Transcript 조류생물학
3장 고분자들간의 상호작용 기초 화학 # 우리 주변의 모든 것들은 물질로 이루어져있 다. 물질이란 공간을 차지하고 질량을 가지는 것을 말한다. # 물질은 원소들과 두 종류 이상의 원소들이 결 합한 화합물로 구성되어 있다. 원소란 더 이 상 다른 물체로 나눠질 수 없는 물체다. # 지구에는 92가지의 자연계 원소들이 있다. 각 원소는 영어, 라틴어, 독일어 이름의 첫 번 째 글자나 첫 두 글자로 된 상징기호로 표시 한다. 탄소(Carbon), 질소(Nitrogen), 산소 (Oxygen), 수소(Hydrogen) 원자 # 원자의 영어명인 'atom'이라는 말은 그리스어의 ‘나눌 수 없는’을 의미하는 'atomos'에서 유래한 것이다. 즉, 물질을 쪼개고 또 쪼개는 과정을 반복하면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 얻게 되며 이를 원자(atom)라 부른 것이다. # 그러나 전자, 양성자, 중성자 등의 존재가 밝혀지면서 원자가 단일하고 나눌 수 없는 입자 가 아니라는 것을 알게 되었다. # 하지만, 화학 원소로서의 특성을 유지하는 입자로는 여전히 원자가 가장 작은 단위이다. 원자의 구조 # 원자들은 양성자, 중성자, 전자로 구성된다. 양성자는 양전하를 가진 원자구성입자고, 중 성자는 전기적으로 중성적이며 전자는 음전하를 가진다. # 원자의 양성자 수에 따라 어느 원소인지가 결정되고 그 수가 원자번호가 된다. 양성자와 중성자 수의 합은 원자량이다. 양성자와 중성자는 거의 동일한 질량을 가지고 있어 편의 상 원자번호의 두 배를 원자량으로 생각한다. 2 양성자 원자핵 2 중성자 2 전자 원자핵 음전하의 구름 전자 2개 동위원소 # 아이소토프 또는 동위체(同位體)라고도 한다. 서로 화학적으로 거의 구별할 수가 없으나 그 것을 구성하고 있는 원자의 질량이 서로 다른 것을 동위원소라고 한다. 영어의 isotope는 그 리스어인 isos(같은)와 topos(장소)의 합성어인데, 질량은 서로 달라도 원소의 주기율표에서 같은 장소에 배열되는 데서 1901년 영국의 화학자 F. 소디가 그 개념을 확립시킴과 동시에 이 명칭을 붙였다고 한다. # 일반적으로 어떤 원소의 화학적 성질은 그 원소를 구성하고 있는 원자의 원자핵 내에 있는 양성자의 수, 즉 원자번호에 의해 결정되며 한편 원자의 질량은 양성자와 중성자의 수의 합, 즉 질량수에 거의 비례하므로, 동위원소란 같은 수의 양성자를 가지고 중성자의 수만이 다른 원자핵으로 이루어지는 원소들이라고 할 수 있다. 방사성 동위원소 # 탄소의 경우, 6개의 중성자와 6개의 양성자를 가진 탄소12는 자연적으로 존재하는 모든 탄소 의 99%를 차지한다. 나머지 1% 중 대부분을 탄소13이 차지하고 세번째로 탄소14가 미세한 양 존재한다. 탄소14와 같은 방사성 동위원소는 탄소12 ,탄소13이 안정한데 반해 불안정하여 핵이 붕괴되며 에너지를 발산한다. # 방사성 동위원소는 생물학 연구와 의학에서 많이 이용 - 살아 있는 생명체에서 특정 원자의 운명을 감시하기 위해 사용될 수 있음 - 암을 진단하기 위해 양전자방출단층촬영(PET scan)에서 쓰임 # 무분별한 방사선 노출은 DNA를 손상시켜 살아 있는 생명체에 해를 끼칠 수 있다. -1986년 체르노빌 핵 사고로 상당량의 방사성 동위원소가 방출됨 - 자연 방사성 기체인 라돈은 폐암을 유발할 수도 있음 생명체에 가장 많은 4가지 원소의 원자들의 전자배열 최외각 8개의 전자를 담을 수 있다 최내각 2개의 전자를 담을 수 있다 전자 수소 H 원자번호= 1 탄소C 원자번호 = 6 질소 N 원자번호 = 7 산소 O 원자번호 = 8 # 전자가 가진 에너지는 핵으로부터 멀리 떨어질 수록 강하다. 