생화학

생화학(biochemistry)은 생물체 내에서 일어나는 화학적 과정과 생리작용을 연구하는 학문이다. 생물화학(生物化學)이라고도 하지만, 일반적으로 생화학이라고 줄여 부른다. 생화학은 생명의 복잡성을 야기하는 여러 화학적 과정들을 다룬다.

생물학과 화학의 하위 분야인 생화학은 크게 분자유전학, 단백질 과학, 물질대사의 세 가지 주요 분야로 나뉜다. 20세기 동안 생화학은 이 세 분야를 통해 생명 현상을 설명하는 데 중요한 역할을 해왔으며, 오늘날 생명과학의 거의 모든 분야가 생화학적 연구를 통해 발전하고 있다. 생화학은 세포 내에서 일어나는 화학적 반응들이 어떻게 조직, 기관, 개체의 구조와 기능을 형성하는지에 대해 탐구한다.

또한 생화학은 분자생물학과도 밀접한 연관이 있다. 분자생물학은 DNA에 담긴 유전 정보가 어떻게 생명 활동을 일으키는지를 연구하는 학문이다.

생화학의 주요 연구 대상은 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질과 같은 생물학적 고분자들로, 이들은 세포 구조를 형성하고 다양한 생명 활동에 필수적인 역할을 한다. 세포의 화학적 활동은 물이나 금속 이온 같은 무기 화합물과 아미노산 등 유기 화합물에도 의존한다. 세포는 이러한 화학 반응을 통해 환경에서 에너지를 얻는데, 이를 물질대사라고 부른다.

생화학 연구는 의학, 영양학, 농업 등의 분야에 광범위하게 적용된다. 의학에서는 질병의 원인과 치료 방법, 의약품 개발을 연구하고, 영양학에서는 건강을 유지하는 방법과 영양소 결핍의 영향을 탐구하며, 농업에서는 작물 재배와 해충 방제를 개선하기 위한 연구를 진행한다.

생화학을 넓게 정의하면, 생물체의 구성 요소와 이들이 어떻게 결합하여 생명 현상을 이루는지에 대한 연구로 볼 수 있다. 이러한 맥락에서 생화학의 역사는 고대 그리스까지 거슬러 올라갈 수 있지만, 과학 분야로서의 생화학은 19세기 또는 그보다 조금 이른 시기에 시작되었다고 할 수 있다.

일부는 1833년 앙셀름 파얀이 최초의 효소인 다이아스테이스(현재의 아밀레이스)를 발견한 것이 생화학의 출발점이라고 본다. 또 다른 견해로는 1897년 에두아르트 부흐너가 세포 추출물에서 알코올 발효 과정을 증명한 것을 생화학의 시작으로 보기도 한다. 그 외에도 유스투스 폰 리비히의 1842년 물질대사에 관한 연구나, 앙투안 라부아지에가 18세기 발효와 세포 호흡에 대해 연구한 것을 생화학의 기원으로 보는 시각도 있다.

생화학 발전의 중요한 인물로는 에밀 피셔가 단백질 화학에 대해 연구했고, 프레더릭 가울랜드 홉킨스는 효소와 생화학의 역동적인 성질을 연구하면서 중요한 기여를 했다.

"생화학"이라는 용어는 "생물학"과 "화학"의 결합으로부터 유래했으며, 1877년 펠릭스 호페 자일러가 《생리화학 저널》 창간호에서 이 용어를 사용하면서 널리 알려지기 시작했다. 다만 일부는 칼 노이베르크가 1903년에 생화학이라는 용어를 만들었다고 주장하며, 또 다른 의견으로는 프란츠 호프마이스터가 생화학이라는 용어를 제안했다고 본다.

생화학의 초기 연구는 생명체만이 특별한 분자, 즉 "생기론"적 물질을 생성할 수 있다고 믿었던 전통적 관점에서 벗어나는 데 중요한 역할을 했다. 1828년 프리드리히 뵐러가 유기 화합물인 요소를 합성함으로써, 생명체의 물질이 무생물에서도 인위적으로 만들어질 수 있음을 증명했다. 이 발견은 생화학의 발전에 큰 전환점을 마련했다.

