고분자

고분자(高分子, , high molecule)는 "상대 분자 질량이 높고, 저분자에서 실제로 또는 개념적으로 파생된 단위의 다중 반복으로 본질적으로 구성된 구조를 가진 분자"이다. 중합체는 고분자의 물리적 예시이다. 일반적인 고분자로는 생체고분자 (핵산, 단백질, 탄수화물), 폴리올레핀(폴리에틸렌) 및 폴리아마이드(나일론)가 있다.

 합성 고분자 
섬네일|음료수 용기를 만드는 데 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트
많은 고분자는 합성 중합체이다(플라스틱, 합성섬유, 합성고무). 폴리에틸렌은 에틸렌이 화학 산업의 주요 생산물이 될 정도로 특히 대규모로 생산된다.

 자연의 고분자 

 단백질은 펩타이드 결합으로 연결된 아미노산의 중합체이다.
 DNA와 RNA는 인산다이에스터 결합으로 연결된 뉴클레오타이드의 중합체이다. 이 뉴클레오타이드는 인산염 그룹, 당(RNA의 경우 리보스, DNA의 경우 디옥시리보스), 그리고 핵염기 (아데닌, 구아닌, 티민, 유라실, 또는 사이토신 중 하나로 구성되며, 티민은 DNA에서만, 유라실은 RNA에서만 발견된다).
 다당류 (녹말, 셀룰로스, 키틴 등)는 글라이코사이드 결합으로 연결된 단당류의 중합체이다.
 일부 지질 (생물학)(유기 비극성 분자)은 다양한 구조를 가진 고분자이다.

 선형 생체고분자 
모든 생물은 생물학적 기능을 위해 세 가지 필수 생체고분자인 DNA, RNA 및 단백질에 의존한다. Fifth edition available online through the NCBI Bookshelf: link 이들 분자 각각은 세포 내에서 각기 다른 필수적인 역할을 수행하므로 생명에 필수적이다.. Fourth edition is available online through the NCBI Bookshelf: link 간단히 말해, DNA는 RNA를 만들고, RNA는 단백질을 만든다.

DNA, RNA 및 단백질은 모두 관련 빌딩 블록(DNA 및 RNA의 경우 뉴클레오타이드, 단백질의 경우 아미노산)의 반복 구조로 구성된다. 일반적으로 이들은 모두 가지 없는 중합체이므로 문자열 형태로 나타낼 수 있다. 실제로, 각각의 구슬이 단일 뉴클레오타이드 또는 아미노산 단량체를 나타내며 공유 결합으로 연결되어 매우 긴 사슬을 형성하는 구슬 끈으로 볼 수 있다.

대부분의 경우, 사슬 내 단량체는 다른 아미노산이나 뉴클레오타이드와 강하게 상호작용하는 경향이 있다. DNA와 RNA에서 이는 왓슨-크릭 염기쌍(G-C 및 A-T 또는 A-U)의 형태를 취할 수 있지만, 더 복잡한 상호작용도 발생할 수 있다.

 구조적 특징 
 DNA RNA 단백질 유전 정보 인코딩 예 예 아니오 생물학적 반응 촉매작용 아니오 예 예 빌딩 블록 (유형) 뉴클레오타이드 뉴클레오타이드 아미노산 빌딩 블록 (개수) 4 4 20 가닥 수 이중 단일 단일 구조 이중 나선 복잡 복잡 분해에 대한 안정성 높음 가변적 가변적 수선 시스템 예 아니오 아니오

DNA의 이중 가닥 특성 때문에, 기본적으로 모든 뉴클레오타이드는 핵산 이중 나선의 두 상보적 가닥에 있는 뉴클레오타이드 사이의 왓슨-크릭 염기쌍 형태를 취한다.

대조적으로, RNA와 단백질은 일반적으로 단일 가닥이다. 따라서 DNA 이중 나선의 규칙적인 기하학적 구조에 제약받지 않으며, 서열에 따라 복잡한 삼차원 형태로 접힌다. 이러한 다양한 형태는 RNA와 단백질의 많은 공통적인 특성을 담당하며, 특정 결합 부위 형성 및 생화학 반응 촉매 능력 등을 포함한다.

 DNA는 정보 인코딩에 최적화되어 있다 
DNA는 모든 살아있는 생물을 조립, 유지, 번식하는 데 필요한 완전한 지침(유전체 (생명과학))을 인코딩하는 정보 저장 고분자이다.

DNA와 RNA는 모두 유전 정보를 인코딩할 수 있다. 왜냐하면 DNA 또는 RNA 서열 내에 암호화된 정보를 읽고 이를 사용하여 특정 단백질을 생성하는 생화학적 메커니즘이 있기 때문이다. 반면에, 단백질 분자의 서열 정보는 세포에 의해 기능적으로 유전 정보를 인코딩하는 데 사용되지 않는다.

