자 수가 줄어들 수 있다. 이는 단순한 이상 용액 모형에서 삼투압에 영향을 준다. 다만 실제 세포에서는 고분자의 전하, 용매와의 상호작용, 소분자·이온 농도 등도 중요하다.

3.4 단백질의 입체 구조 단계

단백질의 1차 구조는 아미노산 서열, 2차 구조는 α-나선·β-병풍과 같은 국소적 주사슬 배열, 3차 구조는 한 폴리펩타이드 사슬의 전체적 3차원 접힘, 4차 구조는 여러 폴리펩타이드 사슬의 조립을 뜻한다. 모든 단백질이 하나의 고정된 구조만 가지는 것은 아니며, 구조가 유연하거나 질서가 낮은 영역을 가진 단백질도 있다.

분자식이 같아도 원자가 연결된 순서가 다르면 구조 이성질체이고, 연결 순서가 같아도 원자의 공간 배치가 다르면 입체이성질체일 수 있다. 생체분자의 기능을 이해하려면 평면 구조식뿐 아니라 입체배열과 입체형태를 구분해야 한다.

4.1 연결 구조, 입체배열, 입체형태

입체배열(configuration)은 단순한 단일 결합의 회전으로는 서로 바뀌지 않는 공간적 차이를 나타낸다. 예를 들어 서로 거울상 관계인 거울상 이성질체와 이중 결합의 E/Z 이성질체는 일반적으로 이러한 범주에서 설명한다. 입체형태(conformation)는 회전 가능한 단일 결합의 회전이나 분자의 접힘과 같은 움직임으로 달라질 수 있는 배치를 뜻한다. 실제 단백질은 여러 입체형태 사이에서 변할 수 있으며, 특정 리간드의 결합이 이 평형을 바꾸기도 한다.

4.2 카이랄성과 거울상 이성질체

카이랄(chiral)한 물체는 자신의 거울상과 포개어지지 않는다. 손의 오른쪽과 왼쪽이 대표적인 비유다. 탄소 원자에 서로 다른 네 치환기가 결합된 경우에는 카이랄 중심이 될 수 있지만, 모든 카이랄 분자가 반드시 이런 중심을 가져야 하는 것은 아니다. 서로 거울상이면서 겹칠 수 없는 입체이성질체를 거울상 이성질체(enantiomers)라고 한다.

거울상 이성질체는 비카이랄 환경에서는 여러 물리적 성질이 같지만, 평면편광을 회전시키는 방향이 반대이고 카이랄한 효소·수용체 등과의 상호작용은 달라질 수 있다. 따라서 생체에서 분자 인식의 결과를 예측하려면 분자식이나 결합 연결만으로는 충분하지 않다.

4.3 D/L, R/S, (+)/(−) 표기는 같은 의미가 아니다

D/L은 기준 분자인 글리세르알데하이드와의 상대적 입체배열 관계에 근거하는 명명 관례다. 단당류에서는 보통 피셔 투영식의 기준 카이랄 탄소에 있는 -OH 위치를 이용하여 D와 L을 구분한다. R/S는 결합된 치환기의 우선순위를 적용하는 CIP 규칙에 따라 특정 중심의 절대배열을 표시한다. (+)/(−)는 실험에서 관측한 평면편광의 회전 방향을 나타낸다.

가장 중요한 경고 D가 반드시 (+)를 뜻하지 않고 L이 반드시 (−)를 뜻하지 않는다. 또한 D/L과 R/S는 다른 명명 체계이므로 단순 대응시키면 오류가 생긴다. 생물의 단백질에 사용되는 표준 α-아미노산은 대부분 L형이며, 글리신은 카이랄 중심이 없다. L-시스테인처럼 R 절대배열을 갖는 예외도 있다.

4.4 단일 결합 회전과 입체형태의 에너지

에테인의 C-C 단일 결합을 중심으로 한 회전을 생각해 보자. 수소 원자들이 서로 겹쳐 보이는 방향과 엇갈려 보이는 방향은 상대적 에너지가 다르다. 결합 회전이 대체로 가능하다는 말은 모든 회전각에서 에너지가 같다는 뜻이 아니다. 단백질에서도 주사슬·곁사슬의 회전 가능 범위가 입체 충돌, 수소 결합, 용매, 주변 원자의 배열에 의해 제한된다.

4.5 입체형태 변화는 분자 기능과 연결된다

효소는 결합 전과 후에 서로 다른 입체형태를 선호할 수 있고, 막 단백질은 입체형태 변화로 이온이나 영양소를 수송할 수 있다. 단백질의 일부 부분이 유연하게 움직이기 때문에 생체분자 반응은 고정된 물체들이 부딪히는 현상보다 동적인 분자 집단의 상호작용으로 이해하는 것이 정확하다.

1848년, 루이 파스퇴르(Louis Pasteur)는 포도주·발효와 관련된 타르타르산염의 결정을 연구하던 중 화학 조성이 같은 물질이 왜 평면편광에 서로 다른 영향을 주는지 탐구했다. 그는 당시 “파라타르타르산” 계열 시료에서 서로 거울상 관계인 결정 두 종류를 식별하고, 작은 결정을 직접 분리하여 각각의 용액을 관찰하였다.

