단량체서열이중합체에미치는영향 단백질의한종류인효소 (enzyme) 은촉매활성 (catalytic activity) 를나타내는데비촉매반응과비교할때화학반응의속도를증가시킴 촉매성분자는복잡한분자의대량생산을촉진 분자의축적, 생명체의특징을지니는복잡한시스템발생 ( 생명기원 ) 단백질기능 = 촉매작용 ( 한효소의촉매비율은아미노산조성에따라달려있음 ) 우리몸에서효소작용이없다면화학반응이느려서생명유지에별효과가없을것임 비타민 E 특정식물성기름에서주로발견되는지용성화합물 (tocopherol). 비타민E는화학구조상매우빠른산화를겪게되어있음 몇개의산화될수있는물질이함께존재할때비타민E가다른물질보다먼저산화 다른물질이산화되는것을막는역할을수행 항산화활성 α, β, γ, δ토코페롤등네가지의토코페롤 서로다른생리활성 생체활성이가장큰물질은 α토코페롤 (γ토코페롤에 Tocopherol O- methyltransferase 라는효소가작용하여생성 )
Tocopherol O-methyltransferase An enzyme that catalyzes the chemical reaction S-adenosyl-L-methionine + gamma-tocopherol S-adenosyl-L-homocysteine + alphatocopherol
유전암호 (genetic code) 란핵산의뉴클레오타이드서열과단백질아미노산서열사이의 상관관계이다 유전암호
Chapter 2 물은세포의주요구성성분이며 생명체의근원이된다
물이있는곳에생명이있다 If there is magic on this planet, it is contained in water. -Loren Eisley (inscribed on the wall of the National Aquarium in Baltimore, Maryland) Essential Question 생명체의근원으로작용할수있게하는물의특성은무엇인가? Outline 2.1 물은어떠한특성을가지고있는가? 2.2 ph란무엇인가? 2.3 Buffers란무엇이며, 어떻게작용하는가?
물과극성 전기음성도 : 화학결합에서원자가전자를자기쪽으로끌어당기는경향 ( 음전하를띄게되는것 ) 같은원소의원자들끼리는전자가균등하게배분된상태로존재 C-C 그러나다른원소들끼리의결합에서는전기음성도가꼭같지는않음 O, N>C, H 산소와수소의결합에서결합에관여된전자는산소에더가까이있을확률이높다 O>H 부분적인양전하와음전하발생 (delta δ+, δ- 로표시 ) 극성결합 : 전기음성도의차이에의해부분적인양전하와음전화로화학적결합 음전하와양전하말단을모두가지고있는것 쌍극자 (dipole) 비극성결합 : 전기음성도의차이가없어전자들이두원자사이에거의동일하게배분되어있는결합
물의용매특성 물의용매특성은물의극성에좌우됨 (KCl K + + Cl - 이온성화합물, 다른극성화합물 ) 정전기적인인력에근거 ( 물의양전하말단은다른극성화합물의음전하나음이온을, 물의음전하말단은다른극성화합물 < 쌍극자-쌍극자 > 이나양이온 < 이온-쌍극자 > 을당김 ) 인력때문에물에잘녹는다 친수성 (hydrophillic) 물 ( 쌍극자 ) 와비극성화합물이공존할경우비극성화합물은물에녹지않고서로배척하기때문에비극성화합물이서로모임 물과비극성액체가있으며두층이형성 비극성물질들간의상호작용 ( 소수성상호작용 )
Amphiphilic Molecules, 양쪽친매성분자 분자하나가극성 ( 친수성 ) 및비극성 ( 소수성 ) 부분을모두가지고있음 지방산 극성인머리부분은수용성환경에접해있고비극성인꼬리부분은물과격리되어있음 흔들어주면처음에는섞이지만나중에다시분리 micelle 형성
Hydrogen bond, 수소결합 < 쌍극자-쌍극자 > 상호작용에형성되어지는비공유결합 ( 산소는부분적인음전하, 수소는부분적인양전하 수소에있는부분적인양전하는다른음전하성원자와비공유결합을형성 수소결합 수소는수소결합공여체, 수소와결합하는음전하성원자를수소결합수용체라고함 물분자가액체인경우에수소결합이끊어졌다가새로형성됐다가하는작용이지속 얼음결정은다소안정적인수소결합을가지고있음 수소결합 < 끊어지는데필요한에너지 20kJ mol-1> 은공유결합 < 끊어지는데필요한에너지 460kJ mol -1 > 보다약함 물은동일한분자량을가지는다른물질보다끓는점과녹는점이높다 수소결합이더많다 끓거나녹으려면이수소결합을끊어야하기때문
