7급 공무원 및 기사시험 대비 생물학개론 핵심 요점 정리 3. 유기분자

* 유기화학
 모든 유기분자는 탄소를 갖고 있다.
- 무기분자는 탄소를 갖고 있지 않다.
 생화학은 생물체의 현상을 화학적 측면에서 연구하는 분야이다.
 탄소는 모든 유기분자에서 중심 원자이다.
 탄소는 독특한 결합성질을 갖는다.
- 긴 사슬에서 다른 원자와 결합할 수 있다
- 고리 구조를 형성할 수 있다

 세포는 대부분 물로 구성되어 있으나 나머지는 탄소 함유 분자로 구성
 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합 을 안정적으로 쉽게 형성할 수 있어
생체분자의 기본요소로 사용

* 유기분자의 복잡성
 여러 인자들이 유기분자의 성질을 결정한다.
- 분자를 구성하는 원자의 유형
- 분자내 원자의 3차 배열
 유기분자는 같은 성분과 같은 수의 원자를 갖을 수 있지만 다른 배열을 갖을 수 있다.
- 이를 이성질체라 한다.
- 같은 실험식을 갖고 있으나 다른 구조식을 가진 분자

육탄당 이성질체

 자연계에서 탄소의 순환
녹색식물은 뿌리로부터 흡수한 물과 잎의 기공으로부터 흡수한 이산화탄소를 재료로 빛에 의해 포도당과 전분을 만들고, 동물은 식물이 저장해 놓은 이러한 양분(포도당과 전분 등)을 먹고 소화, 흡수시켜서 몸을
구성하고 에너지원으로 사용한다. 그리고 죽은 후에 동물은 여러 가지 미생물에 의해 분해되어 땅 속의 양분이 되거나 화석연료가 되며, 대기중의 이산화탄소로 다시 되돌아가는데, 이를 탄소의 순환이라 한다.


* 탄소 골격
 모든 유기분자들은 탄소골격을 갖고 있다.
- 이는 분자 전체의 모양을 결정한다.
 유기분자는 이 점에서 다르다:
- 탄소 골격의 길이와 배열
- 탄소 골격에 결합된 원자의 종류와 위치
- 결합된 원자들의 결합 방법
• 이 결합을 기능기라 한다.
• 기능기는 분자의 화학적 성질을 결정 짓는다.

기능기

 탄소원자는 8개의 전자를 받아들일 수 있는 외각 껍질에 4개의 전자를 가지고 있어서 다른 원자와 4개의 공유결합을 이룰 수 있다. 최대 4방향으로 가지를 칠 수 있어 다양한 크기와 형태의 탄소골격이 만들어 질 수 있다.
 유기분자의 독특한 특징은 탄소골격의 형태와 수, 그리고 그 골격에 붙어있는 원자들에 의해 결정된다.
- 수산기; － OH로 표시, 유기물인 경우 하이드록기라고도 한다.
- 카르보닐기; 산소 원자와 이중결합으로 결합된 탄소 원자가 있는 작용기
- 아미노기; 암모니아에서 수소원자가 한 개 떨어져 나간 형태의 작용기
- 카르복실기; 탄소, 산소, 수소로 이루어진 작용기의 하나로, -COOH 또는
- CO2H 로 표시, 카르보닐기와 수산기가 결합한 형태

* 작은 분자로부터 거대 분자의 합성
 고분자(macromolecule); 분자량이 1만 이상의 큰 분자, 대개는 중합체로 구성되어 있어 고분자 화학반
응을 중합반응이라고도 한다.
 생명체에서 발견된 가장 중요한 유기 화합물:
- 탄수화물, 단백질, 핵산, 지질
 탄수화물, 단백질과 핵산은 중합체이다.
 중합체는 더 작은 분자의 단위들이 결합된 것이다.
- 구성단위를 단위체라 한다.
 중합체는 탈수 합성을 통해 구성된다.
 중합체는 가수분해에의해 분해된다.

 탈수합성(dehydration synthesis); 자연계의 화학반응 중 물 분자가 생성되는 결합 반응
 가수분해(hydrolysis); 자연계의 화학반응 중에 물분자가 작용하여 일어나는 분해반응
탈수 합성과 가수분해

 사람의 소화기 내에서 음식이 소화되는 과정도 가수분해작용이 진행된다.
녹말은 아밀라아제의 작용으로 가수분해되어 말토스가 되고, 이 말토스는
다시 말타아제의 작용으로 가수분해되어 포도당으로 변하여 세포 내로 흡
수되어 에너지 생산에 이용된다.

