생물을 화학적인 관점에서 이해하면

생명의 본질이 보인다!

이 책은 어려운 구조식과 반응식을 최대한 꺼내지 않으면서 우리가 일상에서 실감할 수 있는 생명 활동과 생명 현상 속에 숨어 있는 생화학을 설명하고 있다. 생화학을 한마디로 표현하자면 생명 현상을 화학 구조식과 화학 반응식으로 설명하는 학문이다. 우리가 매일 밥을 먹고, 건강에 신경 쓰고, 질병에 걸리는 것도 모두 생명 현상이자 생명 활동이다. 다시 말해 생명 활동은 우리의 생활 그 자체라고 해도 무방하다. 이 책을 통해 지금까지 신경 쓴 적 없었지만, 우리 주변에는 이렇게나 다양한 화학 반응과 화학 물질이 작용하고 있었다는 사실을 깨닫게 될 것이다. 

지은이_요시무라 시게히로

일본 규슈대학 대학원 이학연구원 생물과학부문 교수, 교토대학 대학원 생명과학연구과 특임 교수.

세포 내에서 작용하는 단백질의 형태와 기능을 통해 생명 활동의 근본 원리를 규명하는 연구를 하고 있다. 교토대학에서 생화학, 생물물리학, 세포생물학, 생명과학 등 일반교양 과목을 다년간 강의하며 학생들을 가르치고 있다. 취미는 로드바이크와 트레일 러닝으로, 식사와 운동의 관계를 자신의 몸을 통해 탐구하는 데 즐거움을 느낀다.

옮긴이_정한뉘

한양대학교 분자생명과학과 졸업. 생명과학을 전공해 연구자의 길을 걷던 중 오랜 꿈이었던 일본어 번역가의 길을 포기할 수 없어 번역의 세계로 뛰어들었다. 책 한 권 한 권에 담긴 세상을 독자들에게 널리 알리고 싶다는 마음을 잊지 않고자 ‘한뉘(넓은 세상)’라는 필명을 지었다. 바른번역 글밥 아카데미 일본어 출판번역가 과정을 수료한 후 현재 각종 일서 검토·기획을 맡고 있다. 주요 역서로 『독과 약을 한 권으로 알 수 있다』, 『한 권으로 읽는 과학 노벨상』, 『오늘도 화학』, 『소설처럼 재미있게 읽는 뇌과학 강의』 등이 있다.

들어가며

제1부 생화학이란 무엇일까?