Comparison of Ice and Water Ice: 물분자당 4개의수소결합이있음, 수소결합이물보다덜밀집상태 ( 수소결합의길이가더길다, 얼면팽창 ) 밀도가물보다더작다 Water: 2.3 H-bonds per water molecule 수소결합이얼음보다밀집상태 ( 수소결합의길이가더좁다 ) 물의밀도가얼음보다더크다 빙산은물에뜬다, 물과강이얼면위에서부터언다
생물학적으로중요한수소결합 수소결합은 DNA, RNA, 단백질의 3차원구조를안정화시킴 상보적인 DNA 염기간, 단백질의아미노산서열간수소결합 DNA 2중나선구조, 단백질나선구조안정화 trna의복잡한 3차구조 단백질내에수소결합 α-나선과 β-병풍구조 folding 가능
산, 염기 ph, What is ph? 산 : 양성자 ( 수소이온의공여체 ) 염기는양성자 ( 수소이온의수용체 ) HA< 산 > H + + A - < 짝염기 > 산의강도 : 주어진일정량의산이물에서해리될때방출되는수소이온의양 산해리상수 (acid dissociation constant) Ka 산에대한해리상수 Ka=[H + ][A - ]/[HA] 물도수소이온과수산이온으로자가해리 H 2 O H + + OH - 물의자가해리상수 Ka=[H + ][OH - ]/[H 2 O] 순수한물에서의수소이온농도측정 [H + ]=10-7 M=[OH - ] 그때의 Ka 값을 Kw Kw= [H + ] [OH - ] =(10-7 )(10-7 )= 10-14 ph : 수소이온과수산이온의가능한농도가넓어서이농도를지수가포함된상태로표시하기보다는음 (-) 의로그값으로표현함 ph = -log 10 [H + ] ph 한단위의차이는수소이온농도의 10배차이 Low ph high H + concentrations // low OH - concentrations
pka 그값은그값이작을수록강산이며 Ka 값은크면강산이다 [ H + ] [CH ex) CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + 3 COO - ] Ka = = 1.74 10-5 M [CH 3 COOH] 생화학에서접하는산은대개가약산 Ka값 ( 산에대한해리상수, H+ 가해리되어나오는농도 ) 이 1보다작다 ( 음수 ) Ka 값을 ph와유사한형태로바꾸면 pka = -log 10 [Ka ] 산에대한해리상수 Ka=[H + ][A - ]/[HA] 에로그값을취하면 log Ka = log [H + [A ] - ] + log -log [H + [A ]= -log Ka - ] + log [HA] [HA] ph = pka + [A - ] log [HA] Henderson-Hasselbalch equation< 핸더슨하셀발히식 > 산의농도 [HA] 와그짝염기 [A-] 의농도가같으면로그값은 0이됨 어떤용액에약산과그짝염기가같은농도로포함되었을경우그용액의 ph값은 pka 값이됨 완충용액
산성시료에염기를가하면그용액의 ph가변화 정확한양의산에정확한양의염기를첨가하는실험 적정 (titration) 산이정확히중화되는지점을당량점 (equivalance point) ph=pka 라고하는것은산과그짝염기의농도가같다는것을의미 (HA의양 =A-의양 )(CH 3 COOH=CH 3 COO-) 곡선이굴절되는지점을 pka 산 1몰당염기 0.5몰이첨가되면굴절점이생김 (CH 3 COOH=CH 3 COO-) 굴절점주변에서는많은염기 (NaOH, OH-) 가첨가되어도 ph 변화가거의없음 계속더해주면모두 CH 3 COO- 로변경 높은 ph
The titration curves of several weak electrolytes: acetic acid, imidazole, and ammonium. Note that the shape of these different curves is identical. Only their position along the ph scale is displaced, in accordance with their respective affinities for H + ions, as reflected in their differing pk a values.
