3-② 지질은 다양한 소수성 분자의 그룹이다

지질은 중합체로 이루어지지 않은 거대 생물 분자의 한 종류이며 일반적으로 지질은 고분자라고 여겨질 만큼 크지는 않다. 지질(lipid)이라고 부르기도 하는 화합물은 하나의 중요 특성을 공통으로 갖고 있기 때문에 함께 그룹을 이룬다. 즉, 물과 잘 혹은, 전혀 혼합되지 않는다는 것이다. 이러한 지질의 소수성은 분자구조로부터 기인한다. 지질은 산소와 결합하는 몇몇 극성결합을 갖고 있지만 대부분은 탄화수소로 구성되어 있다. 지질은 형태와 기능 모든 면에서 매우 다양한 그룹이다. 지질에는 왁스나 특정 색소가 포함되지만, 지질 중 생물학적으로 가장 중요한 종류인 지방, 인지질, 스테로이드에 초점을 맞출 것이다.

[지방]

지방은 중합체는 아니지만, 거대분자이고 작은 분자로부터 탈수반응에 의해 만들어진다. 지방(ft)은 지방산과 글리세롤이라는 두 종류의 작은 분자에 의해 구성된다. 글리세롤(glycerol)은 탄소 3개를 갖는 알코올이며, 각 탄소는 수산기를 갖고 있다. 지방산(fatty acid)은 긴 탄소골격을 갖고 있는데, 길이는 보통 탄소 원자 16개 혹은 18개이다. 지방산 한쪽 끝의 탄소는, 이런 분자가 지방산이라는 이름을 갖도록 해주는 작용기인 카복실기의 일부이며, 카복실기에 긴 탄화수소 사슬이 붙어 있다. 지방이 소수성인 이유는 지방산의 탄화수소 사슬에 있는 비극성 C-H 결합 때문이다. 물 분자는 다른 물 분자와 수소결합을 하고 지방을 배제하기 때문에 지방은 물로부터 분리된다. 이것은 샐러드드레싱 병에서 액체 지방인 식물성 기름과 수용의 식초 용액이 분리되는 원인이다. 지방을 만들 때, 3개의 지방산 분자가 각각 수산기와 카복실기의 결합인 에스터결합에 의해 글리세롤에 연결된다. 이렇게 만들어진 지방은 트라이아실글리세롤(triacylglycerol)이라고도 불리는데 글리세롤 한 분자에 3개의 지방산이 결합하여 있다. 지방의 또 다른 이름은 트라이글리세라이드(triglyceride)인데, 이 단어는 포장된 음식물의 성분 목록에서 종종 볼 수 있다. 지방에 있는 지방산이 모두 같을 수도 있지만, 지방산이 2개 또는 3개의 다른 종류일 수도 있다. 지방산은 길이, 이중결합의 수와 위치가 다양하다. 포화지방(saturated fat)과 불포화지방이라는 용어는 영양과 관련해서 일반적으로 사용된다. 이는 지방산의 탄화수소 사슬의 구조를 나타내고 있다. 사슬을 이루는 탄소 원자 간에 이중결합이 없으면 수소 원자는 탄소골격에 가능한 한 많이 붙게 된다. 이런 구조를 수소에 의해 포화하였다고 표현하며, 이러한 지방산을 포화지방산(saturated fatty acid)이라 한다. 불포화지방산(unsaturated fatty acid)은 탄소골격에서 수소 원자가 제거되어 형성된, 한 개 또는 여러 개의 이중결합을 갖고 있다. 이 지방산의 탄소 사슬은 시스 이중결합이 생긴 곳에서 뒤틀린다. 포화지방산으로 만들어진 지방을 포화지방이라고 한다. 대부분의 동물성 지방은 포화지방인데, 지방 분자의 꼬리인 지방산의 탄화수소 사슬에 이중결합이 없으며. 지방 분자의 유연성은 지방 분자가 조밀하게 꾸려질 수 있게 해준다. 라드와 버터와 같은 동물성 포화지방은 실온에서 고체이다. 반면에 식물과 생선 지방은 보통 불포화되어 있다. 이는 1개 또는 그 이상의 불포화지방산으로 구성되어 있음을 뜻한다. 일반적으로 불포화지방은 실온에서 액체이며, 올리브기름이나 대구 간 기름과 같이 기름이라고 부르기도 한다. 시스 이중결합이 있는 곳에서의 탄소 사슬의 비틀림은 실온에서 고체화가 될 정도로 분자들이 촘촘하게 배열되는 것을 막아준다. 식료품에 쓰여 있는 수소화된 식물성 기름이라는 문구는 식물성 불포화지방에 수소를 첨가하여 포화지방으로 변형시켰다는 것을 의미한다. 땅콩버터, 마가린 그리고 여러 가지 다른 생산품에는 지질이 액체 상태로 분리되지 않도록 수소가 첨가되어 있다. 포화지방이 풍부한 음식은 동맥경화로 알려진 심혈관계 질환을 일으킬 수 있는 여러 요인 중 하나이다. 포화지방을 많이 섭취하면, 혈관 벽 내에 플라크라는 침전물이 생겨 혈관 안쪽으로 돌출되게 된다. 이는 혈류를 방해하고 혈관의 탄력을 감소시킨다. 최근의 연구에 따르면, 식물성 기름을 수소화 시키는 과정은 포화지방을 만들 뿐만 아니라 트랜스 이중결합을 갖는 불포화지방을 만든다. 이러한 트랜스 지방(trans fat) 분자는 포화지방보다 동맥경화나 다른 문제를 일으킬 가능성이 더 있다. 특별히 트랜스 지방은 구운 제품과 가공식품에 많기 때문에, USDA는 식품의 영양성분표에 트랜스 지방에 대한 정보를 표시하도록 하고 있다. 지방은 우리 문화 속에서 부정적 어감을 갖고 있기 때문에, 지방이 여러 유용한 목적에 쓰인다는 사실에 의아해할 것이다. 지방의 주 기능은 에너지 저장이다. 지방의 탄화수소 사슬은 가솔린 분자와 유사하고, 에너지 측면에서도 그만큼 풍부하다. 지방 1g은 녹말과 같은 다당류 1g에 비해 2배 이상의 에너지를 저장한다. 식물은 상대적으로 운동성이 없기 때문에, 녹말 형태의 부피가 큰 에너지 저장소를 갖고서도 기능을 수행할 수 있다. (식물성 기름은 일반적으로 저장소가 보다 조밀한 씨앗으로부터 얻는다) 하지만 동물은 스스로 에너지 저장소를 운반해야 하므로, 좀 더 조밀한 연료 저장소인 지방을 가진 것이 유리하다. 인간과 기타 포유류는 장기간의 영양 비축 물을, 지방이 저장되거나 회수됨에 따라 부풀기도 하고 쭈그러들기도 하는 지방세포에 저장한다. 지방조직은 에너지를 저장할 뿐 아니라 신장과 같은 생명 유지에 필수적인 기관을 보호해 주고, 피부 밀의 지방층은 몸의 절연체 역할을 한다. 이런 피하 층은 특별히 고래, 바다표범 그리고 대부분의 해양 포유류에서 두꺼운데, 이것은 차가운 바닷물로부터 보호하는 역할을 한다.