1장 대사는 에너지의 형태를 바꾸는 반응

2장 당의 구조와 성질

3장 지질의 구조와 성질

4장 아미노산과 단백질

5장 음식이 에너지로 바뀌는 과정

제2부 음식과 영양

6장 고구마의 단맛에 숨은 비밀: 당의 구조와 단맛

7장 식이섬유는 먹어도 살이 안 찐다고?: 다당류의 구조와 에너지

8장 참마를 갈면 왜 손이 가려울까?: 전분의 합성과 저장

9장 트랜스 지방이란 무엇일까?: 지방산의 분해

10장 생선을 먹으면 머리가 좋아진다고?: 지방산의 합성

11장 콜레스테롤은 좋은 성분일까 나쁜 성분일까?: 지질의 순환과 콜레스테롤

12장 단것을 먹으면 왜 살이 찔까?: 당과 지질 대사의 교차

13장 식물 단백질과 동물 단백질은 어떻게 다를까?: 아미노산의 분해와 합성

14장 토마토수프는 왜 맛있을까?: 단백질과 아미노산과 감칠맛

15장 발효와 부패는 종이 한 장 차이: 알코올 발효와 젖산 발효

16장 균형 잡힌 식사의 중요성: 비타민과 무기질

제3부 건강과 운동

17장 무조건 살이 빠지는 다이어트법이 있다고?: 에너지 균형 문제

18장 살이 찌는 음식, 살이 빠지는 음식: 식사와 혈당

19장 아무것도 안 했는데 피곤한 이유: 기초 대사로 소비되는 에너지

20장 운동의 주역, 골격근: ATP를 소비하는 운동

21장 에너지는 고갈되지 않는다: 무산소 호흡과 운동

22장 지구력 경기의 한계: 산소 호흡과 운동

23장 세포의 소통: 세포 간 신호 전달

제4부 유전자

24장 DNA와 유전자와 염색체는 같은 물질일까?: DNA로 이해하는 생명의 신비

25장 인간과 침팬지: DNA의 변화와 진화

26장 설계도로 몸을 만드는 과정: DNA→RNA→단백질

27장 파마머리는 왜 풀리지 않을까?: 단백질의 구조

28장 원숭이에서 호모 데우스로: 유전자 재조합과 유전체 편집

나오며 

화학 반응은 화학 결합을 자르거나 새로 만드는 과정입니다. 화학 결합이 잘리면 그 안에 축적되어 있던 에너지가 모종의 형태로 방출됩니다. 대부분 열에너지로 방출되는데, 이는 에너지의 형태가 화학 결합에서 열로 바뀐 예입니다. 반대로 새 화학 결합을 만들려면 에너지를 공급해야 합니다. 즉, 화학 결합을 만드는 반응에서는 에너지가 공급되어야 하고, 화학 결합을 자르는 반응에서는 에너지가 방출된다고 정리할 수 있습니다. 지나치게 단순하다고 느낄지도 모르지만, 이 한 줄이 대사의 핵심이랍니다.

1장 대사는 에너지의 형태를 바꾸는 반응

콜레스테롤은 구조는 지방산과 전혀 다릅니다(그림 3-1). 동맥 경화의 원인이 되기에 몸에 안 좋은 물질로 알고 있는 사람도 많지만, 콜레스테롤 또한 우리 몸에서 만들어집니다. 이는 콜레스테롤이 우리 몸에 필요한 각종 스테로이드 호르몬의 주원료이기 때문입니다(11장 참조). 우리 몸에서는 매일 1.2g의 콜레스테롤이 만들어지는데요. 음식으로 섭취하는 평균 콜레스테롤양이 0.4g임을 고려하면 몸에서 만들어지는 콜레스테롤이 압도적으로 많습니다. 하지만 기름진 음식을 지나치게 많이 섭취하면 혈중 콜레스테롤양이 증가해 혈관에 축적되다가 동맥 경화를 일으킬 수도 있습니다.

3장 지질의 구조와 성질

식물이 영양을 전분의 형태로 저장하는 이유는 광합성할 수 없을 때를 대비하기 위해서입니다. 광합성이 불가능한 상황도 다양한데, 씨앗이 발아할 때나 땅속줄기를 뻗어 번식할 때가 가장 중요합니다. 식물은 자손을 남기기 위해 중요한 영양원을 씨앗의 씨젖이나 땅속줄기에 축적합니다. 관점을 바꾸어 생각해 보면 식물은 동물이 번식의 핵심 부위를 먹지 못하도록 대비해야겠지요. 그래서 일부 식물은 동물로부터 자신을 보호하는 수단을 가지게 되었습니다. 바로 알칼로이드를 비롯한 각종 독입니다.

8장 참마를 갈면 왜 손이 가려울까?: 전분의 합성과 저장

단것을 많이 먹었을 때 살이 찌는(지방이 많아지는) 이유는 아세틸-CoA가 중추로서 당 대사와 지질 대사를 연결하기 때문입니다. 실제로 당 대사와 지질 대사가 교차하는 메커니즘은 훨씬 복잡합니다. 인슐린이라는 호르몬은 혈당을 조절하는 동시에 지질 대사에 관여하는 효소의 작용도 조절하는데, 팔미트산 1분자를 만들 때 글루코스 약 18분자가 소비됩니다. 글루코스 50g을 과다 섭취했다면 약 14g의 지질이 만들어진다는 뜻이지요. 당분을 너무 많이 섭취하지 않도록 주의해야겠죠?

12장 단것을 먹으면 왜 살이 찔까?: 당과 지질 대사의 교차

경제학에도 현금 흐름이라는 용어가 있는데요. 벌어들인 돈, 보유하고 있는 돈, 빠져나가는 돈의 흐름을 상세하게 분석하고 해석하면 자금을 더 효율적으로 운용할 수 있습니다. 우선 수입의 흐름을 이해하기 위해 우리가 식사할 때 몸속에서 일어나는 변화를 따라가 봅시다. 여기서 중요한 지표가 바로 혈당입니다. 혈당은 음식을 먹으면 순식간에 올라갔다가 시간이 지나면서 정상치로 떨어집니다. 이 단순한 변동 속에 우리 몸에서 일어나는 수많은 반응을 이해하는 열쇠가 숨어 있는데요. 혈당은 단순히 혈중 당 농도가 아니라 각종 대사 이상이나 질환과 관련된 수치입니다. 에너지 공급, 즉 당질과 지질을 섭취했을 때 일어나는 생체 반응을 생화학적 관점으로 이해해 봅시다.