단일양성자산 H+ 이온이한개방출 pka 값을한개갖음아미노산펩타이드이양성자산 H+ 이온이 2 개방출 pka 값을 2 개갖음다양성자산 H+ 이온이 2 개이상방출 pka 값을 2 개이상갖음
The titration curve for phosphoric acid. The chemical formulas show the prevailing ionic species present at various ph values. Phosphoric acid (H 3 PO 4 ) has three titratable hydrogens and therefore three midpoints are seen: at ph 2.15 (pk 1 ), ph 7.20 (pk 2 ), and ph 12.4 (pk 3 ).
ph pka log [A ] [HA] Buffer system은약산인 HA와그짝염기인 A -. 로구성되어진다 Buffer는강산과강염기가첨가되어질때 ph의변화에저항하는 ( 견뎌내는 ) 물질이다
ph versus enzymatic activity. The activity of enzymes is very sensitive to ph. The ph optimum of an enzyme is one of its most important characteristics. Pepsin is a protein-digesting enzyme active in the gastric fluid. Trypsin is also a proteolytic enzyme, but it acts in the more alkaline milieu of the small intestine. Lysozyme digests the cell walls of bacteria; it is found in tears. ph 가좁은범위에서유지되지않으면수많은생물학적반응들은일어나지않을것이다 생화학실험에서 buffer는매우중요
H2PO4 의경우, 적정곡선과완충작용사이의관계적정곡선에서편평한지역은 ph가급격하게바뀌지않는곳으로 pka의아래와위로약 ph1 단위정도의범위에걸쳐있음 이완충용액은 ph 단위로 2정도의범위에서효과적으로작용 성공적인생화학실험을위해서는 ph 범위가엄밀하게유지되어야하고 ph 7.2로실험되어야한다면 H 2 PO 4 HPO - 4 쌍으로구성된완충용액을이용하면됨
실험실에서의완충용액제조 완충용액을만드는데필요한두가지형태의완충물질이알맞은양으로존재하는가? 1. 산형태의물질 HA에그짝염기의형태의물질 (A-) 를미리결정된만큼넣어주면됨 NaH 2 PO 4 의 // Na 2 HPO 4 2. 한가지물질 (HA 나 A-) 를가지고시작하여강산 (HCl) 과강염기 (NaOH) 를첨가하여제조 ph를측정하면서 HA 의 A- 비율이특정 pka 값을나타내는 ph 값이나타낼때가지넣어주면됨 HA 형태를가지고시작하여 NaOH를넣어주면된다 (HA+NaOH <H + +OH - H 2 O> A-+Na-+ H2O) or A- 형태를가지고시작하여 HCl를넣어주면된다 (A - +HCl <A - +H+ HA> HA+A - ) Tris-HCl buffer ( 유리형아민인 Tris 에염산을첨가하여 pka 8.3의 buffer 제조 ) 원하는완충용액의 pka 값에서넣어주는양을최소화하는방법을선택
대부분의생명체내의생리적 ph는 ph7 정도로유지되고있으므로살아있는생명체내에서는인산완충용액시스템이널리이용 특히세포내에서의완충용액으로사용 세포에서의인산용액의농도가높음 만일혈액내에서의인산완충용액의사용은인산이온의농도가완충작용을일으킬만큼충분하지않으므로다른완충액을사용해야함 탄소완충용액 <H 2 CO 3 H + +HCO 3- > H 2 CO 3 의 pka 값은 6.37 이 고사람혈액은 7.4 인데이것은혈액내에녹아있 는 CO 2 가 HCO 3- 로대사되기때문이다
약용식물의 Extract 추출법 제품화를위한각단계에서가장중요한부분은첫단계인 [ 추출 ]!!! 침출및추출 정제및분리 농축및건조 Extract 활용
