BEYOND REASON
먼저 밴더 생리학 인체의 화학적 구성( 클릭클릭)
주요원소 4가지 : 수소(63%), 수소(26%), 탄소(9%), 질소(1%) = 체내 전체원자의 99.3%
무기질 원소 7가지 : 칼슘, 인, 칼륨, 황, 나트륨, 염소, 마그네슘 = 체내 전체원자의 0.7%
나머지 미량원소 13가지 : 철, 요오드, 구리, 아연, 망간, 코발트, 크롬, 셀레늄, 몰리브덴, 불소, 주석, 실리콘, 바나듐
3. 생체분자를 구성하는 원소 및 화학결합
1) 생체분자를 구성하는 화학원소
주요원소 4가지 : 수소(63%), 수소(26%), 탄소(9%), 질소(1%) = 체내 전체원자의 99.3%
무기질 원소 7가지 : 칼슘, 인, 칼륨, 황, 나트륨, 염소, 마그네슘 = 체내 전체원자의 0.7%
나머지 미량원소 13가지 : 철, 요오드, 구리, 아연, 망간, 코발트, 크롬, 셀레늄, 몰리브덴, 불소, 주석, 실리콘, 바나듐
2) 생채화합물의 화학적 특성
가. 생체화합물의 중심 탄소
생명체에서 생성되는 화합물을 생화합물(biochemicals)이라 하고 생화합물은 세포 건조중량의 절반이상을 차지하는 탄소원자를 중심골격으로 다양한 원자 또는 원자의 집합체(원자단 atomic group)가 결합하는 구조를 이루고 있음.
하나의 탄소원자는 네개의 원자가전자(valence electron)을 이용하여 다른 원자들과 4개까지 결합을 형성할 수 있음. 가장 중요한 것은 각각의 탄소원자들 사이에 전자쌍을 공유하여 탄소간의 단일결합을 형성함으로써 매우 안정한 화학적 뼈대 혹은 골격을 형성한다는 점임. 탄소간의 공유결합으로 형성된 탄소골격은 선형, 가지형, 고리형의 탄소화합물 구조를 형성
나. 작용기
생물체에서 발견되는 중요한 유기분자들의 다수는 탄화수소의 유도체로 나타나는데, 탄소와 결합한 수소는 다양한 작용기(functional group)에 의해 치환되어 생화합물을 형성함. 탄소와 탄소, 탄소와 수소간의 결합은 화합물의 안정된 골격을 제공하는데 반해 작용기는 물리적 특징, 화학적 반응성, 용액에서의 용해도 등의 화합물의 특징을 부여하는 원자의 집합체를 말하며 이들의 화학적 특성은 화합물의 생화학적 작용에 필수적임.
대부분 작용기의 원자단은 하나 혹은 그 이상의 전기음성도가 큰 원자들(O, N, P, S)를 포함하여 더욱 극성을 띠고 물과의 반응이 커지며 반응성이 증가함. 대표적인 작용기로서 카보닐기(carbonyl group)와 이를 포함하는 알데히드기(aldehyde group) 및 케톤기(ketone group), 히드록실기(hydroxyl group), 아미노기(amino group), 카르복실기(carboxyl group)등이 있음. 작용기들 사이에 가장 대표적인 결합에는 카복실기와 히드록실기 사이에 형성되는 에스터 결합(ester bond), 카복실기와 아민사이에 형성되는 아미드 결합(amide bond)이 있음.
생화합물에서의 일반적인 작용기와 결합들
3) 공유결합과 비공유결합원자들은 다른 원자와 결합하여 원래의 원자와는 다른 성질을 지니는 분자를 생성하는데 이때 원자들 사이에 상호작용 또는 인력을 화학결합이라고 함. 공유결합과 비공유결합(수소결합, 이온결합, 소수성 상호작용, 반데르발스 힘)이 있음.