전자는 전자각이라는 특 정 에너지 수준의 괘도를 돈다. 각 전자각은 특정 수의 전자를 수용할 수 있다. 최내각 에는 2개, 두번째, 세번째에는 8개의 전자까지 수용할 수 있다. 최외각 전자 수는 원자 의 화학적 성질을 결정한다 # 생물학적으로 중요한 4개의 원자들 모두 최외각이 불안정하기 때문에 이들 전자들은 다른 원자들과 쉽게 반응할 수 있다. 최외각이 모두 채워진 헬륨과 비교해 수소는 높은 반응성을 가진다. 생체내 고분자 물질 # 하나의 세포 내에는 104-105 종류나 되는 수많은 물질들이 상호 작용을 하면서 기능을 하고 있다. 이 중 절반은 무기이온이나 분자량이 수백 이하의 유기물이고, 나머지는 중합 체로서 분자량이 104-1012 달톤 정도의 큰 물질이어서 고분자 화합물이라 한다. 이들 고 분자 화합물들은 탄소 함유 분자들이다. # 탄소는 생명의 기능에 필요한 크고 복잡하고 다양한 분자들을 구성하는 능력이 뛰어나다. 그 이유는 최외각에 4개의 전자를 갖기 때문에 네 방향으로 가지치기가 가능하기 때문이 다. # 생체 내 고분자 화합물은 크게 다당류, 단백질, 핵산이며, 이들은 각각 단당류, 아미노산, 뉴클레오티드의 중합체다. 탄소화학 # 탄소 유기 분자 중 가장 간단한 탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진다. # 여러 가지 형태의 탄화수소들 이중결합 탄소골격은 그 길이가 다양하다 탄소골격은 가지를 갖기도 갖지 않기도 한다 탄소골격은 다양한 위치에서 이중결합을 가질 수 있다 탄소골격이 고리 모양의 배열도 할 수 있다 탄소화학 # 유기분자는 저마다의 고유한 3차원 모양을 가진다. - 유기분자의 모양은 그들의 기능과 연관되어 있음 # 가장 간단한 탄화수소는 하나의 탄소원자에 네 개의 수소원자가 결합해 있는 된 메탄 구조식 공-막대 모델 공간채움 모델 유기분자들: 탄소화학 # 유기분자들의 성질은 탄소 골격뿐만 아니라 탄소골격에 붙어있는 작용기(functional group)에 의해 특징지어진다. # 화학반응에 통상 참여하는 원자단을 작용기라 부른다. - 수산기 - 카르복실기 - 카르보닐기 - 아미노기 작은 분자로부터 거대분자 합성 # 생명의 분자(탄수화물, 지질, 단백질, 핵산)들은 크기가 거대해서 고분자(macromolecule)라 불린다. 하지만, 이들의 구조는 의외로 간단하다. - 단량체라 불리는 작은 분자들이 반복적으로 엮여서 중합체를 만든다. 짧은 중합체 단량체 탈수반응 가수분해 긴 중합체 a 중합체 사슬 만들기 b 중합체 사슬 분해하기 # 탈수합성(dehydration synthesis)과 가수분해(hydrolysis) - 탈수반응(dehydration reaction)으로 단량체가 연결되며 물 한 분자가 제거된다. - 가수분해(hydrolysis)는 단량체 사이의 결합을 끊는데 물 한 분자가 첨가되며 탈수반응의 역과정이기도 하다. 단백질 # 단백질의 단량체는 아미노산이다. 20개의 아 미노산들은 측쇄만 다른데 이 차이가 독특한 성질을 부여한다. 아미노산들은 탈수합성에 의해 펩티드 결합을 하며, 단백질은 보통 100개 이상의 아미노산이 결합하고 있다. 단백질 형태 # 기능적인 단백질은 폴리펩티드 사슬 자체(1차 구조)가 아니라 2,3, 4차 구조적 형 태를 갖춰야 비로소 단백질로서 기능한다. # 단백질의 모양은 온도와 산도에 따라 변형되는데 이를 단백질의 변성이라고 한다. 