제2장. 생명의 화학적 기초 원자와 원소 전자: 화학적 성격의 기초 원자들의 결합 물과 생명현상 수소이온 법칙

생명의 화학적 기초 – 인간의 화학적 가치는? 그림 2.1 사람을 이루는 화학원소들과 지각이나 해양에서의 구성성분 차이

1. 원자(atom) 원자: 원소의 성질을 가지는 가장 작은 단위, 지구 상에는 약 92종류의 원소들이 자연적으로 존재한다. 전자 구름 모형 공모형 오비탈 모형 수소 원자 모형들. 양성자(proton) ~ 양전하를 띰. (p+) 중성자(neutron) ~ 전하 없음. 전자(electron) ~ 음전하를 띰(e-) 핵질량 수(mass number)

멘델레예프와 주기율표 원자번호=양성자 수 불활성원소 족(family) 원자번호=양성자 수 주기 (Period) 불활성원소 원소주기율표. 작은 번호의 원자들로부터 큰 것으로 나열하면 비슷한 성질의 원소가 나타난다.

2. 방사성 동위원소와 이용 동위원소(isotope) ~ 양성자 수가 같고(같은 원자) 중성자 수만 다른 원소들. 어떤 동위원소는 매우 불안정하여 입자와 에너지를 방출하며 핵붕괴를 일으킨다(방사성 붕괴)( 방사성 추적자(tracer)로 사용됨) PET 촬영(양전자 단층 촬영법) ~ 신체의 방사성 동위원소가 방출하는 에너지를 추적하여 이미지화 한 것. 물질대사 활동의 변이와 이상을 검출하는 데 사용한다.

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

전자 껍질 모형 가장 바깥쪽 오비탈의 전자 상태를 알기 쉽도록 표현하면 화학결합을 예측하기가 용이해진다. Ex) 수소 원자(H)는 분자(H2)일 때 더 안정할 것.

화학반응식은 반응 원자 혹은 반응 분자들 사이의 상호작용을 나타낸 식이다 화학반응식은 반응 원자 혹은 반응 분자들 사이의 상호작용을 나타낸 식이다. 반응물은 왼쪽에, 생성물은 오른쪽에 쓰며 모든 물질은 보존된다. 화학반응식 분자(molecule) ~ 둘 이상의 원자가 화학결합된 물질 화합물(Compound) ~ 서로 다른 두 원소가 변하지 않는 비율로 결합된 분자 혼합물(mixture) ~ 둘 이상의 분자들이 화학결합 없이 서로 섞여 있는 상태

4. 생물분자의 결합 이온(ion) ~ 전기적으로 중성이었던 원자가 전자를 얻거나 잃어서 순전하를 가질 때 이온이라고 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 결합상태가 이루어질 때. 공유된 전자쌍의 수에 따라 단일 결합, 이중결합, 삼중결합이 형성되며 공유하는 전자쌍이 증가할 수록 결합력도 강해진다. 극성(polar) 공유결합 ~ 서로 다른 원자들 사이의 공유결합으로 약간이 전자 치우침이 발생하는 경우. 분자 일부에서 부분 전하가 발생한다. 비극성(nonpolar) 공유결합 ~ 동일한 원자들 사이에서 전자쌍이 공유되므로 전자에 미치는 힘이 동일하여 대칭적 구조가 만들어진다. 분자 전체에서 전기적으로 중성이다. 수소결합(hydrogen bond) ~ 극성 공유결합되어 있는 분자들 사이에서 발생한 부분전하 때문에 분자들 간에 음전하와 양전하가 서로 끌어당김.

이온결합 나트륨 원자는 가장 바깥 쪽에 하나의 전자를 가지며 염소원자는 7개의 전자를 가진다. 나트륨 원자는 전자를 하나 잃어 양이온일 때 안정하고, 염소 원자는 전자를 하나 더 얻어 음이온이 될 때 안정하다. 두 이온들은 전기적으로 반대 전하를 띠므로 서로 당긴다.

공유결합과 수소결합 두 원자가 혼성오비탈에 전자를 공유하면 안정하고 강한 결합이 형성된다(공유결합). 서로 다른 원자의 공유결합은 분자의 부분전하를 발생시켜 약한 인력을 발생시킨다(수소결합)

5. 물의 성질 물 분자는 극성을 띤다 : 물 분자들 사이에 수소결합 형성 물 분자는 극성을 띤다 : 물 분자들 사이에 수소결합 형성 다른 극성 분자를 끌어당긴다  친수성(Hydrophilic) 다른 비극성 분자는 배척한다  소수성(Hydrophobic) 물 분자들 사이의 수소결합은 온도를 안정화시키는 효과가 있다: 증발(evaporation, 모든 분자들이 흩어져 기체-수증기-가 됨)되기 까지 많은 에너지를 필요로 함.  급격한 온도 변화가 발생하지 않음. 물은 뛰어난 용매(Solvent)이다 : 용질(solute)을 수화시켜 잘 섞이도록 한다. 물은 응집력(cohesion)을 나타낸다 : 물 분자들끼리의 수소결합은 높은 표면장력을 나타낸다. 물의 특징은 독특한 생명현상을 가능하게 한다.

물 분자의 극성과 수소결합 : 얼음은 왜 물에 뜰까? 분자들의 밀도가 더 높다 물 분자의 극성과 수소결합 : 얼음은 왜 물에 뜰까?

용매로서의 물 물 분자가 극성을 띠므로 극성 용질 주위에 모여들어 분자를 쉽게 녹인다. 이 상태를 수화되었다(hydrated)고 한다.

물의 응집력 물 분자 사이의 인력은 물방울이 되도록 한다. 이러한 당김 현상은 나무의 증산작용시 물이 위로 올라가도록 한다.

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

염과 물 염(Salt) ~ 물에 쉽게 용해되어 이온을 방출하는 물질. 보통 산과 염기가 반응할 때 생성된다. HCl + NaOH ↔ NaCl(염) + H2O(물) Na+ Cl- pH변화와 완충작용 ~ 용액에 필요 이상의 H+ 이온이나 OH-이온의 존재는 생물분자의 기능을 변화시킬 수 있다. 따라서 세포는 사소한 pH변화에도 민감하며, 이러한 변화를 억제할 수 있는 완충 시스템(buffer system)을 갖는다. (pH 상승) OH- + H2CO3  HCO3- (중탄산염)+ H2O(물) (pH 감소) H+ + HCO3-  H2CO3(탄산)

산성비 석탄-석유 화합물의 연소로 발생하는 이산화황은 수증기에 용해되어 매우 산성의 용액을 만든다.

생명을 이루는 물질들