가. 공유결합
원자 2개가 각각이 보유한 서로의 전자를 공유하여 형성하는 결합. 공유결합은 두개의 원자 가장 바깥쪽 전자들인 원자가전자들 간의 공유전자쌍으로써 원자가 껍질을 완성하기 위해 여러개의전자를 잃거나 하는 주기율표의 가운데 위치한 원소들에게서 자주 일어남. 원자는 가장 바깥쪽 전자껍질이 채워졌을때 가장 안정한 상태를 나타내는 원칙에 의해 두 원자간의 공유결합이 형성되며 원자가 껍질이 채워지기 위해 필요한 전자들의 수에 따라 결합의 수도 결정될 수 있음.
나. 비공유결합
비공유결합을 형성하는 원자들 사이의 전자를 공유하는 것이 아니라 주로 반대의 전하를 가지는 원자들 사이의 인력으로서 가역적이며 약한 결합을 형성하여 쉽게 깨지거나 재형성될 수 있는 특징을 가짐. 비공유결합은 DNA와 단백질의 상호작용, 효소와 기질의 상호작용, 호르몬과 수용체의 상호작용 등 여러생체 고분자 사이에 일시적은 상호작용을 가능하게 함으로써 생명유지에 중요한 화학반응이 진행되게 함.
# 수소결합
수소가 산소 혹은 질소와 같은 전기음성도가 큰 원자와 공유결합을 형성할때 결합을 형성하는 공유전자쌍은 수소로부터 전기음성도가 큰 원자쪽으로 쏠려 배치되며 이로 인해 수소는 부분적으로 양성의 전하를 띄게 됨. 그 결과 부분적으로 양전하를 띈 수소원자는 주변에 위치하는 분자내의 전기음성도가 큰 원소의 비공유전자쌍과 인력 현성이 가능한 위치까지 근접하는데 이러한 약한 인력을 '수소결합'이라고 함. 수소결합은 대부분 극성분자들 사이에 나타나고 물의 구조와 화학적 특징을 결정함에 중요할 뿐 아니라 생체에서 나타나는 거대분자들의 상호작용 및 구조에 영향을 미침.
# 이온결합
양이온, 음이온간의 정전기적 인력을 이온결합(ionic bond)라고 부르는데 대표적인 예로서 Na+와 Cl-의 상반된 전하사이에서 일어나는 인력에 의해 규칙적으로 쌓인 소금(NaCl)의 염 결정체를 들 수 있음. 소금은 염결정체 내에서 강한 이온결합을 형성하지만 물에 녹으면 이온결합이 해체되고 각각의 이온으로 분리됨.
다. 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)아미노산 또는 포도당과 같이 극성을 나타내어 물과의 상호작용이 가능한 분자들을 친수성 분자라고 부름. 긴 탄화수소 화합물을 포함한 지방 또는 스테로이드와 같은 분자들은 물의 극성부분과 상호작용 가능한 하전된 영역이 부족하여 물에 녹을 수 없음. 이러한 비극성의 화합물들은 물안에서 존재할때 서로 모이며 이는 비극성 분자들 서로에게 발생되는 강한 인력에 의해서가 아니라 주변의 극성환경에 노출되는 것을 최소화하기 위한 방법임. 이때 비극성 분자들 사이에 발생하는 인력을 '소수성 상호작용'이라고 함.
라. 반데르 발스의 힘(van der Waals force)
생체내의 여러분자는 전하 또는 극성을 갖지 않음. 때로는 비극성분자들 사이에도 순간적인 정전기적 상호작용이 형성될 수 있음. 이는 원자주위의 전자분포가 불균형을 나타낼 수 있기 때문. 이러한 일시적인 전자 불균형으로 인해 분자내에서 일시적 전하분리가 나타날 수 있으며 이러한 일시적 이중극자를 가진 분자가 일정한 거리로 서로 가까워지면 약한 인력이 형성되는데 이러한 인력을 '반데르 발스 힘'이라고 부름.
또한 분자내에서 일시적으로 형성된 이중극자는 인접한 분자에서 유사한 방식으로 전하의 거리를 유도할수 있음. 반데르발스 힘의 강도는 반응하는 원자의 거리에 따라 민감하며 두 원자들 사이의 거리가 약 4A에서 최대의 인력이 나타나고 거리가 멀어질수록 급격하게 감소하며 너무 근접하면 전자들간에 척력이나탐.