일반생물학 (2) - 생명체의 화학적 구성

 생명체: 물질(matter)로 이루어져 있음. 무게와 질량은 동일 개념이 아니지만 중력때문에 지구상에선 두개가 사실상 같으므로 혼용한다.

 원소와 화합물

원소 (element) : 더 이상 분해되지 않는 물질.
화합물 (compound) : 두 개 이상의 다른 원소들이 특정비율로 결합되어 있는 물질.

ex) Na와 Cl은 원소지만 두개가 결합된 NaCl 화합물이라 할 수 있다.
 
 이는 1장에서 언급한 '창발적 특징'^[각주:1]의 좋은 예이다. 독성인 염소와 금속인 소듐이 합쳐지면 소금이 된다. 우리는 사실 금속과 독을 먹고 있는 것이다!

 생명체에 필수적인 원소들
 

92개 원소중 약 25가지가 필수원소. 탄소,산소,수소,질소. COHN이 생명체의 약 96%.

 미량원소 (trace elements) : 0.01%미만을 차지하는 아주 미미한 원소들이지만 생명 유지에 필수적이다. 

ex) 질소 결핍시 옥수수농사 망침, 요오드 결핍시 갑상선종에 시달림. 요오드는 해산물에 많이 들어있기 때문에 해산물을 구하기 힘든 내륙지방에 흔히 나타난다.

아원자 입자

각 원소는 원자(atom)로 이루어져 있다.크기가 매우 작고, 그렇기 때문에 그냥 원자,원소 기호는 구분하지 않는다. 가령 기호 C는 탄소 원소이자 탄소 원자를 의미한다.

원자보다 더 작은 단위는 아원자 입자(subatomic particle)이라고 하는데 중성자(neutrons),  양성자(protons), 전자(electrons)가 가장 중요하다. 양성자와 전자는 전하를 띄고 있다.

양성자는 양의 전하, 전자는 음의 전하를 띄고 중성자는 중성이다. 양성자와 중성자가 뭉치면 원자핵(atomic nucleus)을 형성한다. 원자핵 가운데에 양성자가 있고 그 주위를 전자가 구름처럼 감싼다.

 무게 단위로는 달톤(dalton)을 쓰고 중성자,양성자는 약 1달톤이다. 전자는 너무 가벼워서 그냥 무시한다.

 원자번호와 원자량

  원자번호 : 양성자의 갯수이자 전자의 갯수 ( 전기적 중성을 유지해야되므로.)
  질량수: 양성자수 + 중성자수 

 따라서 질량수 - 원자번호를 하면 중성자의 숫자를 구할 수 있다.
질량수는 전체질량인 원자량에 근사값을 가진다. 

동위원소 : 양성자의 갯수는 같은데 중성자의 갯수는 다른 원소들. 화학반응에 있어서는 동일하게 반응. 불안정해서 방사능을 내는 동위원소를 방사성 동위원소라고 한다. 
 방사성 동위원소는 붕괴하면서 입자와 에너지를 방출하는데 주로 과거에 살았던 생물들의 연대측정에 쓰인다.

 전자의 에너지 준위

에너지는 사라지지 않고 변할 뿐이다. 위치에너지는 운동에너지 등으로 전환된다.
전자가 핵으로부터 멀리 떨어져 있을수록 전자가 가지고 있는 위치에너지가 더 크다. (그냥 높이 생각하면 편함)

전자에는 에너지 준위가 존재하는데 제1껍질~제3껍질정도까지 존재한다. 3껍질을 3층 2껍질을 2층 이런식으로 이해하면 편하다. 3층에서 떨어지는게 당연히 에너지가 크다.  (실제로는 핵으로부터의 평균거리가 크기 때문에 에너지 방출량이 많은 것)

 전자배치와 화학적 특징

 원자의 화학적 특성은 원자의 전자껍질에 전자가 어떻게 배치되어 있느냐에 달렸다. 또한 가장 바깥쪽의 전자껍질에 존재하는 전자 숫자에 의해 결정되는데 제일 밖에 있는걸 원자가전자라고 부르고 그 껍질을 원자가껍질이라고 부른다. 헬륨과 ㄴ온, 아르곤은 원자가 껍질을 가득 채우고 있어서 비활성 상태라고 한다. 