분리한 두 결정 집단의 용액은 평면편광을 서로 반대 방향으로 회전시켰다. 원래 시료처럼 두 거울상 성분이 동량으로 섞여 있으면 회전 효과가 상쇄되어 겉보기 광학 활성이 나타나지 않았다. 이 관찰은 분자의 성질이 원자의 종류나 결합의 조성뿐 아니라 비대칭적인 공간 배열과 밀접하게 연관된다는 중요한 단서가 되었다.

역사적 발견이 갖는 생화학적 의미

파스퇴르의 연구는 “분자가 거울상으로 존재할 수 있으며, 그 차이를 측정할 수 있다”는 인식을 확산시켰다. 이는 훗날 효소의 입체특이성, 생체분자의 카이랄성, 의약품의 거울상 이성질체를 설명하는 기초가 되었다. 다만 결정의 좌우 모양, D/L 또는 R/S 명명, 용액에서의 (+)/(−) 회전 방향이 항상 같은 규칙으로 대응하는 것은 아니다.

생각 실험: 광학 활성을 나타내지 않는 이유는 모두 같을까?

시료 A는 카이랄하지 않은 물질의 순수 용액이고, 시료 B는 서로 반대 방향으로 같은 크기의 회전 효과를 가진 거울상 이성질체가 정확히 1:1로 섞인 용액이라고 하자. 두 용액 모두 관측 회전각이 0일 수 있다. 그러나 A는 개별 분자 자체가 비카이랄하고, B는 개별 분자가 카이랄하지만 두 성분의 효과가 상쇄된다는 점에서 다르다. 따라서 광학 회전각 0이라는 결과만으로 분자의 카이랄성 유무를 단정할 수 없다.

사료 해석 역사적 연구의 핵심은 관찰→분류→분리→측정→공간 구조에 관한 가설의 순서다. 관측 결과를 오늘날의 모든 입체화학 용어와 곧바로 1:1로 대응시키면 당시의 발견 과정을 왜곡할 수 있다.

생체 내 많은 효소는 특정한 원자 연결과 입체배열을 가진 분자를 더 잘 결합하거나 특정한 방향의 반응을 촉진한다. 이러한 분자 인식은 효소의 활성 부위와 기질 사이에서 일어나는 수소 결합, 정전기적 인력, 반데르발스 상호작용, 소수성 상호작용, 입체적 적합성의 조합으로 이루어진다. 결합 부위는 단순한 딱딱한 틀이 아니라 움직이는 분자 구조다.

5.1 거울상 분자는 효소에서 서로 다르게 인식될 수 있다

단백질은 주로 L-아미노산으로 만들어져 활성 부위 자체가 카이랄한 공간을 형성한다. 따라서 거울상 관계의 두 기질이라도 활성 부위와 만드는 상호작용의 공간적 배치가 달라 결합 친화도와 반응 속도가 달라질 수 있다. 예를 들어 L-아미노산 산화효소와 D-아미노산 산화효소는 선호하는 아미노산의 입체형이 다르다.

5.2 입체특이성과 입체선택성을 구분한다

입체특이적(stereospecific) 반응에서는 기질의 입체배열 차이가 서로 다른 반응 결과나 반응 경로로 이어진다. 입체선택적(stereoselective) 반응에서는 가능한 여러 입체이성질체 생성물 가운데 한쪽이 상대적으로 더 많이 생성된다. 효소의 경우 “특정 입체형 기질을 더 잘 인식한다”는 표현은 종종 입체선택성으로도 설명되므로 실제 실험 설계에서는 기질 전환율, 생성물 분포, 반응 속도 등을 명시하는 편이 정확하다.

5.3 열쇠-자물쇠 모형을 넘어: 유도 적합과 구조 변화

효소의 활성 부위는 기질이 들어오면서 구조가 달라질 수 있으며, 원래 존재하던 여러 입체형태 중 특정 상태가 선택적으로 안정화될 수도 있다. 따라서 기질과 효소의 결합은 고정된 “열쇠와 자물쇠”만으로 설명하기 어렵다. 기질의 배향이 달라지면 반응에 참여하는 작용기들의 거리가 바뀌어 활성화 에너지 장벽과 반응 속도에 영향을 준다.

5.4 생명체의 대표적인 카이랄성 선택

리보솜이 합성하는 일반적인 단백질에는 주로 L-α-아미노산이 포함된다. 생명체의 핵산에 쓰이는 리보스와 디옥시리보스는 D 계열의 당이다. 그러나 D-아미노산이 생물에 전혀 존재하지 않는 것은 아니다. 일부 세균의 세포벽 펩타이도글리칸 등에서는 D-아미노산이 중요한 역할을 수행한다. 이러한 예외는 생명체의 카이랄성 선택이 화학적으로 구체적인 생합성 경로와 효소 특이성에 의해 유지된다는 것을 보여준다.

앞으로의 연결 이 절의 화학적 기반은 효소 반응의 특이성뿐 아니라 약물-수용체 결합, DNA-단백질 상호작용, 생체막 수송, 생체분자의 진화적 선택성으로 이어진다.