생체고분자(biopolymer )

생체내에서 합성되는 거대분자(巨大分子)의 총칭. 일반적으로는 1~20종의 비교적 단순한 구조단위가 되풀이 되어 합성된다.
구조단위로는 아미노산 · 뉴클레오티드 · 포도당 등이 있으며 그것들이 여러 공유결합(共有結合)에 의해 결합된 중합체고분자가 각기 단백질 · 핵산 · 다당류이다.
생체의 정밀한 구조와 교묘한 기능을 가능하게 하는 물질적 요소를 기관 · 조직 · 세포 · 세포기관 같이 차츰 작은 단위로 나눌 때, 가장 기본적인 요소로서 생체고분자에 이른다.
생체고분자 수준에서는 사람에서 세균에 이르기까지 공통적인 원리가 작용하며 그것은 유전 · 대사 · 운동 · 형태형성(形態形成) 등 생물에 특유한 성질의 대부분이 생체고분자가 지니는 다양한 기능에 의존하고 있기 때문이다.
〔연구의 역사〕 20세기 초까지 다당류를 비롯한 거대분자는 단지 저분자가 비(非)공유결합에 의해 모인 것으로 생각되었다.
1920년대 중기에 H. 슈타우딩거 등에 의해 셀룰로스나 고두가 대단히 큰 분자량을 가진 화합물이라는 것이 밝혀져 고분자의 개념이 명확해졌다.
그 후 고분자화학 분야에서는 합성고분자의 물리화학적 · 유기화학적 연구가 주류를 이루었 다.
한편 생화학 분야에서는 저분자 유기화합물뿐 아니라 거대유기분자도 주목을 받게 되었고 20세기 중엽에 단백질과 핵산의 모델 물질, 즉 폴리아미노산이나 폴리뉴클레오티드 연구를 계기로 고분자화학과 생화학의 두 분야가 융합되었다.
현재 생체고분자 연구는 분자생물학을 포함하는 극히 종합적인 학문으로 발전하고 있다.
〔구조와 형성〕 생체고분자의 기본 구조는 반복구조 단위가 한줄의 사슬 모양으로 연결된 것이며 다당류는 외줄사슬구조 외에 분지구조(分枝構造)가 있어 복잡한 망상조직을 형성하는 것이 있다.
생체고분자의 구조는 매우 질서 있는 것이 특징이며 구조단위의 수, 즉 분자의 크기뿐 아니라, 단백질과 핵산의 경우에는 구조단위의 배열순서(1차구조)까지도 일률적으로 결정되어 있다.
구조단위 사이에는 수소결합 · 이온결합 · 반데르발스힘 둥 여러 가지 상호작용이 작용하며 그 배열이 일률적이기 때문에 상호작용의 결과로 생기는 입체구조도 세부에 이르기까지 특이적(特異的)으로 정해진다.
생체고분자의 특이적 기능은 이와 같은 특이적 구조에 의해 비로소 가능해진다.
예를 들면 구상(球狀) 단백질의 입체구조는 각 아미노산의 위치는 물론, 각 원자의 위치까지 lA 이하의 정밀도로 정해져 있다.
이런 구조적인 특정으로 생체고분자는 생체내의 정보운반체로서의 기능도 가지게 된다.
반복구조단위는 일반적으로 탈수 반응에 의해 공유결합을 형성한다.
20종의 아미노산은 세포내의 리보솜에서 단백질 생합성계(生合成系)의 작용에 의해 잇따라 펩티드결합으로 결합되어, 분자량이 약 5,000에서 수십만에 이르는 펩티드사슬을 형성한다.
핵산은 4종의 뉴클레오티드가 세포핵 내에서 핵산중합효소의 작용에 의해 차례로 인산디에스테르결합을 하여 길고 큰 뉴클레오티드사슬을 형성한다.
예를 틀면 대장균 유전자의 뉴클레오티드 사슬은 분자량이 25억이나 된다.
포도당 등의 당류는 세포내의 막계(膜系)에 존재하는 글리코시드전달 효소의 작용으로 글리코시드결합으로 결합되어 분자량이 5,000 정도에서 수백만에 이르는 당사슬을 형성한다.
〔기능〕 생체고분자로서의 단백질의 기능 중 첫째로 중요한 것은 효소작용이다.
거의 모든 생체내 화학 반응은 효소에 의해 촉매되고 있다.
저분자를 산화 · 환원시키는 단순한 반응에서 유전자복제의 매우 복잡한 반응에 이르기까지 효소가 관여한다.
또한 콜라겐이나 케라틴 같은 구조단백질은 생체를 구축하는 중요한 요소이고, 운반단백질인 헤모글로빈은 산소를 폐에서 조직으로 운반하며, 혈청 알부민은 이온과 당을 운반한다.
또 운동단백질인 미오신과 액틴은 근육수축을 일으키며 다이닌과 튜불린은 섬모운동(纖毛運動)에 불가결한 단백질이다.
항체단 백질은 자기 이외의 물질 · 세균 · 세포 등을 식별해서 결합하여 생체방어의 주역으로서 작용하고 있다.
단백질은 발생분화(發生分化) 등의 제어기능에도 중요한 역할을 하고 있다.
핵산은 대부분의 세포에는 단백질이나 다당류에 비해 소량밖에 함유되어 있지 않다.
그러나 그 기능은 매우 중요하며 자기를 복제하는 데 필요한 모든 정보를 뉴클레오티드 배열에 따른 유전암호로서 보전(保全)하고 있다.
일반적으로 유전자 DNA로 이루어져 있으며 일부 바이러스 유전자와 같이 RNA(리보핵산)로 구성된 것도 있다.
그리고 그 유전자에 포함되어 있는 정보에 의해 단백질을 생합성할 때 mRNA는 DNA의 뉴클레오티드 배열을 아미노산 배열로 번역하기 위한 중개역할을 한다.
이렇게 핵산은 유전정보의 보전 · 복제 · 번역기능을 담당하고 있다.
다당류의 기능은 식물조직이나 동물의 외골격 구축과 에너지 저장이다.
식물을 구성하는 주요한 다당류인 셀룰로스는 자연계에서 가장 많이 존재하는 유기물이며, 지구에 존재하는 유기탄소의 반 이상을 차지한다.
동물계에서는 N-아세틸글루코사민이라는 아미노당의 중합체인 키틴이 곤충과 갑각류의 외골격을 형성하고 있다.
생물의 에너지원인 포도당은 몇 개가 중합된 다당류의 형으로 생체내에 저장되지만 당의 공유결합에 따라 몇 종류로 구별된다.
저장물질은 식물에서는 녹말, 동물에서는 글리코겐이며, 효모나 세균에서는 덱스트린도 이용된다.

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