* 세포가 에너지를 얻는 방법
 광합성 : (탄소)동화작용 : 환원
- 빛에너지를 이용하여 탄소를 유기물의 형태로 바꾸면서, 탄소의 결합에
에너지를 저장한다
 호흡 : (탄소)이화작용 : 산화
- 유기물의 화학결합을 분해해서 에너지를 얻는다.
- 산소의 존재 하에서 에너지적으로 가장 안정한 형태의 탄소는 CO
2이고,수소는 H2O이다. 따라서 세포는 탄소와 수소 원자를 산소와 결합하게
하여 각각 CO2와 H2O를 만드는 호흡(respiration)으로 다른 유기분자로
부터 에너지를 얻는다.

* 탄수화물
 탄수화물(carbohydrate); 녹말, 셀룰로스, 포도당 등과 같이 탄소·수소·산소
의 세 원소로 이루어져 있으며 생물체의 구성성분이거나 에너지원으로
사용되는 등 생물체에 꼭 필요한 화합물
 탄수화물은 동식물계에 널리 분포하며, 생물체 내에서 생물체의 구성성
분(세포벽, 연골이나 힘줄, 외피)과 활동의 에너지원으로 크게 나뉜다.

 단당류(monosaccharide); 탄수화물의 단위체로 다당류(녹말, 셀룰로스
등)를 산 또는 효소로 가수분해했을 때 생기는 당류로서 포도당, 과당,
만노스, 갈락토스, 리보스 등
 이당류(disaccharide); 단당류 분자 두 개로 이루어진 물질로 단맛이나 쓴맛이 남. 슈크로스(포도당+과당)와 맥아당(2×포도당), 락토스(포도당+갈락토스)
 다당류(polysaccharide); 단당류 2개 이상이 글리코시드 결합하여 큰 분자를 만들고 있는 당류이다. 단당류의 중합체

 녹말 : 녹말은 포도당 많은 수의 단량체로 엮여져 있다. 녹말을 비축하였다가 에너지원 혹은 다른 분자를 만들어야 할 필요가 있을 때 분해하여 사용된다.
 글리코겐 : 과다한 당을 저장, 포도당의 단량체로 구성되어 있으나 녹말보다 더 많은 가지를 가지고 있다. 대부분의 글리코겐은 간과 근육세포에서 저장되고, 에너지가 필요할 때 가수분해되어 포도당을 방출한다.
 셀룰로스 : 식물 세포를 둘러싸는 세포벽과 섬유다발을 형성하여 식물 구조물의 주 성분이 된다. 포도당의 중합체이지만 결합방향의 차이로 녹말이나 글리코겐과 차이가 난다. 대부분의 동물은 셀룰로스를 분해할 수 없다. 셀룰로스 분해효소가 각광받음.

- 식물의 세포벽을 구성하는 중요한 구조섬유. 식물이 상당한 무게와 스트레스를 견디게 함
반추동물은 미생물이 섬유소 분해. 사람은 분해하는 미생물 없음
- 다당류는 세포표면의 단백질과 지질분자에 붙어 존재-동물세포가 서로 단단하게 연결되거나
세포간의 인식부위로 기능

* 단백질
 단백질은 아미노산으로 된 중합체
 아미노산의 구성:
- 중앙 탄소, 아미노기, 카복시기, 수소
 20개의 다른 아미노산들이 있다.
 아미노산들은 탈수합성을 통해 연결된다.
 아미노산들 사이에 형성된 결합은 펩티드 결합 이다.
 여러 아미노산들이 펩티드 결합을 통해 긴 사슬로 연결된 폴리펩티드사슬
을 만든다.

 단백질(protein) : 모든 생물의몸을 구성하는 고분자 유기물
로 수많은 아미노산(aminoacid)의 연결체. 생물체의 몸
의 구성성분으로서, 또 세포내의 각종 화학반응의 촉매
물질(효소, enzyme)로서 중요하다.
 아미노산 (amino acid) : 한 분자 안에 아미노기와 카복시기
를 가지는 유기화합물로서 단백질의 기본 구성단위이다.

* 필수 아미노산
 각 유형의 아미노산은 독특한 측쇄를 가짐으로써 독특한 화학적 성질
을 갖는다.
 필수아미노산은 사람이나 동물이 생체 내에서 합성할 수 없거나 필요량
을 충족시킬 수 없어서 식이를 통하여 균형적으로 섭취하여야 하는 아미노산
 비필수아미노산은 다른 아미노산이 나 당질, 지질대사 중간체로부터 합
성되는 아미노산

* 중합체로서의 단백질
 세포는 탈수합성의 방법으로 단량체의 아미노산을 서로 연결한다.
 아미노산들은 펩티드 결합에 의해 폴리펩티드
라는 사슬을 형성할 수 있다. 수십에서 수백개
이상의 아미노산으로 구성된 폴리펩타이드를
합성할 수 있다.

* 단백질 형태
 폴리펩타이드는 자발적으로접혀서 기능을 갖는 형태가 됨 단백질의 모양은 온도나 pH 등의 주변의 환경에 민감하며 정상적인 형태를 잃게 되면 기능을 상실하는 변성이 일어난다.

