화공노트: 화학공학 살펴보기

1. 기본 주제 (Basic Themes)

1) 생화학과 생명

- 생명체는 동일한 유형의 생체 분자를 사용하며, 이들은 에너지를 사용함

  -> 생체분자를 원자 단위로 분리하면 C, H, O, N, S, P 등으로 구성이 되어 있음

- 생화학은 생명+화학이기에 다양한 분야의 지식이 사용

  - 결국에는 화학적 구조, 성질 및 이들의 물질대사에 대해 주목함

  - 복잡함을 설명하기 위해서 방대한 양의 용어가 필요하므로, 이들을 새롭게 배우는 데 주목함

2) 지구상의 생명의 기원

- 단순한 구조인 원자부터, 이들의 조합인 분자, 거대분자, 소기관, 세포 등으로 복잡한 정도를 증가

원자(atom) > 분자(molecule) > 거대분자(macromolecule) > 소기관(organelle) > 세포(cell)

> 조직(tissue) > 기관(organ) > 생체 시스템 (body system of organism)

cf) 바이오 칩(bio-chip)의 발달 단계도 인체의 구조가 구성되는 단계를 따르고 있음

- bottom-up development

- 동물에게 효능을 검사하는 전임상 단계와 실제 사람 사이에서 효능을 체크하는 임상 단계 사이에서 주로 활용됨

 

2. 생화학의 화학적 본질 (chemical foundations of biochemistry)

1) 들어가며

- 생명체의 세포기관은 탄소화합물로 구성되어 있기에, 해당 물질을 공부하는 유기화학이 많이 사용됨

-  생명력(Vital Force) vs 유기화학(organic chemistry)

- 생명력은 생물 내에만 존재하는 힘으로 여겨져, 생명체 내의 화합물은 합성될 수 없다고 주장

- Friedrich Wohler(프리드리히 뷜러)가 사이안산 암모늄염(ammonium cyanate, 무생물)에서 세포 내 발생 물질인 요소(urea)를 합성하는 데 성공

- 이는 무기물으로부터 orientation 등 환경을 잘 조성한다면 생체 내 분자를 합성할 수 있음을 의미

2) 세포 내의 분자

- 세포 내의 분자는 아미노산, 탄수화물, 뉴클레오타이드, 지질, 암모니아가 있음

① 아미노산 (amino acid)

- 한 탄소에 아미노기와 카복실기, 수소, 작용기 R이 연결됨

  - 생리적 조건에서 두 작용기는 모두 이온화된 형태로 존재

  - R기의 종류에 따라 아미노산의 종류를 구분할 수 있음

② 탄수화물 (carbohydrate)

- C, H, O로 구성: (CH2O)n으로 표현 (n > 2)

- 단당류(포도당, 과당, 갈락토오스), 이당류 (엿당, 설탕, 젖당), 다당류(녹말, 글리코젠, 셀룰로오스)

- 사슬구조로 많이 표현하나, 용액 내에서는 고리 구조로 존재

③ 뉴클레오타이드(nucleotide)

- 5탄당, 염기(질소 포함 고리), 인산으로 구성

- 유전물질 (DNA, RNA)의 기본단위

- ATP 형성 (염기 아데닌 + 라이보오스 + 3개의 인산)

④ 지질 (lipid)

- 물에 잘 녹지 않으며 종류가 다양함 (∵긴 탄화수소 사슬로 구성)

3) 작용기(functional group)

- 생체 내 분자들의 반응은 그 분자들의 작용기 반응에 근거한 것

- 일단, 각 작용기가 할 수 있는 반응들을 공부하기 보다는 작용기의 구조와 명명에 대해서 우선적으로 공부하기 (암기)

- 대부분의 작용기는 O, N을 포함하며, 전기음성도가 큰 원소임을 확인 가능

  -> 이로 인해 작용기들은 극성을 보이며, 이 현상이 반응성에 관여

 