20세기 중반부터는 크로마토그래피, X선 결정학, 핵자기 공명분광법, 전자현미경 등 새로운 기술이 발달하면서 생화학 연구는 비약적으로 발전했다. 이러한 기술들은 세포의 복잡한 분자들과 대사 경로를 밝혀내는 데 중요한 기여를 했으며, 필립 랜들은 1963년에 랜들 회로(포도당-지방산 회로)를 발견하고, 당뇨병과 관련된 연구에서 중요한 발견을 했다.

또한, 유전자와 세포 간 정보 전달의 역할에 대한 연구는 생화학의 중요한 역사적 사건으로 여겨진다. 1950년대에 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 로절린드 프랭클린, 모리스 윌킨스는 DNA의 구조를 밝혀내고, 유전 정보 전달의 메커니즘을 제안하는 데 중요한 역할을 했다. 조지 비들과 에드워드 테이텀은 1958년에 하나의 유전자가 하나의 효소를 생성한다는 연구로 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 이 외에도 1988년에 콜린 피치포크가 DNA 증거로 최초로 유죄 판결을 받았으며, 앤드루 파이어와 크레이그 멜로는 RNA 간섭에 관한 연구로 2006년에 노벨상을 수상했다.

이처럼 생화학은 생명과학, 의학, 유전학 등 여러 분야에서 중요한 역할을 해왔다.

자연에 존재하는 92가지 화학 원소 중 약 24가지는 생명체에 필수적이다. 희토류 원소는 대체로 생명체에서 사용되지 않으며, 셀레늄과 아이오딘을 제외하면 거의 활용되지 않는다. 또한, 알루미늄과 티타늄 같은 흔한 원소들도 생명체에서 사용되지 않는다.

대부분의 생명체는 필요한 원소들이 공통적이지만, 식물과 동물 간에는 몇 가지 차이점이 있다. 예를 들어, 바다 조류는 브로민을 사용하지만, 육상 식물과 동물은 브로민을 필요로 하지 않는다. 또한 모든 동물은 나트륨이 필요하지만, 일부 식물은 나트륨 없이도 생존할 수 있다. 반대로 식물은 붕소와 규소가 필요하지만, 동물들은 그렇지 않거나 극소량만 필요로 한다.

산소, 탄소, 수소, 질소, 칼슘, 인 이 여섯 가지 원소는 사람을 포함한 살아 있는 세포의 질량의 약 99%를 차지한다. 이 외에도 사람은 최소 18가지 이상의 미량 원소들을 필요로 한다.

생체분자는 생명체의 구조와 기능에 중요한 역할을 하는 분자로, 네 가지 주요 부류로 나뉩니다: 탄수화물, 지질, 단백질, 그리고 핵산입니다. 많은 생체분자는 중합체로, 비교적 작은 분자인 단위체들이 연결되어 큰 고분자를 형성합니다. 이 과정에서 탈수 반응이 일어나고, 때로는 더 큰 복합체를 이루어 생물활성에 관여하게 됩니다.

탄수화물은 에너지 저장과 구조 형성에 중요한 역할을 합니다. 탄수화물의 기본 단위체는 단당류로, 포도당이 가장 잘 알려진 예입니다. 단당류는 고리 구조를 형성할 수 있으며, 두 개의 단당류가 글리코사이드 결합을 통해 이당류를 형성합니다. 예를 들어, 수크로스는 포도당과 과당이 결합한 이당류입니다. 여러 단당류가 결합하면 다당류가 되며, 셀룰로스, 녹말, 글리코젠 등이 그 예입니다. 셀룰로스는 식물의 세포벽을 구성하고, 녹말은 식물의 에너지 저장 형태, 글리코젠은 동물의 에너지 저장 형태로 사용됩니다.

지질은 주로 비극성의 화합물로, 물에 잘 녹지 않는 특성을 가집니다. 지질은 지방산과 글리세롤로 이루어진 트라이글리세라이드, 인지질, 스테로이드 등의 다양한 분자로 구성됩니다. 지질은 에너지 저장, 세포막 구성, 신호 전달 등 다양한 역할을 하며, 일부 지질은 양친매성 특성을 가져 세포막의 구조적 안정성에 기여합니다.

단백질은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 형성된 고분자로, 생물학적 기능에서 매우 중요한 역할을 합니다. 단백질은 1차, 2차, 3차, 4차 구조로 구분되며, 각각의 구조는 단백질의 기능을 결정하는 중요한 요소입니다. 효소, 항체, 근육 수축에 관여하는 단백질 등 다양한 역할을 하며, 특히 효소는 생화학 반응을 촉매하는 중요한 역할을 합니다.