DNA는 유전 정보 인코딩에서 RNA보다 훨씬 우수하게 만드는 세 가지 주요 속성을 가지고 있다. 첫째, 일반적으로 이중 가닥이어서 모든 세포에서 각 유전자를 인코딩하는 정보의 최소 두 사본이 존재한다. 둘째, DNA는 RNA보다 분해에 대한 안정성이 훨씬 뛰어나며, 이는 주로 DNA의 모든 뉴클레오타이드 내 2'-하이드록실 그룹의 부재와 관련이 있다. 셋째, DNA 손상을 모니터링하고 필요할 때 서열을 수선하는 고도로 정교한 DNA 감시 및 수선 시스템이 존재한다. 손상된 RNA 분자를 수선하기 위한 유사한 시스템은 진화하지 않았다. 결과적으로 염색체는 특정 화학 구조로 배열된 수십억 개의 원자를 포함할 수 있다.

 단백질은 촉매 작용에 최적화되어 있다 
단백질은 생명을 유지하는 생화학 반응을 촉매하는 기능적 고분자이다. 단백질은 광합성, 신경 기능, 시력, 운동과 같은 유기체의 모든 기능을 수행한다.

단백질 분자의 단일 가닥 특성과 20개 이상의 다양한 아미노산 빌딩 블록으로 구성된 특성은 단백질이 매우 다양한 삼차원 형태로 접힐 수 있도록 하며, 모든 종류의 분자와 특이적으로 상호작용할 수 있는 결합 부위를 제공한다. 또한, 다양한 아미노산의 화학적 다양성은 국부적인 3D 구조가 제공하는 다양한 화학적 환경과 함께 많은 단백질이 효소로 작용하여 세포 내에서 광범위한 특정 생화학적 변형을 촉매할 수 있도록 한다. 또한 단백질은 보조 인자와 조효소, 즉 폴리펩타이드 사슬 자체와 관련된 활동 외에 단백질에 특정 활동을 부여할 수 있는 더 작은 분자들을 광범위하게 결합하는 능력을 진화시켜 왔다.

 RNA는 다기능이다 
RNA는 다기능적이며, 그 주요 기능은 세포 DNA 내의 지시에 따라 단백질을 인코딩하는 것이다. RNA는 진핵생물의 단백질 합성에 대한 많은 측면을 제어하고 조절한다.

RNA는 모든 세포에 존재하는 메신저 RNA 분자와 많은 수의 바이러스의 RNA 유전체에서 입증된 바와 같이, 단백질의 아미노산 서열로 번역될 수 있는 유전 정보를 인코딩한다. RNA의 단일 가닥 특성은 빠른 분해 경향 및 수선 시스템의 부족과 함께 RNA가 DNA만큼 장기적인 유전 정보 저장에 적합하지 않음을 의미한다.

또한 RNA는 단백질과 마찬가지로 매우 많은 수의 삼차원 구조로 접힐 수 있는 단일 가닥 중합체이다. 이러한 구조 중 일부는 다른 분자를 위한 결합 부위와 결합된 분자에 대한 특정 화학 반응을 촉매할 수 있는 화학적으로 활성적인 중심을 제공한다. RNA의 제한된 수의 다른 빌딩 블록(단백질의 20개 이상의 아미노산과 비교하여 4개의 뉴클레오타이드)과 화학적 다양성 부족으로 인해 촉매 RNA(리보자임)는 대부분의 생물학적 반응에 대해 단백질보다 일반적으로 덜 효과적인 촉매가 된다.

 가지 달린 생체고분자 
섬네일|침엽수에서 추출한 리그닌의 이상화된 구조
리그닌은 널리 퍼져 있는 천연 고분자이다. 이는 나무 질량의 약 3분의 1을 차지한다. 리그닌은 가교 결합에 의해 생성된다. 리그닌과 관련된 폴리페놀은 여러 페놀 소단위의 가지 달린 구조로 구성되어 있다. 이들은 구조적 역할(예: 리그닌)뿐만 아니라 세포 신호전달, 색소 형성 및 방어와 관련된 식물 이차대사산물로서의 역할도 수행할 수 있다.

섬네일|갈산 에스터와 엘라그산 단위로 둘러싸인 포도당 단위 코어로 구성된 라즈베리 엘라지탄닌이라는 탄닌
탄수화물 고분자(다당류)는 단당류의 중합체로부터 형성된다. 단당류는 여러 작용기를 가지고 있기 때문에, 다당류는 선형 중합체(예: 셀룰로스) 또는 복잡한 가지 구조(예: 글리코젠)를 형성할 수 있다. 다당류는 살아있는 유기체에서 에너지 저장고(예: 녹말) 및 구조 성분(예: 절지동물 및 진균의 키틴)으로서 수많은 역할을 수행한다. 많은 탄수화물에는 작용기가 대체되거나 제거된 변형된 단당류 단위가 포함되어 있다.

 같이 보기 
 생물리학적으로 중요한 고분자 결정 구조 목록
 저분자
 연성물질

 각주 

 외부 링크 
 Synopsis of Chapter 5, Campbell & Reece, 2002
 Lecture notes on the structure and function of macromolecules 
 Several (free) introductory macromolecule related internet-based courses 
 Giant Molecules! by Ulysses Magee, ISSA Review Winter 2002–2003, . Cached HTML version of a missing PDF file. Retrieved March 10, 2010. The article is based on the book, Inventing Polymer Science: Staudinger, Carothers, and the Emergence of Macromolecular Chemistry by Yasu Furukawa.


분류:생화학
분류:분자물리학
분류:고분자화학