- 인산의 탄소-함유 유도체: 인산의 에스터와 무수물은 생화학에서 매우 중요

① 인산 + 수산화기(-OH) -> 인산 에스터 (P-O-R) 형성 (탈수 축합 반응)

② 인산 + 인산 -> 인산 무수물 (P-O-P) 형성

③ ATP = 염기 아데노신 + 5탄당 + 3인산

- 5탄상과 제 1인산 사이는 인산 에스터 형태로

3. 생물학의 시작

1) 지구와 그 나이

- 우주의 기원: 빅뱅(big bang)으로 보고 있음

- 초기의 우주는 한정된 공간 안에서 밀집

- 대폭발이 발생했으며, 온도가 150억K에 도달

- 온도의 하강으로 별, 행성 등이 형성

- 우주의 조성이 단순: H2, He, Li

- 나머지 원소들은 아래의 방법으로 형성되었다고 알려짐

- 별에서 일어나는 열핵반응

- 별의 폭발

- 별 외부의 우주선의 작용

-> C, H, O, N, S, P는 1세대 별의 핵반응에 의해 형성된 원소이며, 매우 안정된 핵을 갖고 있음

2) 지구 대기의 조성 변화

① 원시지구

- O2가 거의 없었음

- O3가 거의 없어서 자외선에 지속적으로 노출되었으며, 간단한 생체 분자가 형성

- NH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2, H2O 등으로 구성

- 이로부터 생체분자가 형성됨

- 특히 CO2에서 유래한 탄산염은 탄소의 유래

- 대기 중 N2는 핵산과 단백질 형성에 필요한 질소원

② 현대지구

- N2 O2 H2 H2O 등으로 구성

3) 생체분자

- 원시지구의 조건 하에서 원시대기의 물질(무생물적)들로 생물학적으로 중요한 물질들을 생성 가능성

① 밀러-유리(Miller-Urey) 실험

 

- 폐쇄된 시스템에 H2O, H2, CH4, NH3 포함 (원시대기 조성)

- 해당 시스템에 전기 방전을 가함 (태양계의 에너지가 대기의 상쇄 없이 들어올 수 있음을 모델링)

- 10가지 이상의 아미노산, 포름알데하이더(HCHO), 사이안화수소(HCN)이 생성 (간단한 유기분자)

- 초기 바다에서 진행

- 초기 지구의 흙 입자 표면에서 진행

② 유전 분자의 창발: 단백질 보다는 RNA부터 시작

- 특정 경로를 통해 간단한 분자에서 뉴클레오타이드 합성 가능성 입증

- 당 + 염기(C or U) -> 2-아미노옥사졸 (휘발성이 높아, 증발 후 응축 시 순수 물질 저장 공간 형성)

- 인산 + 2-아미노옥사졸 -> 뉴클레오타이드

- 현재의 RNA 구성 뉴클레오타이드는 아님 (자외선에 의한 붕괴 후 현재의 뉴클레오타이드 형태)

③ 생물을 구성하는 거대분자의 형성

- 거대분자(중합체, polymer) = 단량체(monomer)의 연결체

                                            ex) 아미노산, 뉴클레오타이드, 단당류 (탄소의 혼성화로 인한 4가 원소)

- 단량체가 머리/꼬리를 갖고 있어서 방향성이 있음 ex) DNA에서 제 5탄소 시작 -> 제 3탄소 종결

ⅰ) 단백질 (protein)

- 원시지구 조건 하에서 진행된 아미노산 중합 실험 (무생물적 중합반응)이 비교적 잘 발생

- 탈수 중합 반응

- 아미노산의 서열이 단백질의 종류 결정

- 단백질은 효소로 많이 사용되어 촉매 활성을 나타냄

ⅱ) 핵산 (nucleotide)

- 뉴클레오타이드의 서열을 통해서 유전 정보를 암호화함

- 핵산의 서열이 단백질을 구성하는 아미노산의 서열 결정

ⅲ) 다댱류

- 단량체의 중합 순서가 특별히 중요하지는 않음 + 유전적 정보 X

 