고분자의 입체구조를 결정하는 비공유 결합들 # 고분자 화합물의 생물학적 성질은 3차원적인 입체 구조를 만드는 비공유 결합에 의해 결정된 다. # 비공유 결합은 공유결합에 비해 매우 약한 결합이며 주로 물(H2O)에 의해 영향을 받는다. # 생물계에서 중요한 약한 결합들에는 아래와 같다. 1) 이온결합: 서로 반대전하를 갖는 두 이온 사이의 정전기적 인력에 의한 결합. 서로 떨어진 분 자들은 이온결합을 통해 가까운 위치로 이동하여 모이게 된다. 이때, 동일전하를 띠는 분자끼리 는 서로 근접하지 못한다. Ex) 아스파르트산이나 글루탐산은 카르복실기(coo-)를 지니고, 리신, 아르기닌, 히스티딘은 아미노기(NH3+)를 지니기 때문에 이들 사이에 이온결합이 생겨서 서로 가까이 존재하게 된다. 이온결합 # 원자는 화학반응을 통해 전자를 잃거나 얻어서 최외각을 완전히 채울 수 있다. 염화나트륨(소금)과 같이 나트륨 원자의 최외각 전자를 염소원자에 전이하면 양쪽 원자 모두 최외각이 꽉 찬다 # 전자전이로 전자를 얻거나 잃은 결과 전기적 특성을 갖는 이온이 된다. 이러한 전기적 특성으로 인해 나트륨 이온과 염소이온은 이온결합으로 묶이게 된다. 최외각에 1개의 전자를 가진다. 최외각 전자가 나트륨으로부터 떨어져 나오고 염소원자의 최외각은 완성된다. 최외각에 7개의 전자를 가진다 Na 나트륨원자 Cl 염소원자 완전한 최외각 Na 나트륨이온 Cl 염소이온 염화나트륨 (NaCl) 이온간 인력인 이온결합은 이 둘을 결합 시킨다. cf.공유결합 # 공유결합은 두 개의 원자들이 최외각 전자를 한 쌍 이상 공유할 때 형성된다. # 수소는 최대 한 개의 공유결합만을 형성할 수 있는데 반해 산소는 최외각 전자가 두 개 부 족하므로 이중공유결합을 한다. 이름(분자식) 기체수소 H2 전자배치도 구조식 단일결합 (공유전자 한 쌍) 기체산소 O2 이중결합 (공유전자 두 쌍) 메탄 CH4 공간채움 모형 공과 막대 모형 고분자의 입체구조를 결정하는 비공유 결합들 2) 수소결합: 전기음성도가 작아 약한 양전하를 띠는 수소원자와 전기음성도가 커서 약한 음전 하를 띠는 산소원자나 질소원자간의 미약한 정전기적 인력에 의한 결합. 이온결합보다 훨씬 약 한 결합이지만 생체 환경(물)에서 고분자의 입체구조를 유지하는데 아주 중요하다. 고분자의 입체구조를 결정하는 비공유 결합들 3) 소수성 상호작용: 비극성을 띠는 두 분자 사이 또는 분자 내에서의 상호인력에 의해 서로 결합 하는 힘. 비극성을 띠는 분자끼리 모이는 현상인데 이는 비극성 분자간의 상호작용이 유리하기 때문이 아니라 극성과 비극성 분자간의 상호작용이 열역학적으로 불리하기 때문에 일어나는 현상이다. Ex) 소수성 측쇄를 가진 아미노산(알라닌, 발린, 루신, 트립토판, 티로신)이 포함된 단백질이 물과 접하게 되면 이들 아미노산은 내부쪽으로 숨어서 물 분자와의 접촉을 피한다. 이로써, 소수성 아미노산끼리 모이게 된다. 고분자의 입체구조를 결정하는 비공유 결합들 4) 반데르 발스 인력: 반데르 발스 인력은 모든 분자간에 존재하는데, 분자들이 매우 근접해 있 을 때 분자를 구성하는 원자들 사이에서 일시적인 정전기적 상호작용에 의해 이루어진다. 이러 한 힘은 분자를 이루는 원자의 핵 주위를 돌고 있는 전자의 운동에 의해 모든 원자에 생길 수 있는 힘으로서, 그 인력은 매우 약하며, 두 핵 사이의 거리가 아주 가까울 때에만 효과가 있다. - 옴스트롱: 0.1nm(10-10m) - 반데르발스 인력 vs 반발력