 전자 오비탈

 오비탈 (orbital) :  전자가 90% 정도의 시간 동안 존재하는 3차원적 공간을 의미하는데, 그 냥 주로 위치해있는 공간이라고 보면 된다. 학생의 오비탈은 학교라고 할 수 있고, 대한민국 국민의 오비탈은 대한민국. 뭐 이런식으로 이해하면 편하다.

 에너지 준위가 높아질수록(껍질이 올라갈수록) 오비탈은 복잡해지고 많아진다.

첫 번째 껍질 : 1s
두 번째 껍질: 2s + 3개의 2p

껍질이 더 올라갈수록 기하학적으로 더 복잡한 구조를 가진다. 원자의 반응성은 오비탈의 홑전자에 기인한다. 

 화학결합법

 공유결합: 하나의 전자가 두 원자에 의해 공유되고 있는 도중 원자가 서로 다가오다가 양성자와 전자가 끌리게 된다. 그리고 이들이 합쳐지게 된다. 
 분자는 두 개 이상의 원자들이 공유결합을 통해 만들어진 것을 말한다.

 그냥 하나씩만 공유결합하면 단일결합이라 칭하고 산소처럼 두 쌍 이상이 관여하면 이중결합이라고 부른다.

 활성상태에 있는 원자들은 전자껍질에 빈 공간을 가지고 있고 이 공간들이 채워지는게 결합이다. 결합되는 물질이 하나만 달려져도 완전히 다른 결과물이 나온다.

 전기음성도 (electronegativity) : 원자가 전자를 끌어당기는 힘. 음성도가 높을수록 전자를 강하게 끌어당긴다. 원자마다 음성도가 다르기 때문에 결과적으로 극성 공유결합이나 비극성 공유결합이 생긴다. 극성 공유 결합은 어느 한쪽 음성도가 더 커서 한쪽으로 조금 쏠린 경우고 비극성은 말그대로 평행인 경우다.

ex) Na + Cl  = (Na+)(Cl-) 

 이온결합

 이온(cation) : 전하를 띄고 있는 원자나 분자. 양전하면 양이온, 음전하면 음이온. 
 
 양이온과 음이온은 서로 끌어당기는 성질이 있는데 이걸 이온결합이라고 한다. 전자가 이동하는거 자체가 결합이 아니라, 전자 이동이 두 개의 이온을 만들기 때문에 이거 때문에 결합이 혈성될 수 있는 것이다. 그러니까 전자이동은 원자 결합을 위한 멍석이지, 결합 그 자체가 아니란 말씀.

이온결합으로 생성된걸 이온화합물 혹은 염(salt)라고 한다. NaCl이 바로 소금이다. 염은 다양한 모양을 가질 수 있다. 

 약한 화학결합

 수소결합

 전기음성도가 높은 원자와 공유결합을 하고 있는 수소원자가 또 다른 원자에 끌리는걸 수소결합이라 한다. 불륜이나 바람피는거 생각하면 됨. 

 반데르발스 인력: 도마뱀이 벽을 올라갈 수 있는 원리인데, 도마뱀 발바닥과 벽 사이에 가벼운 결합이 발생해서 벽을 기어 올라가는것이다.

 분자를 이루게 되면 기존 원자들의 오비탈이 섞여서 혼성오비탈이 생긴다. 주로 눈물방울 모양을 하고 있고 기하학적 사면체 구조이다. 

 서로 상보적인 관계의 분자들만 약한 결합을 할 수 있는데 수용체와 자극을 생각하면 된다. 그러니까 콜라 패트병은 콜라 패트병 뚜껑과 상보적인 관계이다. 하지만 우리는 생수나 환타 뚜껑을 콜라 패트병에도 사용할 수 있다는걸 안다. 하지만 패트병은 아마도 그 사실을 모를것이다. 이게 바로 모르핀같은 마약의 원리이다. 수용체가 눈치 못채게 똑같은 구조를 가지고 결합을 만들어낸다. 하지만 그 생성물은 현저히 다르다.

 이런 결합들은 물질을 재배열하는 과정인데, 식물의 광합성과정이 좋은 예이다. 양쪽 방향의 반응속도가 동일하면 이를 화학평형이라 한다.


 

 

1. 개별 물질들이 서로 모이면 새로운 기능을 한다. [본문으로]