제 2 장

생명의 화학적 이해

토마스 아이즈너

토마스 아이즈너와 자연계의 화학적 언어

생태화학의 개척자 : 화학신호로서 설명

꽃가루받이를 위해 매개자를 끌어들이기 위한 꽃의 향기

나뭇잎을 먹으면서 부화하는 나비가 알을 낳지 못하게 하기 위해 식물이 만들어 내는 화학물질

짝을 유인하는데 화학물질을 이용하는 것

여자가 남자를 오래도록 곁에 남아 있도록 하는 것

화학물질은 신호전달보다는 생명체에서 훨씬 더 많은 기능을 한다 . 이는 우리의 몸이나 다른 생물의 신체를 구성하는 재료일뿐만아니라 물리적 환경을 구성하는 재료이기도 하다 .

서론 그림

거미에게 잡힌 불나비과 일종의 나방

2.1 생물의 기능은 화학원소에 서 시작된다

액틴 : 단백질 분자로서 원자들이 배 열되어 이루어져 있음근원섬유 : 소기관으로서 액틴과 미 오신 단백질로 구성세포와 조직기관

가장 기초적인 화학원소의 배열에서 부터 점점 더 높은 단계로 생물체가 구성되면 생물의 낮은 단계에서 나타나지 않았던 새로운 고유 특성이 나타나게 된다 .

2.2 생명체는 약 25 종의 화학원소가 필요하다

생명체는 공간을 차지하면서 질량을 갖는 물질 (matter) 로 이루어져 있으며 이러한 물질은 화학원소 (chemical element)로 구성되어 있다 .

원소는 통상적인 화학적 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 단위이다 .

현재까지 자연계에는 92 가지의 원소가 밝혀져 있다 .

92 종의 원소 중 약 25 종은 생명체에 필수적이다 .

요오드의 경우 사람에게 1일 평균 0.15mg 이 필요하지만 , 부족하면 갑상샘 ( 선 ) 의 기능이 방해를 받아 갑상샘종이 되어 갑상샘이 비정상적으로 커진다 .

그림 2.2 갑상샘종을 앓고 있는 여인

2.32.3 원소가 모여 화합물을 만든다원소가 모여 화합물을 만든다

2.42.4 원자는 양성자원자는 양성자 , , 중성자중성자 , , 전자로 이루어져 있다전자로 이루어져 있다

그림 그림 2.A2.A 헬륨원자 헬륨원자 그림 그림 2.B2.B 탄소원자 탄소원자

원자는 ‘나눌 수 없는 (indivisible)’ 이란 뜻을 가지 그리스어에서 유래된 것으로 특정한 원소의 특성을 갖는 물질의 가장 작은 단위이며 , 각 원소는 한 종류의 원자 (atom) 로 구성되어 있다 .

아원자 입자 양성자 (proton), 전자 (electron), 중성자 (neutron) 원소의 차이 원자의 고유 양성자 수가 원소의 원자번호 (automic number) 이다 질량수 (mass number): 그 원자의 핵에 있는 양성자 수와 중성자 수의 합 동위원소 한 원소의 양성자 수는 동일하지만 중성자 수가 다른 것

그림 2.5A 양전자단층촬영 스캐너 그림 2.5B 인후암 증상 부위의 양전자 단

층을 촬영한 영상방사성 동위원소는 핵이 붕괴되면서 입자와 에너지를 방출하기 때문에 생명체에 심각한 위험을 줄 수도 있지만 , 생물학 연구나 의학에 매우 유용하게 사용되고 있다 .

위험성 많은 양에 노출되면 세포 내의 분자 , 특히 DNA 가 손상받게 된다 .

2.6 전자 배열에 따라 원자의 화학적 특성이 결정된다

원자와 원자가 만날 때 어떻게 행동할지는 그들을 구성하는 전자에 의해 주로 결정된다 . 전자의 에너지는 전자각의 위치에 따라 크기가 다르며 핵에서부터 멀리 떨어져 있을수록 그 에너지는 크다 . 최내각은 두 개 , 최외각은 전자를 8 개까지 포함할 수 있으며 , 최외각에 존재하는 전자 수에 따라 한 원자의 화학적 조성이 결정된다 .

그림 2.6 생명에 중요한 네 가지 원소

2.7 이온결합은 다른 전하 사이의 당기는 힘으로 이루어진다

이온 : 하나 이상의 전자를 얻거나 잃어버림으로 인해 전하를 띠게 되는 원자와 분자를 말한다 .

염 (salt) : 염은 자연 상태에서 결정으로 있는 이온결합화합물이다 .

