제 2 장. 작은 분자

원소, 원자, 분자  원소 (element): 화학적인 방법으로는 더 이상 간단한 물질로 나눌 수 없는 물질을 말함.  현재 지구상에는 92 가지의 자연 원소가 존재  SPONCH: 황 (sulfur), 인 (phosphorus), 산소 (oxygen), 질소 (nitrogen), 탄소 (carbon), 수 소 (hydrogen) 의 6 가지 원소가 생물체의 99% 를 이룸 멘델레예프와 주기율표 원자번호 = 양성자 수 주기 (Period) 족 (family) 불활성원소

 원자 (Atom): 원소의 성질을 가지는 가장 작은 단위.  한 종류의 원자가 모여 원소를 이룸.  각 원소의 성질은 이를 이루는 원자의 고유한 구조에 따라 결정되기 때문에 원 자의 구조가 바뀌면 원소의 성질이 바뀜.  분자 (Molecule): 두 개 이상의 원자가 결합하여 이루어진 단위. 예 ) 산소 분자, 수소 분자  화합물 (compound): 두 개 이상의 다른 원소가 독특한 비율로 결합하여 이루어 진 순수한 분자상태의 물질. 예 ) 물

 원자는 약 100 가지 정도의 원자를 구성하는 입자들로 이루어짐  세가지 주요 입자는 중성자 (neutron), 양성자 (proton), 전자 (electron)  중성자와 양성자는 밀접하게 붙어서 원자핵을 이룸  중성자와 양성자의 수를 합한 것을 원자질량 또는 원자량 ; 달톤 (dalton) 으로 나타냄  원자번호 ; 숫자는 그 원자의 양성자의 수와 동일  수소 원자 모형들. 원자 구조 오비탈 모형 공모형전자 구름 모형

중성자, 동위원소  같은 원소라 할지라도 중성자의 수가 다르면 원자량이 다름.  동위원소 (isotope): 중성자의 수가 다른 원소  반감기 (half-life): 주어진 방사성 동위원소의 절반이 붕괴되 는데 걸리는 시간.  우라늄 -238 의 반감기는 약 10 억 년인데 붕괴된 후 납 -206 으 로 변환됨.  반감기가 긴 것은 흔히 화석의 연대를 알아 내는데 쓰이며 지구의 생성 연대를 추정하는데 이용.

 전자와 에너지 준위 : 핵에서 멀리 떨어진 전자일수록 에너지가 많다.  각 전자들이 존재할 수 있는 공간을 오비탈 (orbital) 이라고 한다.  각 오비탈에는 2 개의 전자가 들어갈 수 있다.  각 원자들은 안정한 전자배열을 위해 서로 협력한다 ( 화학결합 ). 전자와 원소의 화학적 성질 원자의 전자 배열에 따라 원자간 상호작용에 의해 분자가 형성된다. 전자배열은 물질의 성질에 많은 영향을 미친다.

 가장 바깥쪽 오비탈의 전자 상태를 알기 쉽도록 표현하면 화학결합을 예측하 기가 용이해진다. Ex) 수소 원자 (H) 는 분자 (H 2 ) 일 때 더 안정할 것. 전자 껍질 모형

에너지 경향  전자는 에너지 경향에 따라 일정한 성질을 나타냄.  모든 물질은 항상 더 낮은 에너지 상태로 변하려 한다.  첫째, 전자가 쌍으로 존재한다  전자는 쌍을 이룰 때 가장 낮은 에너지 상태를 유지 함.  둘째, 모든 원소는 외각을 채우려고 한다  셋째, 모든 원자는 단일 원자처럼 전기적 으로 중성을 유지하려 한다.

화학반응 - 외부 전자에너지껍질의 채움  이온 (ion) ~ 전기적으로 중성이었던 원자가 전자를 얻거나 잃어서 순전하를 가질 때 이온이 라고 한다. 반대 전하의 이온은 서로 당긴다.  이온 결합 (ionic bond) ~ 서로 반대 전하의 이온들이 당기는 힘으로 안정화되는 화학 결합.

 공유결합 (covalent bond) ~ 원자들이 하나 이상의 전자를 공유함으로써 아주 안정한 결 합상태가 이루어질 때. 공유된 전자쌍의 수에 따라 단일 결합, 이중결합, 삼중결합이 형성 되며 공유하는 전자쌍이 증가할 수록 결합력 도 강해진다.  극성 (polar) 공유결합 ~ 서로 다른 원자들 사 이의 공유결합으로 약간이 전자 치우침이 발 생하는 경우. 분자 일부에서 부분 전하가 발 생한다.  비극성 (nonpolar) 공유결합 ~ 동일한 원자 들 사이에서 전자쌍이 공유되므로 전자에 미 치는 힘이 동일하여 대칭적 구조가 만들어진 다. 분자 전체에서 전기적으로 중성이다.