4. 가장 큰 생물학적 차이점 - 원핵생물과 진핵생물

1) 원핵생물과 진핵생물의 차이점

① 원핵생물(prokaryote)

- 핵 이전의 생물: 핵 등을 갖고 있지 않음

e.g. 박테리아, 사이아노박테리아(남조류)

- 단세포 생물

② 진핵생물(eukaryote)

- 핵을 갖고 있는 생물

e.g. 효모, 짚신벌레

- 단세포 or 다세포

③ 차이점

- 원핵세포는 막성 소기관을 갖고 있지 않음: 염색체/중심립/인(핵 내부)/리보솜을 갖고 있음

- 원핵세포는 핵이 없으며 염색체가 세포질에 풀어진 형태로 존재

2) 원핵세포 (prokaryote)

① 유전 물질

- 원핵 세포에서는 DNA가 closed-circle 형태로 존재함 (플라스미드, plasmid)

- 플라스미드가 세포막에 부착되어 있음

  - 세포 분열 시: 1st DNA 복제 -> 2nd 원형질막에 부착 -> 3rd 원형질막이 분리되면서 DNA 분리

② 리보솜 (ribosome)

- RNA + 단백질로 구성: 리보핵단백질 입자(ribonucleoprotein particle)

- 생명체에서 단백질을 합성하는 장소

③ 세포막 (cell membrane)

- 인지질 + 단백질로 구성

- 세포의 외부 세계와 내부를 구분 및 세포 소기관을 보호

④ 세포벽 (cell wall)

- ‘박테리아’의 경우 다당류로 구성된 세포벽을 세포막 밖에 갖고 있음’

3) 진핵세포(eukaryote)

① 핵 (nucleus)

- 이중막구조 (핵막)

- 핵인(nucleolus): rRNA가 풍부함

- 유전물질 DNA를 주형으로 RNA가 만들어지며, 이는 핵공을 통해 나가서 리보솜으로 전달됨

- 염색질(chromatin): DNA + 단백질 -> 염색체(chromosome): 현미경으로 관찰 가능

② 미토콘드리아 (mitochondrion)

- 이중막구조: 외막 + 내막(크리스티, cristae)

- 매트릭스(matrix): 내막 안쪽의 공간으로, 여기서 물질대사가 진행

- 고유한 DNA와 리보솜이 있어서 자체적으로 복제가 가능함

③ 소포체 (ER)

- 단일막구조이며, 세포막, 핵막에 붙어있

- 조면소포체(거친 면 소포체, rER): 소포체 + 리보솜

- 활면소포체(매끈 면 소포체, sER): 소포체 only

④ 엽록체 (chloroplast)

- 이중막구조

- 그라나(grana)에서 광합성을 하는 소기관이며, 녹색식물 및 조류에서 관찰

- 고유한 DNA와 리보솜이 있어서 자체적으로 복제가 가능함

⑤ 골지체 (Golgi apparatus)

- 단일막구조

- 활면소포체 근처에서 주로 발견되며, (단백질)분비를 담당함

- 당과 단백질이 결합하는 장소이기도 함

[-some: 효소 포함 series]

⑥ 리소좀 (lysosome)

- 단일막구조

- 가수분해 효소를 갖고 있어 지질, 단백질, 핵산을 분해할 수 있음 -> 가수분해를 통해서 영양분 가공

⑦ 퍼옥시솜 (peroxisome)

- 단일막구조

- 과산화수소의 분해에 관여하는 효소, 카탈레이스(catalase)를 갖고 있음

⑧ 글라이옥시솜 (glyoxysome)

- 식물세포에서만 발견

- 지질 -> 글라이옥실산 -> 탄수화물 경로 촉진 효소 존재

⑨ 사이토솔 (cytosol)