[인지질]
세포는 다른 지방인 인지질(phospholipid) 없이는 생존할 수 없다. 인지질은 세포막을 만들기 때문에 세포에 필수적이다. 인지질 구조는 분자 수준에서 어떻게 구조가 기능에 들어맞는지를 보여주는 훌륭한 예가 된다. 인지질은 지방과 유사하지만, 3개 대신 단 2개의 지방산만이 글리세롤에 불어 있다. 글리세롤의 세 번째 수산기는 음전하를 띠고 있는 인산기와 연결되어 있다. 보통 전하를 띠거나 극성인 작은 분자가 인산기에 부가적으로 연결되어 다양한 인지질을 형성한다. 인지질의 양 끝은 물에 대해 서로 달리 작용한다. 인지질의 탄화수소 꼬리는 소수성이며 물로부터 배제된다. 하지만 인산기와 이것에 붙어 있는 분자는 물에 대해 친화력을 갖는 친수성 머리를 만든다. 인지질이 물에 첨가되면, 물로부터 소수성 부분을 감싸면서 스스로 조합되어 두 층으로 된 집합체, 즉 이중 층 bilayer)이 된다. 세포 표면에서, 인지질은 유사한 이중 층 배열하고 있다. 분자의 친수성 머리는 이중 층의 바깥쪽에 위치하며 세포 안팎의 수용액에 접해 있다. 소수성 꼬리는 이중 층 내부를 향해 있고 물로부터 떨어져 있다. 인지질 이중층은 세포와 외부 환경 사이에 경계를 형성하기 때문에, 인지질 없이 세포는 존재할 수 없다.

[스테로이드]
콜레스테롤뿐만 아니라, 많은 호르몬은 4개의 합쳐진 고리로 구성된 탄소골격 특징을 가진 지질인 스테로이드(steroid)이다. 다른 스테로이드는 연결된 고리에 붙어 있는 작용기에 차이가 있다. 콜레스테롤(cholesterol)은 동물세포막의 공통된 구성성분이며, 이로부터 다른 스테로이드기 합성되는 전구체이다. 척추동물에서는 간에서 콜레스테롤이 합성된다. 척추동물의 성호르몬을 포함해 많은 호르몬은 콜레스테롤로부터 만들어진다. 그러므로 혈중 콜레스테롤 농도가 높아지면 동맥경화가 일어날 수 있지만, 콜레스테롤은 동물에게 매우 중요한 분자이다. 포화지방과 트랜스 지방 모두 콜레스테롤 수준에 영향을 미침으로써 건강에 악영향을 미칠 수 있다.

 

참고문헌: 전상학, 생명과학8판, 바이오사이언스, 2009