유효성분의침출 추출 한약재에함유된성분 유효성분 : 알카로이드및염, 배당체, 정유성분, 유기산염, 아미노산, 다당류 보조성분 : 유효성분의작용증강혹은완화 무효성분 : 호화전분, 점액질, 유지, 수지, 단백질, 탄닌등은불순물 조직물 : 섬유소, 광물성석 ( 石 ) 세포 용매의선택조건 : 용해도, 무효성분, 안전, 무독성, 가격저렴, 용이 당귀의추출용매에따른유용성분함량조사 : 에탄올추출의경우 decursin과 decursinol angelate가검출된반면물추출물에서는검출되지않음 decursin 및 decursin angelate 가물에불용성의특성을나타냄
유효성분의침출 추출 1. 물 : 극성, 침출범위, 무효성분, 여과, 색상좋지않고쉽게변질불순물이많으면 에탄올 2. 에탄올 : 중간극성, 일부의수용성-비극성 ( 수지, 정유, 향기 )-지방까지용해, 70% 가최적 3. 아세톤 : 탈지성용매, 동물성약재의탈수및탈지-단백질은녹이지않고지방만녹임, 방부작용 4. 지방유 : 마유 ( 麻油 ), 낙화생유, 면실유, 홍화유, 올리브유등 : 침출범위 5. 글리세린 : 극성-수용성 ( 물, 에탄올과혼합 ), 고농도시방부작용, 추출범위가너무광범위함 6. 기타 플로필렌글리콜 ( 글리세린과유사작용 ), 에테르, 클로르포름등
유효성분의침출 추출 침출보조제 : 침출효능, 용해도, 안정성, 불순물 1. 산 : 염산, 황산, 빙초산, 주석산등활용, 침출성분이유기산인경우첨가 2. 염기 : 암모니아수를주로활용, 실제로원지및감초추출에활용 3. 탄산칼슘 불용성염기성시약으로알카로이드와 saponin을침출대상, 다양한불순물 ( 탄닌, 유기산, 수지, 색소등 ) 을제거할수있음 4. 계면활성제 : 주로양이온계면활성제활용, tween-20 혹은 tween-80 : 비이온성계면활성제로독성이적고유효성분과화합작용이적음, 등이활용 식물성약재의침출원리 : 침윤및침투 용출 확산및치환 : 용매는식물성세포와접촉하여 [ 침윤 ] 시키고, 세포속으로 [ 침투 ] 된후세포밖으로유효성분을뽑아내고 [ 용출 ], 유효성분은농도가낮은세포밖 ( 용매 ) 으로 [ 확산 ]. ( 삼투압의평형시까지 그래도남는다 ) 살아있는식물세포의원형질막은반투막, 죽은세포는투석막 건조후추출시켜라!!!
유효성분의침출 추출 침출에미치는주요인자 약재의분쇄도 : 미세, 용매와용질의접촉면 확산면과확산속도 침출온도 : 온도, 그러나너무높으면무효성분까지용출 침출시간 : 시간, 그러나확산평형이이루어지면불순물 ( 잔사 ), 유효성분 농도차 : 세포내외의농도차는확산의주원동력, 용매가관건 용매의 ph : 산성용매 알카로이드, 염기성 saponin 분쇄도 : 홍삼의초미분쇄화 확산면의증대로인한유효성분함량증대
유효성분의침출 추출 추출방법 냉침법 : 상온, 열에민감한약재 효율이낮음 온침법 : 온도 (35-45 ) 외냉침법과동일 전자법 ( 열수추출법 ) : 넓은추출범위, 그러나변질, 부패될우려가큼 발효추출법 : 넓은추출범위, 균사체와알콜에의한안정성고려 퍼콜레이션 (Percolation) 법 : 반복여과침출법 : 침출 / 추출결과가바로정제상태 ( 커피등 ) 수증기증류법 : 정유성분추출법 마이크로웨이브공정을이용한추출법 : 가정용 (2450MHz) 이용가능, 피사체내부직접가열 세포수준의폭발현상, 극성 + 극성용매, 비등직전까지 4-5분동안 3-5회, 30분이면에탄올추출효율과동일함
유효성분의정제 ( 분리 ) 침출액 [ 정제 ] 불순물제거 순수성분물추출 에탄올침전법가장전형적인엑스추출법 물을용매로전자법 ( 열수추출법 ) 을이용하여한약의유효성분을침출 / 추출 농축 에탄올에침전 불용성불순물을제거 기본원리 : 물과에탄올에동시에용해되는알카로이드, 배당체, 유기산염, 아미노산, 다당류등의유효성분만을획득, 에탄올의농도에따라침전물의종류가달라짐. 에탄올추출물침전법 : 불순물이비교적많은약재에적용, 점액질, 전분, 단백질등불순물의침출을감소 무효성분액-액추출법 : 분배계수 ( 극성과무극성의차이에따른계수 ) 가다른두가지용매를동시에사용예 ) 물추출액에다른용매인벤젠, 에테르, 클로르포름등에혼합