- 세포질을 말하며 세포 소기관들이 존재하는 장소

- 약간의 내부 구조물이 발견되기도 함

⑩ 세포골격 (cytoskeleton)

- 미세기둥형 격자로, 모든 소기관들에 연결

⑪ 세포막

- 단일막구조, 인지질 + 단백질로 구성

- 세포와 외부 환경을 구분

- 물질 전달을 조절

⑫ 세포벽 (cell wall)

- 식물세포에만 존재

- 셀룰로오스가 주 성분

⑬ 액포 (vacuole)

- 단일막구조

- 식물세포에서 매우 발달됨

- 세포가 노화됨에 따라 수와 크기가 증가

- 노폐물을 세포 내부에 저장하여 삼투압을 조정

 

5. 원핵생물과 진핵생물을 분류하는 방법

1) 오늘날 과학자들이 생명체를 분류하는 방법

① 5계 분류 시스템 (five kingdoms)

- 원핵생물/진핵생물/동물/식물/동물 및 식물 X 진핵생물로 분류

ⅰ) 원핵생물계(Monera)

- 원핵생물(prokaryotic organisms)로만 구성

e.g. 박테리아(bacteria)/녹조류(cyanobacteria)

  cf) 녹조류: 광합성이 가능하지만, 독성도 있기에 4대강 사업에서 주요 연구대상으로 여겨짐

ⅱ) 원생생물계(Protista)

- 단세포 진핵생물로 구성

e.g. 연두벌레(Euglena)/볼복스(Volvox)/아메바(Ameoba)/짚신벌레(Paramecium)

cf) 일부 원생생물은 다세포 (조류 등)

cf) Volvox와 보톡스는 개념이 다름: 보톡스는 특정 박테리아의 분비물 중 근육 성분을 마비하는 물질을 의미

 

나머지는 다세포 진핵생물에 대해서 분류한 것

원핵생물에서 진핵생물로의 발달을 진화에서 주요한 변화로 여김

 

ⅲ) 균계(Fungi)

e.g. 효모/곰팡이/버섯 등

ⅳ) 동물계(Animal)

ⅴ) 식물계(Plants)

 

② 3영역 분류 시스템 (Three Domains)

- 생물이 다른 형태로 분기되는 시점에서 보는 관점: 각 종의 rRNA 염기 서열 이용

- 2개의 원핵생물 영역(박테리아/아키아)과 1개의 진핵생물 영역(모든 진핵생물)로 분류

ⅰ) 박테리아(Eubacteria)

- 그냥 박테리아

ⅱ) 고세균(Archaebacteria/Archaea/Extremophile)[[1]]

- 극한 환경에서 발견

- 뚜렷한 핵이 없는 생명체

ⅲ) 진핵생물(Eukarya/Eukaryotes)

 

 

2) 진핵생물의 기원 (Common Ground for All Cells)

- 진핵생물의 기원을 설명하기 위해서는 ‘공생(Symbiosis)’에 대해서 살펴볼 필요가 있음

① 상리공생(Mutualism)

- 두 종 모두 도움을 받는 관계

e.g. 지의류(lichem)

- 균류: 조류를 보호하며 물을 공급

- 조류: 광합성을 통해 두 생명체에 영양분 공급

e.g. 뿌리혹 시스템(root-nodule system)

- 질소 고정 박테리아(혐기성): 질소화합물을 합성해서 식물에 공급

- 식물의 뿌리: 산소를 소비하여 산소 환경에 불리한 박테리아 생존을 도움

e.g. 사람과 박테리아 (E. coli)

- 사람: 대장균에 영양분을 공급하고 주변 환경으로부터 보호

- 대장균: 소화과정에 도움을 줌 + 사람이 합성할 수 없는 특정 단백질 공급

② 기생(Parasitic symbiosis)

- 한 종은 이득을 보지만 나머지 한 종은 손해를 보는 관계

③ 내공생(Endosymbiosis)