18장 살이 찌는 음식, 살이 빠지는 음식: 식사와 혈당

어떻게 하면 장시간 운동 능력을 효율적으로 키울 수 있을까요? 지금까지 배웠다시피 운동의 지속성을 결정하는 요인에는 ① 근육에서 당이 산화되는 속도, ② 간에서 근육으로 당질이 공급되는 속도, ③ 근육에서 지질이 산화되는 속도, ④ 근육과 장에 저장되는 당질의 양 등이 있습니다. ①과 ③의 대사 속도를 높이려면 그만큼 산소가 많이 공급되어야 한다는 점은 두말할 필요도 없지요. 지구력은 혈중 헤모글로빈양과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 지구력을 단련하면 효과적으로 헤모글로빈을 늘릴 수 있습니다.

22장 지구력 경기의 한계: 산소 호흡과 운동

유전자 표적 기술은 강력한 유전자 편집 도구이지만, 상동 재조합에 필요한 긴 유전체 영역의 DNA를 클로닝해야 하는 데다 재조합 효율 또한 낮았기에 시간과 수고가 많이 들었습니다. 하지만 최근 이를 대체할 유전체 편집 기술이 개발되면서 간편하고 저렴하게 유전자를 고칠 수 있게 되었습니다. 그중 하나인 CRISPR-Cas9(크리스퍼 캐스 나인)은 DNA 이중 가닥을 자르는 편집 기술로, 현재 각종 생물 종에 널리 쓰입니다. CRISPR-Cas9은 원래 세균의 면역 체계로, 세균에 침입한 바이러스의 유전체 DNA만 선택적으로 자르는 효소입니다. 이 메커니즘을 밝혀내고 유전체 편집에 응용할 가능성을 보인 제니퍼 다우드나와 에마뉘엘 샤르팡티에는 2020년에 노벨 화학상을 받았습니다.

28장 원숭이에서 호모 데우스로: 유전자 재조합과 유전체 편집 

생활 속의 화학, 생화학

사실 우리 주변에는 이렇게나 다양한

화학 반응과 화학 물질이 작용하고 있다!

이 책은 총 4부로 구성되어 있다. 제1부와 제2부에서는 생화학에서 가장 중요한 주제인 ‘대사’를 일상과 연결 지어 소개하고 있다. 우리의 식사에 포함된 당질, 지질, 단백질의 탄소 골격을 이루는 화학 결합의 에너지가 최종적으로 ATP까지 변환되는 과정, 그리고 그 경로가 연결되어 하나의 커다란 대사 체계를 형성하는 과정을 알려준다. 여기서는 “대사는 에너지의 형태 변화”라는 포괄적인 개념만 기억해도 충분하다. “결합을 끊어서 에너지를 끌어내고, 에너지를 주입해서 결합을 만든다!” 이것만 알아도 다양한 생명 현상을 깊이 이해할 수 있다.

이어서 제3부에서는 제2부에서 배운 대사가 우리 몸에서 어떻게 진행되는지 설명하고 있다. 우리 몸은 200여 종의 세포로 이루어져 있다. 이 세포들이 조직과 기관을 만들고, 우리의 생명을 유지한다. 세포와 마찬가지로 조직과 기관 역시 다양한 환경의 변화와 주변의 자극에 대응하며 항상성을 유지한다. 우리가 오래 운동할 수 있는 이유는 몸에서 ATP를 만들어내는 여러 시스템 덕분이다. 당연하게 보내온 일상에도 사실은 생화학의 재미가 숨어 있다.

제4부에서는 대사와 함께 생화학의 중요한 주제인 유전자를 다루고 있다. 현대에는 우리가 모르는 곳에서 수없이 많은 유전자 재조합 기술이 쓰이고 있다. 농작물뿐만 아니라 여러 식품과 의약품, 영양제까지, 편리하고 유용하지만 자연의 은혜만으로는 만들어내기 힘들었던 상품들이 제조, 판매되고 있다. 유전자 재조합 기술 안에 담긴 원리를 이해하고 장단점을 논할 수 있을 것이다.

이 책은 생화학을 생활 속의 화학으로 생각하는 계기가 될 뿐 아니라, 당연하게 생각했던 일상에 숨어 있는 화학 반응과 화학 물질을 발견하는 기회가 될 것이다.