 1차구조는 폴리펩타이드의 선형구조이다.
 2차 구조는 인접한 아미노산 사이에서 카르복실기와 아미노기 사이의 수소결합에
의해 형성된다.
 3차 구조는 인접한 아미노산 사이에서 측쇄간의 이황화 결합과 이온결합, 측쇄와
물 사이의 상호작용에 의해 형성된다.
 4차 구조는 분리된 3차구조 폴리펩타이드 사이의 수소결합과 이온결합에 의해 형
성된다.

* 단백질
 단백질(protein) 은 수만 가지의 종류가 존재하며 각 단백질은 특유의 3차
구조를 가진다.
 선형의 아미노산 복합체는 단백질 접힘에 의해 고유한 3차 구조를 가진다.

* 기능에 따른 단백질의 종류
 기능에 따라 구조 단백질, 저장 단백질, 수축 단백질, 그리고 수송 단백질로 나뉜다.
다른 유형의 단백질은 방어 단백질, 신호 단백질, 효소가 있다.
 구조단백질 : 세포나 조직의 구조 유지에 관여하는 단백질. 연골이나 힘줄에 있는
콜라겐, 머리카락이나 손톱을 구성하는 케라틴 등.
 저장단백질 : 합성에 의해 식물체내에 존재하는 단백질, 작은 분자 및 이온 등을 저
장하며 최근에는 세포에 지방을 저장할 수 있는 단백질이 발견.
 수축단백질 : 구조단백질과 함께 작용하여 근육운동을 가능하게 함.
 수송단백질 : 작은 분자나 이온 등을 결합하여 세포 내외로 수송.
 방어단백질 : 식물이 외부환경에 대응하기 위하여 생산하는 기능성 단백질이며 면
역계에서는 항체가 예이다.
 신호단백질 : 세포에서 다른 세포로 메시지를 전달하여 신체의 활동을 통합하는 작
용을 한다.
 효소 : 각종 화학반응에서 자신은 변화하지 않으나 반응속도를 빠르게 하는 단백질.

* 핵산 (Nucleic acid)
 핵산은 모든 세포속에 존재하는 고
분자 유기물로서 산성을 나타낸다.
 DNA (deoxyribonucleic acid) : 거의
모든 생물의 유전물질이지만, 유전
물질로 DNA 대신 RNA를 갖는 바
이러스가 있다.
 RNA (ribonucleic acid) : 크게 mRNA,
tRNA, rRNA 세가지로 구분되며, 유
전정보의 전달, 유전정보의 해독,
유전정보의 해독에 관여하는 리보
솜이라는 소기관에 포함된다.

 DNA는 4종의 adenine, guanine, cytosine, thymine
염기와 디옥시리보스의 당으로 이루어진 4종류
의 nucleotide로 이루어져 있다.
 RNA는 4종의 adenine, guanine, cytosine, uracil
염기와 리보스의 당으로 이루어진 4종류의
nucleotide 로 구성되어 있다.
Thymine은 5-methyl uracil이라고도 한다. 5번째
탄소에 uracil의 메틸화에 의해 유도되기도 한다.

유전정보를 운반하는 핵산의 구조

* 지질
 지질 : 생체 구성 물질 중에서 대부분의 생물학적 분자와 달리 물에는 녹
지 않는 소수성으로, 유기용매에 잘 녹는다.
 단백질, 당질, 핵산 등과 같이 비교적 성질이 유사한 구성성분이 중합한
것이 아니라, 많은 종류의 물질을 함유하고 있다.
 화학구조에 따라 단순지질과 복합지질로 나뉜다.
 단순지질 : 지방, 지방산, 스테로이드 등
 복합지질 : 인지질, 당지질, 지방단백질 등

 지방은 3개의 지방산과 1개의 글리세롤로 이루어져 있다.
 지방산은 매우 여러 종류가 존재하므로 지방의 종류도 다양하며 결합한
지방산의 종류에 따라 포화지방, 불포화지방, 트랜스지방 등이 있다.

트리글리세이드는 글리세롤 머리와 지방산 꼬리를 가진다.

* 인지질
 물에 녹지 않는 복합 유기화합물로 중
성지방과 유사한 구조를 가지지만 전
하를 띤 인산기(PO4)를 가진 지질의 한
종류
 세포막 주요 성분으로 세포의 내부와
외부를 격리시킴

* 스테로이드
 스테로이드(steroid) : 지방산을 함유하지 않고, 5개 또는 6개의 탄소로 이
루어진 고리가 네 개 결합된, 공통의 기본 구조를 가진 지질이다.
 스테로이드는 소수성을 가지고 있어 지질로 분류되지만 그 구조와 기능
에 있어서는 지방과 다르다.
 동물에 많은 콜레스테롤은 심혈관 질환과 관련성이 있지만 세포막의 중
요한 구성 성분이며, 또한 생체막이나 부신 피질 호르몬 및 담즙산에 필수
적이다.

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