- 작은 생명체가 자신보다 훨씬 큰 생명체의 내부에 완전히 포함되어 있는 공생관계

  - 유전적 공생: 크기가 더 큰 숙주세포가 더 작은 생명체를 유전적으로 결정된 개수만큼 포함

e.g. 사이아노박테리아(Cyanobacteria) -> 엽록체(chloroplasts)

- 사이아노박테리아: 호기성 원핵생물 -> 광합성을 통해 영양분 제공

- 진핵세포(숙주세포): 박테리아를 보호 및 광합성 환경 제공

- 점차 사이아노박테리아가 퇴화하며 독립적 기능을 상실했으며, 세포내 소기관으로 전환

e.g. 미토콘드리아(mitochondria)

- 호기성 박테리아: 산소를 공급받아 영양물을 생성하며, 숙주세포가 더 많은 에너지를 사용하도록

- 혐기성 숙주세포: 박테리아에 생존 환경 제공

- 점차 둘 사이의 경계가 무너져 진화된 형태의 독립 개체로 전환

 

- 엽록체 모델과 미토콘드리아 모델의 공통점

- 미토콘드리아와 엽록체가 고유한 DNA를 갖고 있어 개별적으로 RNA와 단백질을 합성할 수 있음

- 큰 숙주세포는 작은 생물에게 서식지와 영양분을 제공함

- 작은 생물들은 에너지(영양분)를 제공해서 큰 숙주세포의 효율적인 물질대사를 도움

- 큰 숙주세포에 여러 개의 작은 생물들이 들어가서 형성된 모델

  

6. 생화학 에너지론 (Biological Energetics)

1) 생명현상을 유지하는 과정에서의 에너지원

- 이산화탄소와 물을 탄소화합물로 전환하는 데에는 많은 (태양)에너지가 필요함

  e.g. 광합성: 빛에너지를 이용해서 위의 과정을 진행: 환원(reduction)

- 생명체들은 탄소화합물을 소비해서 자신의 에너지원으로 이용 (ATP 활용 등)

  e.g. 호흡: 세포 내 미토콘드리아에서 탄소/질소화합물을 연소하여 에너지원 획득: 산화(oxidation)

cf) 이산화탄소는 기후변화의 주요 물질이기에 국가단위의 연구가 많이 진행

cf) 사람에게 탄소화합물은 중요한 물질이기에 이에 대한 연구 또한 많이 진행중

2) 열역학 법칙

- 열역학(thermodynamics)는 반응이 잘 진행될 수 있는지를 따지는 학문

  e.g. 화학결합의 형성/파괴, 분자사이의 상호작용 발생/방해 등

- 열역학에서의 에너지 변화 ∆H는 에너지의 initial state와 final state를 기준으로만 표현됨 (상태함수)

-> 이를 기반으로 반응의 자발성(spontaneousness)를 판단함: G = H - TS

- 흡열 반응과 발열 반응

  - ∆H > 0: 흡열반응(endothermic reaction) -> 반응이 일어날 확률 비교적 작음

  - ∆H < 0: 발열반응(exothermic reaction) -> 반응이 일어날 확률 비교적 높음

  ex) ATP -> ADP + P: ∆H = -30.5kJ/mol < 0

- 생물학적 시스템에서의 에너지 변환 예시

(1) 전기가오리(electric ray): 화학에너지 -> 전기에너지

(2) 파이로디늄(pyrodinium, 생물발광 박테리아): 화학에너지 -> 빛에너지

3) 에너지변화

- 생체 분자의 생성과 분해에는 화학에너지의 변환이 개입되어 있음

e.g. 기존 공유결합의 분해와 새 결합이 형성되는 화학반응

e.g. 단백질 folding에 의해 특정 3차 구조가 형성될 때 관여하는 수소결합/소수성 상호작용 형성

4) 생화학 반응에서의 자발성 판단 (Spontaneity in Biochemical Reaction)