그림 2.7A 이온결합으로 형성된 염화나트륨

그림 2. 7B 염화나트륨 결정체

2.8 공유결합은 전자를 공유하면서 원자가 연결되어 분자를 만든다

공유결합 (covalent bond)

최외각에 존재하는 하나 또는 그 이상의 전자쌍을 두 원자가 나누어 가지는 결합

그림 2.9 물분자

2.9 물은 극성 분자이다

한 개의 산소원자가 두 개의 수소 원자와 공유결합을 하고 있다 . 공유결합을 하고 있는 분자의 원자들은 공유결합을 하고 있는 원자를 놓고 끊임없는 줄다리기를 하고 있다 .

결합에 의해 공유된 전자를 끌어 당기는 힘을 전기음성도라 한다 . O는 H보다 공유된 전자를 훨씬 강하게 끌어당기므로 공유된

전자들이 H보다는 O원자에 더 가깝게 존재한다 . 이와 같이 물 분자 내의 산소와 수소원자 사이에 형성된 불균등한 전자의 공유를 극성공유결합이라 한다 .

그림 2.10A 물분자 그림 2.10B 물의 고체 (얼음 ), 액체 ( 물 ), 기체형성된 수소결합 ( 수증기 ) 상태

2.10 개요 : 물분자의 극성은 수소결합을 가능하게 하며 물에 독특

한 특성을 부여한다

2.11 수소결합으로 물이 응집력을 갖는다

응집력 (cohesion) : 분자 사이에 서로 얽매이게 되는 경향을 으집력이라 하며 물은 대부분의 다른 액체보다 응집력이 강하다 .나무의 경우 뿌리에서 잎으로 물이 운반되는 것은 응집력에 의해 가능하다 .

표면장력 (surface tension) : 수소결합 때문에 물은 마치 투명 필름에 덮여 있는 것처럼 보이는 매우 큰 표면장력을 갖고 있다 .

그림 2.11 표면장력을 이용해 물 위를 걷고 있는 소금쟁이

2.12 물의 수소결합으로 온도의 변화가 완화된다

물이 금속보다 훨씬 천천히 뜨거워진다 . 이러한 특성으로 물이 지구의 온도 변화를 완화시켜 준다 .열 (heat) : 물질을 이루고 있는 원자와 분자의 운동에 의해 생긴 에너지의 양온도 (temperature) : 열의 세기 , 즉 물질이 가지고 있는 열에너지에 의한 분자운동의 평균속도물에 열을 가하면 수소결합이 끊어지고 수소결합이 끊어질 때 열을 흡수하여 물은 많은 양의 열을 함유하고 있게 되지만 조금밖에 데워지지 않는다 .반대로 물이 식으면 더 많은 수소결합이 형성된다 . 수소결합이 형성될 때 열에너지가 방출되고 서서히 냉각된다 .더운 계절에는 태양으로부터 오는 많은 열이 물에 저장될 수 있으며 , 서늘한 계절이 되면 점차 식어가면서 물에서 방출된 열이 공기를 덥히게 된다 . 수소결합은 물의 증발을 억제하여 준다 ( 끊는 점이 매우 높다 )

그림 2.12 수분증발로 시원함을 느낀다

2.13 물이 얼면 액체일 때보다 밀도가 낮아진다

물의 수소결합은 액체 상태일 때보다 얼었을 때 매우 안정하다 .동일한 부피의 물보다 동일한 부피의 얼음에는 물분자 수가 더 적기 때문에 얼음은 액체인 물보다 밀도가 낮다 . 그래서 얼음 조각은 연못이나 호수의 바닥으로 가라앉지 않고 뜨는 것이다 .만약 얼음이 가라앉는다면 ?

그림 2.13 고체와 액체 상태의 물분자 배열의 차이

2.14 물은 다양한 용질을 녹일 수 있는 용매이다

용액 (solution) : 두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물로 구성된 액체용매 (solvent) : 녹이는 물질 , 용질 (solute) : 녹는 물질수용액 (aqueous solution) : 물이 용매일 때

그림 2.14 물에 녹아 있는 소금 결정체

2.15 생명현상에 관계된 화학반응은 산과 염기에 민감하다

그림 2.15 pH 척도

산 (acid) : 용액 내에 H+ 를 제공하는 화합물

염기 (base) : H+ 과 결합하는 화합물 , 이는 용액에서 H+ 농도를 낮춘다

그림 2. 16A

2.16 산성비에 의해 환경이 위협 받고 있다

그림 2.16A 산성비로 황폐되어가고 있는 공원

그림 2.16B 독일에 있는 60 년 사이에 손상을 입은 조각상 왼쪽 : 1908 년 , 오른쪽 : 1968 년

2.17 화학반응에 의해 물질의 구조가 바뀐다

반응물 (reactant) 생성물 (product)

화학반응 (chemical reaction)

그림 2.17A 화학반응으로 결합이 깨지거나 만들어 진다

그림 2.17B 화학반응으로 베타카로틴에서 비타민 A 로 전환된다