유효성분의정제 ( 분리 ) 고체 ( 불순물 ) 과액체 ( 가용성성분 ) 의혼합물분리침강법 : 고체물의자연침강 상직액획득, 효과가낮고분리가완전하지못함고체의비중이가벼울경우 여과법, 원심분리법이용 막분리 (membrane separation) 공정 추진력이적용될경우특정용매나특정용질이선택적으로이동되는막을이용 발효추출물적용 유효성분의이학적성질의변화가없음, 색소의분해및식품의갈변이없음, 휘발성성분의손실이없음종류 ] 정밀여과법 ( 미세여과법 ) : 일반부유물질과거대분자, 균주제거, // 역삼투압법 : 소금성분분리, // 한외여과법 : 역삼투압법과유사 ( 압력차 ), // Nanofiltration : 분자량수백 ~ 수천달톤의용매처리, // 전기투석법 : 이온분리 ( 전위차 )
유효성분의정제 ( 분리 ) 원심분리법 : 다른비중의상호간현탁되지않는용액혼합물분리보통여과법 : 한약열수추출의분리에일반적사용고체-액체현탄액의다공매질의통한분리 ; 여과재료 - 부직포, 거즈, 면, 비단, 나이론, 석면판등
유효성분의농축및건조 증발을이용한농축 증발촉진요인 : 온도차존재하고, 증발면이넓어야, 교반해야, 통풍시설이있어야함 추가적요인 : 감압증발, 비등증발 ( 에탄올의경우유효성분의휘발에관한연구가필요 ) 건조방법 접촉건조 ( 열원에직접접촉 ), 기류건조, 터널식오븐건조, 감압건조, 진공건조, 비등건조, 분무건조, 동결건조, 원적외선건조, 마이크로웨이브건조건조에의한농축일반적건조매질 : 공기 평형수분시에는건조시간을무한히연장하여도재료의습도를변화시키지못함 낮은상대습도유지 : 선풍기및환풍시설작동 // 적절한건조시간을조절 증발면의코팅형성이없어야함 - 교반 33
마늘 마늘 마늘은간에서일부약물이분해되는양을변화 혈액중약물의 농도가달라지게됨 마늘은혈액이응고되는것을막는작용 혈액응고를막는약물의 작용을더욱상승시켜출혈의위험을높일수있음 성분작용 알리신 (allicin) - 살균효과 - 혈전작용 ( 피가엉기지않는효과 ) - 인체의신경에작용, 신경세포의흥분을진정시키는작용 - 신진대사촉진 - 노화방지 ( 지방생성억제 ) 알린 - 노화억제 ( 항산화작용 ) 크레아틴 - 성장발육효과 (allin) - 비타민 B1 파괴억제 (creathine) - 근육강화효과 스코르디닌 - 강장효과 알리티아민 - 활력증진 (scordinin) - 근육강화효과 (allithiamin) - 피로회복기능 = 활성비타민 B1
마늘성분의생체적작용 알리신항균작용항바이러스작용피로회복아토피성피부염에효과정장작용높은침투성 알리신- 알린이효소알리나제의작용에의해분해되면생기는휘발성의유취물질로, 유황을함유한단백질이다. 결국마늘냄새의근원인성분, 대단히강한항균작용이있다. 알리신의항균력알리신을 12만배로희석한액에서도콜레라균, 지프스균, 적리균에대항하는항균력을가짐, 알리신 1mg에는페니실린 15단위분의항균력이있음. 마늘의속효성마늘의효능은세포에바로침투될정도로직접적이다. 우리나라의인삼도마늘과비교한결과, 인삼이인체에약효를확실히나타내는데 2~3개월, 마늘은 15일정도에그효능을나태내었음.
마늘성분의생체적작용 알리치아민 피로회복스테미나증강정력증강 ( 섹스를강하게하는 아세틸콜린 분비촉진 ) 불면증개선각기병완화효과변비에효과 비타민B1은뇌의중추신경이나수족의말초신경을정상으로움직이게하는작용과조급함을억제하여신경을안정시키고스트레스를해소하는힘이있다. 그러나비타민B1은인체에서는극히소량만이사용되고그것을초과하는분량은오줌으로함께배설되어버린다. 마늘의알리신과비타민B1이결합한알리치아민은비타민B1의한계를넘어많은양을흡수저장하는능력이있으며바로이용되지않은전량은전신의세포에저장, 이용되는것이다.
알린 Allinase ( 효소작용 ) 알리신 + 비타민 B1 알리치아민 생체내대사 파쇄 아로나민골드 활성비타민 육체피로와신경통, 근육 마늘주사 1정중 Fursultiamine ( 활성비타민 B1) 50mg Riboflavin tetrabutyrate ( 활성비타민B2) 2.5mg Pyridoxal phosphate ( 활성비타민 B6) 2.5mg Hydroxocobalamin aceatate ( 활성비타민B12) 5.22μg Ascorbic acid ( 비타민C) 72.2mg 50% dl-a-tocopheryl acetate ( 비타민 E) 40mg