① 자발적 반응 (spontaneous reaction)

- 에너지 관점에서 우호적인 반응을 뜻함 (energetically favorable)

- 반응속도가 빠른 것을 뜻하지는 않음

② 이를 예측하는 기준: 자유에너지(free energy, G)

- 일정한 온도와 압력 조건 하에서 생화학 반응이 진행되었다고 예측

- 절대적인 수치를 구할 수 없으며 ‘변화량’을 측정함

③ 자유에너지 변화의 부호와 자발성

  - ∆G < 0: 에너지 방출성 (exergonic), 자발적  -> 에너지가 방출됨

  - ∆G > 0: 에너지 흡수성 (endogonic), 비자발적 -> 에너지를 가해야 함

  - ∆G = 0: 평형상태 (equilibrium)

  e.g. 자발적 반응 - 호흡: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O, ∆G < 0

  e.g. 비자발적 반응 - ATP 합성 반응: ADP + PO4H2- -> ATP + H2O, ∆G > 0

 5) 생명과 열역학

- 생명체의 존재는 열역학 제 2법칙을 위배한다??

- 위의 질문에 답하기 위해서는 앞에서 말한 G = H - TS의 식을 구체적으로 설명할 필요가 있음

∆G =∆H - T∆S

① 깁스에너지와 열역학 제 1법칙

- 열역학 제 1법칙: 반응계에서 에너지는 보존됨

  - 에너지 전환 시 100% 이상의 효율은 안 나옴

- ∆H에 주목하여 설명

② 깁스에너지와 열역학 제 2법칙

- 열역학 제 2법칙: 엔트로피의 총량은 항상 증가하는 방향으로 반응이 진행됨

- 열역학 제 1법칙에서 설명하지 못한 반응의 방향성을 설명해줌

- 가역 반응의 엔트로피는 일정하나 실생활에서는 가역반응이 없기에 엔트로피의 총량은 증가

  - 그렇기에 에너지 전환의 효율은 100%가 절대 될 수 없음을 뜻함 (클라지우스 부등식)

- ∆S에 주목하여 설명

③ Remind: 생명체의 존재는 열역학 제 2법칙을 위배하는가?

- universe의 자연스러운 변화 방향은 엔트로피가 더 증가한 상태 (에너지 분산 정도가 증가한 상태)

- 생명체는 이 질서를 거스르며 질서를 유지하는데 많은 에너지를 사용 (에너지의 낭비 발생)

  e.g. 세포들은 구조를 유지하기 위해서 많은 에너지를 사용

- 생명체는 하나의 system에 불과하기에 각 개체에서의 엔트로피 감소가 발생하더라도 surrounding의 엔트로피가 충분히 증가한다면 생명체 존재가 부정당하는 것은 아님

e.g. 단백질 접힙의 에너지론 설명

 

cf) 통계학적 관점에서 바라본 엔트로피 S

- 엔트로피에 대한 볼츠만 방정식: S = klnW

- 분자들이 잘 분산이 되어 있어야 엔트로피가 더 크다는 것을 알 수 있음

- 즉, system에서의 에너지 분산 정도를 엔트로피로 설명할 수 있음

 

---

[[1]] 고세균은 메탄생성미생물(Methanogen), 호염균(halophile), 그리고 호열호산성 미생물(thermoacidophile)로 분류된다.

[[1]] 메탄생성미생물: 절대혐기성 미생물/이산화탄소 + 수소 -> 메테인

[[1]] 호염균: 생장시 높은 농도의 염 필요 (사해 등에서 발견)

[[1]] 호열호산성 미생물: 초기지구 조건과 비슷한 고온과 산성 조건에서 생장 (80℃~90℃ & pH 2)

    고세균의 효소는 진정세균과 진핵생물의 효소와 달리 안정한 성질을 보인다. 이는 공학 조건에서 많이 활용된다.

                                                                                                                                            (Taq 중합효소 -> PCR 기술)