핵산은 DNA와 RNA로 구성된 고분자로, 유전 정보를 저장하고 전달하는 역할을 합니다. 뉴클레오타이드라는 단위체로 이루어진 핵산은 유전 물질의 복제와 단백질 합성에 필수적입니다. DNA는 이중 나선 구조를 가지며, 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신 등의 염기쌍을 통해 유전 정보를 저장합니다. RNA는 단백질 합성에서 중요한 역할을 하며, DNA의 정보를 리보솜으로 전달합니다.

이 네 가지 생체분자는 생명체의 기본적인 기능을 지원하고, 서로 상호작용하여 생명 활동을 유지합니다.

에너지원으로서의 탄수화물

포도당은 대부분의 생명체에서 중요한 에너지원으로 사용됩니다. 탄수화물은 다당류, 이당류, 단당류로 나뉘며, 에너지원으로 활용되기 위해 효소에 의해 단량체로 분해됩니다. 예를 들어, 글리코젠 포스포릴레이스는 글리코젠에서 포도당 잔기를 분리하고, 이당류인 젖당과 수크로스는 두 개의 단당류로 분해됩니다. 

해당과정 (Glycolysis)  
포도당은 10단계의 해당과정을 통해 대사되어 한 분자의 포도당이 두 분자의 피루브산으로 분해됩니다. 이 과정에서 2분자의 NAD⁺가 2분자의 NADH로 환원되며, 2분자의 ATP가 생성됩니다. 해당과정은 산소가 필요하지 않으며, 산소가 부족한 경우 피루브산은 젖산(예: 인간의 경우) 또는 이산화 탄소와 에탄올(예: 효모의 경우)로 전환됩니다. 이를 통해 NADH는 NAD⁺로 산화되며, 해당과정에 필요한 NAD⁺를 공급합니다. 또한, 갈락토스나 과당 같은 다른 단당류들도 해당과정의 중간 산물로 전환될 수 있습니다.

시트르산 회로와 산화적 인산화  
충분한 산소가 공급되는 조건에서 피루브산은 아세틸-CoA로 전환되어 시트르산 회로로 들어갑니다. 이 과정에서 이산화탄소가 방출되고 NAD⁺는 NADH로 환원됩니다. 아세틸-CoA는 시트르산 회로에서 완전히 산화되어 4분자의 이산화탄소, 6분자의 NADH, 2분자의 FADH₂, 그리고 2분자의 ATP를 생성합니다. 생성된 NADH와 FADH₂는 전자전달계로 전달되어 산소에 전자를 전달하면서 방출된 에너지를 사용하여 H⁺(양성자) 농도 기울기를 형성합니다. 산소는 물로 환원되고, NAD⁺와 FAD는 재생됩니다. 

이 과정에서 전자의 에너지를 이용해 ATP 생성효소가 ATP를 합성합니다. 포도당 1분자로부터 세포 호흡이 일어나면, 총 32분자의 ATP가 생성됩니다: 해당과정에서 2 ATP, 시트르산 회로에서 2 ATP, 그리고 산화적 인산화에서 28 ATP가 생성됩니다. 산소를 사용하는 이 과정이 산소가 필요 없는 대사 과정보다 훨씬 많은 에너지를 제공하기 때문에, 지구 대기 중에 산소가 축적된 후에 복잡한 생명체가 출현할 수 있었습니다.

포도당신생합성 (Gluconeogenesis)  
격렬한 운동 중 근육은 충분한 산소를 공급받지 못해 혐기성 대사로 전환되어 피루브산을 젖산으로 변환시킵니다. 젖산은 혈액을 통해 간으로 이동하여 피루브산으로 전환되고, 간에서 포도당신생합성 과정을 통해 다시 포도당으로 합성됩니다. 포도당신생합성은 해당과정의 역과정이 아니며, 더 많은 에너지를 소모합니다(해당과정에서 2 ATP가 생성되는 반면, 포도당신생합성은 6 ATP가 필요). 생성된 포도당은 에너지가 필요한 조직으로 전달되어 다시 해당과정에 사용되거나, 글리코젠이나 다른 탄수화물로 저장됩니다.

운동 중 근육에서 젖산이 생성되고, 이 젖산이 간에서 포도당으로 재생성되어 혈액으로 방출되는 과정을 코리 회로라고 합니다.