[8강 생명의 화학] 생명체를 이루는 화학물질과 광합성

1. 생명체를 이루는 화학물질

 모든 생명체에서 일어나는 화학반응은 탄소를 포함하는 유기 화합물에 크게 의존한다. 물론 산소와 같은 무기 화합물도 분명 생명체의 기능유지에 기여하지만, 생명체에게 핵심적이고 근본적인 역할은 유기화합물의 몫이다. 

 대부분의 생명체에서 찾을 수 있는 4가지의 중요한 유기화합물이 있다면, 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산이다. 이들을 생체분자(biomolecule)라고 하는데 각각의 분자들은 1. 유기체를 원활하게 작동시키고, 2. 에너지를 생산, 처리, 저장하며, 3. 종을 재생산하고 번식하는 데에 중요한 역할을 한다. 

 

(1) 탄수화물(carbohydrate)

 탄수화물은 생명체의 주요 에너지원이다. 이는 빵이나 파스타, 쌀에도 들어있지만 가장 기본적인 탄수화물을 떠올려보자면 설탕을 예로 들 수 있다. 실제로 탄수화물은 당이 연결된 사슬이며, 그 구조는 매우 짧을 수도 있고 복잡할 수도 있다. 탄수화물은 포함하고 있는 당의 수에 따라 분류되는데, 단당류에는 한 개, 이당류에는 두 개, 삼당류에는 세 개의 당이 포함되어 있다. 이런 탄수화물이 몇 개씩 결합하면 다당류가 만들어진다. 다당류의 일종인 셀룰로오스는 식물의 세포벽을 구성하는 핵심성분의 하나이다.

 

(2) 지질(lipid)

 흔히 지질을 지방이라 생각하지만, 지질은 지방뿐 아니라 기름도 포함한다. 지질은 사람을 비롯한 생명체에게 에너지를 저장하는 수단으로 사용된다. 모든 지질이 가지는 일차적인 특징은 유기 용매에는 녹지만 물에는 녹지 않는다는 사실이다. 지방이 포화 상태인지, 1가 불포화 지방인지, 모두 불포화 방인지는 지방산 안에 있는 이중결합의 수에 따라 결정되는데, 차례대로 0개 1개, 2개 이상이다. 우리 몸은 글리코겐으로 저장되는 포도당이 적어지면, 자연스레 지질을 통해 보충받는다.

 

(3) 단백질(protein)

 인체의 약 50%는 세포의 주된 구성 성분인 단백질이다. 우리 몸에 존재하는 단백질의 종류와 수는 헤아릴 수 없을 정도로 많은데, 피부에서부터 혈당을 조절하는 인슐린과 같은 화학물질도 단백질로 이루어져 있기 때문이다. 탄수화물이 당의 사슬로 구성되어있는 것처럼, 단백질은 아미노산의 사슬로 이루어져 있다. 자연계에는 20가지의 기본 아미노산이 있는데, 이들로부터 우리는 몸에 필요한 모든 단백질을 합성한다. 하지만 20가지의 기본 아미노산 중 사람의 몸이 자체적으로 생산할 수 있는 아미노산은 절반정도밖에 되지 않는다. 이는 나머지 아미노산은 음식을 통해 섭취해야한다는 의미이다.

 

(4) 핵산(nucleic acid)

 DNA와 RNA의 형태로 존재하는 핵산은 생명의 근원이다. 핵산이 전달하는 유전정보는 개개인의 고유한 특성을 담고 있다. 탄수화물, 단백질과 마찬가지로 핵산 역시 더 작은 단위들이 모인 사슬로 이루어지며, 이 단위를 뉴클레오타이드(nucleotide)라고 한다. 기본적인 뉴클레오타이드는 당, 인산기와 5가지 질소 염기 중 하나를 포함하며, 질소 염기에는 구아닌(G), 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 우라실(U)이 있다. (나중가서 시토신이 아니라 사이토신으로 불렀던 것 같다.)

RNA에는 우라실, DNA에는 티민!

2. 광합성(photosynthesis)

 식물은 하루종일 스스로의 양분을 만들기 위해, 세포벽을 만들기 위해, 자신을 치유하기 위해 당을 만든다. 식물은 1초에 수백만 개의 포도당 분자를 만드는데, 이는 즉시 사용하기에는 너무 많은 양이다. 그래서 쓰고 남은 포도당은 녹말의 형태로 줄기에 저장된다. 당을 만드는 과정이 바로 광합성이다. 이는 지구상에서 가장 중요한 화학반응이다. 왜냐하면 광합성으로 이득을보는 것이 식물만이 아니기 때문이다. 인간과 동물은 식물에 의해 생산된 음식을 먹고, 광합성의 부산물로 식물이 배출하는 산소를 통해 호흡한다. 식물의 잎사귀를 통해 지구상의 모든 생물이 살아가고 있는 것이다.

 

 광합성은 굉장히 복잡한 화학반응으로, 아직까지 밝혀지지 않은 부분도 있다. 하지만 일반적으로 정리해보자면, 식물이 과 이산화탄소, 햇빛을 흡수하면 소량의 수증기와 산소를 배출하면서 당 분자를 생산하는 과정이라 볼 수 있다. 광합성은 식물의 잎에서 일어나는데, 엽록소(chlorophy)라 하는 화학물질의 역할이 크다. 식물이 녹색을 띠는 이유도 바로 이 엽록소라는 색소 때문이다. 색소의 역할은 빛을 흡수하는 것인데, 엽록소는 붉은색부터 푸른색까지의 광선을 흡수하지만 녹색은 흡수하지 못한다. 이렇게 반사된 녹색빛을 우리가 보고 식물을 녹색으로 인식하는 것이다.

 

 광합성의 과정은 크게 광합성1과 광합성2의 두 단계로 분류된다. 광합성1은 햇빛이 있을 때만 일어나기 때문에 명반응(light reaction)이라고 한다. 햇빛이 잎에 다다르면 엽록소 분자에 있는 전자들이 들뜨게 되고, 곧 연쇄반응을 일으켜서 ATP와 NADPH라는 에너지가 매우 큰 분자를 생산한다. 이 두 분자는 광합성2 과정에서 이산화탄소 분자를 분해하고 포도당 분자의 전구 물질을 합성하게 된다. 두 번째 단계는 빛이 없어도 일어나기 때문에 암반응(dark reaction)이라고 불렀으나, 오늘날에는 광독립적(light-independent) 라는 용어가 더 많이 쓰인다. (물론 나는 암반응으로 배웠다.) 

광합성 반응(이것도 간소화시킨거다.) 아직도 떠오르는 켈빈회로와 TCA회로. 생각보다 복잡해서 머리를 싸맸는데, 밝혀지지 않은 부분이 존재한다니.

 이러한 반응은 햇빛이 비칠 때 광전지 안에 전류가 흐르는 현상과 크게 다르지 않다. 태양 발전용 집열판이나 식물 잎이라는 각각의 장치에서 햇빛은 전자의 흐름을 자극해 전류를 발생시키고 일을 수행한다. (역시 모든 것은 전자의 흐름에서부터)