제 2 장 생명의 화학적 이해

1. 제2장생명의 화학적 이해

2. 토마스 아이즈너와 자연계의 화학적 언어 • 생태화학의 개척자 : 화학신호로서 설명 • 꽃가루받이를 위해 매개자를 끌어들 이기 위한 꽃의 향기 • 나뭇잎을 먹으면서 부화하는 나비가 알을 낳지 못하게 하기 위해 식물이 만들어 내는 화학물질 • 짝을 유인하는데 화학물질을 이용하 는 것 • 여자가 남자를 오래도록 곁에 남아 있 도록 하는 것 • 화학물질은 신호전달보다는 생명체에서 훨씬 더 많은 기능을 한다. 이는 우리의 몸이나 다른 생물의 신체를 구성하는 재료일뿐만아니라 물리적 • 환경을 구성하는 재료이기도 하다. 토마스 아이즈너

3. 거미에게 잡힌 불나비과 일종의 나방 서론 그림

4. 2.1생물의 기능은 화학원소에 서 시작된다 액틴 : 단백질 분자로서 원자들이 배 열되어 이루어져 있음 근원섬유 : 소기관으로서 액틴과 미 오신 단백질로 구성 세포와 조직 기관 가장 기초적인 화학원소의 배열에서 부터 점점 더 높은 단계로 생물체가 구성되면 생물의 낮은 단계에서 나타나지 않았던 새로운 고유 특성이 나타나게 된다.

5. 2.2생명체는 약 25종의 화학원소가 필요하다 • 생명체는 공간을 차지하면서 질량을 갖는 물질(matter)로 이루어져 있으며 이러한 물질은 화학원소(chemical element)로 구 성되어 있다. • 원소는 통상적인 화학적 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 단위 이다. • 현재까지 자연계에는 92가지의 원소가 밝혀져 있다. • 92종의 원소 중 약 25종은 생명체에 필수적이다.

7. 요오드의 경우 사람에게 1일 평균 0.15mg이 필요하지만, 부족하면 갑상샘(선)의 기능이 방해를 받아 갑상샘종이 되어 갑상샘이 비정상적으로 커진다. 그림 2.2갑상샘종을 앓고 있는 여인

8. 2.3원소가 모여 화합물을 만든다 2.4원자는 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다 그림 2.A헬륨원자 그림 2.B탄소원자

9. 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

10. 그림 2.5A 양전자단층촬영 스캐너 그림 2.5B 인후암 증상 부위의 양전자 단 층을 촬영한 영상 방사성 동위원소는 핵이 붕괴되면서 입자와 에너지를 방출하기 때문에 생명체에 심각한 위험을 줄 수도 있지만, 생물학 연구나 의학에 매우 유용하게 사용되고 있 다.  위험성 많은 양에 노출되면 세포 내의 분자, 특히 DNA가 손상받게 된다.

11. 2.6전자 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 2.6생명에 중요한 네 가지 원소

12. 2.7이온결합은 다른 전하 사이의 당기는 힘으로 이루어진다 • 이온 : 하나 이상의 전자를 얻거나 잃어버림으로 인해 전하를 띠게 되는 원 자와 분자를 말한다. • 염 (salt) : 염은 자연 상태에서 결정으로 있는 이온결합화합물이다. 그림 2.7A이온결합으로 형성된 염화나트륨

13. 그림 2. 7B염화나트륨 결정체

14. 2.8공유결합은 전자를 공유하면서 원자가 연결되어 분자를 만든다 공유결합(covalent bond) 최외각에 존재하는 하나 또는 그 이상의 전자쌍을 두 원자가 나누어 가지는 결합

15. 2.9물은 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 한 다. 그림 2.9물분자

16. 2.10개요 : 물분자의 극성은 수소결합을 가능하게 하며 물에 독특 한 특성을 부여한다 그림 2.10A물분자 그림 2.10B물의 고체(얼음), 액체(물), 기체 형성된 수소결합 (수증기) 상태

17. 2.11수소결합으로 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 2.11표면장력을 이용해 물 위를 걷고 있는 소금쟁이

18. 2.12물의 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 양 온도(temperature) : 열의 세기, 즉 물질이 가지고 있는 열에너지에 의한 분자운동의 평균속도 물에 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 2.12수분증발로 시원함을 느낀다

19. 2.13물이 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 2.13고체와 액체 상태의 물분자 배열의 차이

20. 2.14물은 다양한 용질을 녹일 수 있는 용매이다 용액(solution) : 두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물로 구성된 액체 용매(solvent) :녹이는 물질, 용질(solute) : 녹는 물질 수용액(aqueous solution) : 물이 용매일 때 그림 2.14물에 녹아 있는 소금 결정체

21. 2.15생명현상에 관계된 화학반응은 산과 염기에 민감하다 산(acid) : 용액 내에 H+를 제공하는 화합물 염기(base) : H+과 결합하는 화합물, 이는 용액에서 H+농도를 낮춘다 그림 2.15 pH척도

22. 2.16산성비에 의해 환경이 위협 받고 있다 그림 2. 16A 그림 2.16A산성비로 황폐되어가고 있는 공원

23. 그림 2.16B독일에 있는 60년 사이에 손상을 입은 조각상 왼쪽 : 1908년, 오른쪽 : 1968년

24. 2.17화학반응에 의해 물질의 구조가 바뀐다 반응물(reactant) 생성물(product) 화학반응 (chemical reaction) 그림 2.17A화학반응으로 결합이 깨지거나 만들어 진다

25. 그림 2.17B화학반응으로 베타카로틴에서 비타민 A로 전환된다