 수소결합 (hydrogen bond) ~ 극성 공유결합되어 있는 분자들 사이에서 발생한 부분전하 때문에 분자들 간에 음전하와 양전하가 서로 끌어당김.

탄소와 공유결합 유기분자 (organic molecule): 탄소를 포함하여 수소 또는 한두 개의 다른 원소가 결합된 분자 메탄 (methane): 탄소가 4 개의 수소와 공유결합을 이 룰 때 메탄이라는 분자가 형성됨 메탄은 늪지 가스의 주요 성분으로 산소가 결핍된 늪 지의 지하에서 유기물을 분해하는 몇 가지 종류의 원 시 세균에 의하여 2 차 산물로서 생산됨 이중결합, 삼중결합 탄소골격 ; 긴 사슬을 이룬 탄소 원자 탄화수소 ; 메탄, 프로판, 부탄 포화지방을 다량 포함하는 음식물은 좋지 않다.

질소 단백질의 구성성분일 뿐만 아니라 핵산 (DNA, RNA), 탄수화물, 지질 및 그 외의 생물 학적으로 중요한 물질들의 필수 성분 분자상의 질소를 직접 이용할 수 없으며 가용성 암모늄 이온이나 질산이온과 같은 형 태로만 이용할 수 있음 완두, 강낭콩, 땅콩 등은 뿌리 세포 속에 공생 관계가 있는 질소 고정 박테리아를 가지 고 있어 자신들에게 필요한 질소를 공급받음

인 인산 형태로 존재 인산은 세포막의 대부분을 이루는 인지질로 존재하기도 하며 뼈와 치아를 구성하는 인 산칼슘의 성분을 이룸 모든 생물은 에너지의 저장 방법이나 또는 에너지를 필요로 하는 곳에 이를 운반하는 방법으로 특이한 인산 - 인산 결합을 이용. 아데노신 3 인산, 아데노신 2 인산

황 황은 수소 원자와의 공유결합을 통해 –SH 기로서 아미노산의 구성요소가 됨 두 개의 –SH 는 수소를 잃고 공유결합을 하여 가역성인 디설피드결합 (disulfide linkage) 또는 다리 (bridge) 를 형성

물분자와 수소결합 물 분자는 극성을 띤다 : 물 분자들 사이에 수소결합 형성 수화껍질 (hydration shell); 용액 중에서 이온에 느슨하게 결합된 물분자가 이루는 층, 물은 뛰어난 용매 (Solvent) 이다 다른 극성 분자를 끌어당긴다  친수성 (Hydrophilic) 다른 비극성 분자는 배척한다  소수성 (Hydrophobic)

물분자와 수소결합 물 분자들 사이의 수소결합은 온도를 안 정화시키는 효과가 있다 : 증발 (evaporation, 모든 분자들이 흩어져 기 체 - 수증기 - 가 됨 ) 되기 까지 많은 에너지 를 필요로 함.  급격한 온도 변화가 발 생하지 않음. 물은 응집력 (cohesion) 을 나타낸다 : 물 분자들끼리의 수소결합은 높은 표면장력 을 나타낸다. 물의 특징은 독특한 생명현상을 가능하 게 한다.

 액체 상의 물은 수소이온 (H + ) 과 수산이온 (OH - ) 으로 분리되며 이들 이온들의 농도가 pH 의 척도가 된다.  pH 는 용액 속의 [H + ] 를 – log 값으로 표현한 것이다. 산과 염기 이온들은 세포의 구조와 기능에 광범위한 영향을 미치며 그 중 가 장 중요한 것이 수소이온이다. 산 (acid)~ 수소이온을 방출하는 물질 염기 (base)~ 수소이온을 수용.

염과 물 염 (Salt) ~ 물에 쉽게 용해되어 이온을 방출하는 물질. 보 통 산과 염기가 반응할 때 생성된다. HCl + NaOH ↔ NaCl( 염 ) + H 2 O( 물 ) Na + Cl - pH 변화와 완충작용 ~ 용액에 필요 이상의 H + 이온이나 OH- 이온의 존재는 생물분자의 기능을 변화시킬 수 있다. 따라서 세포는 사소한 pH 변화에도 민감하며, 이러한 변 화를 억제할 수 있는 완충 시스템 (buffer system) 을 갖는 다. (pH 상승 ) OH - + H 2 CO 3  HCO 3 - ( 중탄산염 )+ H 2 O( 물 ) (pH 감소 ) H + + HCO 3 -  H 2 CO 3 ( 탄산 )