오늘은 화학생물공학부의 전공 과목인 응용생화학에 대해서 간단하게 알아볼 예정입니다! 응용생화학은 인체 내에서 일어나는 여러 생물학적 과정을 화학적인 지식을 통해 설명하는 학문입니다. 생물이 어떻게 화학과 함께 다루어지는지 예시를 통해 알아봅시다.

먼저 헤모글로빈이 무엇일까요? 헤모글로빈이란 ‘헴’이라는 부분이 있는, 산소와 결합할 수 있는 단백질로, 우리 몸에서 산소를 운반해주는 역할을 해줍니다. 우리가 숨 쉬면서 얻은 산소를 각 조직으로 전달해주는 단백질이 바로 이 헤모글로빈입니다! 이 외에도 우리 몸에는 산소와 결합할 수 있는 단백질이 하나 더 있는데요. 바로 마이오글로빈이라는 단백질입니다. 그러면 마이오글로빈은 산소를 운반할 수 있을까요?

결론부터 이야기하자면 아닙니다! 산소를 운반할 수 있는 능력은 산소 분압¹ 에 따른 포화도² 로 결정되는데요. 우리 폐 속에서의 산소 분압은 10 kPa이고, 조직에서의 산소 분압은 4 kPa라고 가정해봅시다. 헤모글로빈의 경우에는 산소와 결합한 비율이 각 산소 분압에서 90%, 50%이므로 헤모글로빈은 이 차이에 해당하는 40 %만큼 산소를 전달해줄 수 있습니다. 반면에 마이오글로빈은 각 산소 분압에서 거의 차이가 나지 않으므로 전달할 수 있는 산소의 양이 굉장히 적습니다. 따라서, 이렇게 산소 분압에 따른 포화도 차이가 큰 헤모글로빈만이 산소를 운반하는 역할을 할 수 있습니다.

헤모글로빈이 이처럼 산소 분압에 따른 포화도 차이를 보이는 원인은 바로 단백질 구조 때문입니다. 위 사진을 보시면 헤모글로빈은 산소가 여러 개 결합할 수 있는 구조를 갖고 있는데요. 산소가 헤모글로빈에 일단 결합하면 헤모글로빈의 구조가 변화하여 산소를 더 잘 받아들일 수 있는 고친화도 상태로 전환됩니다. 따라서, 산소가 처음 들어올 때에 비해 산소와 결합한 분율 Y가 급격하게 증가하여 그래프가 위와 같이 나오게 됩니다. 이처럼 처음 결합한 산소가 다른 결합 자리에도 영향을 주는 효과를 협동적 결합이라고 합니다.

이 협동적 결합은 화학 평형 상수 개념을 이용하여 표현될 수 있습니다. 화학 평형 상수란 생성물의 몰 농도 곱과 반응물의 몰 농도 곱을 비율로 나타낸 것으로, 온도가 일정하면 화학 반응이 진행될 때 이 평형상수 값이 일정하다는 성질을 가지고 있는데요. 화학 평형상수를 구해줄 때는 화학 반응식의 계수가 지수로 올라가서 거듭제곱 형태로 표현이 됩니다.

그렇다면 어떤 효소(P)가 n개의 기질(L)과 결합을 해서 생성물(PLn)을 만드는 반응을 한 번 생각해봅시다! 위의 예시에 적용해서 생각해본다면 P는 헤모글로빈, L은 산소라고 생각할 수 있고, PLn은 산소 n개와 결합한 헤모글로빈이라고 생각할 수 있겠죠? 이러한 화학 반응식의 평형상수는 아래 식과 같이 표현할 수 있습니다.

P + nL ⇄ PL_n

\( K_a = \frac{{[PL_n]}}{{[P] [L]^n}} \)
그 다음, 효소와 결합한 기질의 분율 Y를 표현해줄 텐데요. 전체 효소 [P]+[PL_n] 중에서 기질과 결합한 [PL_n]의 비율이므로 Y는 이 두 농도의 비에 해당합니다. 이 식을 다시 잘 정리해주면, 분율 Y와 하나의 효소당 기질 결합 개수 n 사이의 관계식이 유도되는데, 이 관계식을 힐 방정식(Hill’s Equation)이라고 합니다. 여기에서 n은 한 효소에 몇 개의 기질이 결합되는지, 즉 효소와 기질 사이 결합이 다른 결합 자리에 어떤 영향을 미치는지를 나타내는 상수값에 해당합니다. 따라서 어떠한 실험에서 분율 Y, 기질의 농도[L], 평형상수를 대입하여 식을 계산해주었을 때, n의 값이 1보다 크면 한 효소당 여러 기질과 결합할 수 있다는 의미이므로 헤모글로빈과 같은 협동적 결합임을 확인할 수 있습니다.

\( Y = \frac{{[PL_n]}}{{[P] + [PL_n]}} = \frac{{[L]^n}}{{[L]^n + \frac{{1}}{{K_a}}}} \)

\( \log\left(\frac{{Y}}{{1-Y}}\right) = n \log{[L]} - \log\left(\frac{{1}}{{K_a}}\right) \)
이번 전공 수업 소개 특집에서는 이렇게 화학생물공학부의 전공과목 중 하나인 응용 생화학에 대해 짧게 알아보았습니다. 위에서는 효소와 기질 사이 협동적인 결합을 화학 반응식을 통해 설명하였는데요. 이처럼 응용 생화학을 공부하면 지금까지 배웠던 화학 지식을 기반으로 우리 몸을 이해할 수 있습니다. 이 밖에도 화학생물공학부는 공정시스템, 무기 및 전자소재, 고분자 및 유기 소재 등 다양한 분야로 뻗어 나갈 수 있는데요. 자세한 내용이 궁금하시다면 화학생물공학부 홈페이지를 참고하길 바라면서 이번 글을 마치겠습니다.