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▒ 생물학 개론, 작은 분자 - 화학결합과 SPONCH 원소
SPONCH 원소 중 몇 가지를 예로 들어 이들 원소가 어떻게 공유결합이나 이온결합을 형성하는지 살펴보고, 물의 고유한 특성을 나타내는 수소결합에 대해서도 알아보자.
탄소와 공유결합 탄소를 포함하여 수소 또는 한두 개의 다른 원소가 결합된 분자를 유기분자(organic moleaule)라 한다. 유기분자는 그 수에 있어서 막대할 뿐더러 어떤 유기물은 대단히 복잡하기도 하다. 우선 가장 간단한 물길 중의 하나인 메탄(methane)을 가지고 탄소 화합물에 대하여 살펴보자.
● 메탄(Methane)
탄소의 원자번호는 6이므로, 탄소의 6개 전자는 2개가 내각에 4개가 외각에 존재한다. 탄소는 어떻게 외각을 채우면서 전하의 균형을 유지 할까? 탄소는 전기음성도가 약해서 4개의 전자를 포획할 수도 없고, 6개의 양성 자를 가지고 있으므로 전하의 균형상 4개의 전자를 버릴 수도 없어 전자를 공유 하는 방법을 통하여 안정성을 유지한다. 결과적으로 탄소는 4개의 공유결합을 형성하는데, 탄소가 4개의 수소와 공유결합을 이룰 때 메탄이라는 분자가 형성된다. 메탄은 늪지 가스의 주요 성분으로 산소가 결핍된 늪지의 지하에서 유기물을 분해하는 몇 가지 종류의 원시 세균에 의하여 2차 산물로서 생산된다. 더욱 중요한 것은 메탄은 지구상에서 가장 흔히 쓰이는 연료인 천연 가스의 주성분을 이루고 있다는 점이다.
메탄의 화학식(chemical formula)은 CH4인데, 탄소 화합물을 표시하는 데는 화학식보다 구조식(structural formula)을 쓰는 것이 편리하다. 구조식은 원자의 기하학적인 배열을 표시해 주며 전자가 어떻게 공유되었는지를 보여 준다. 메탄의 구조식은 다음과 같다.
단선 (single line)은 단일 공유결합을 의미하는데, 각 공유결합은 두 개의 전자를 공유하고 있으며 전자껍질의 도해를 아래의 그림에 소개하였다.
실제로 두번째 껍질의 궤도함수는 평면을 이루지 않고 3차원적이다. 만약에 탄소로부터 4개의 수소 원자를 선으로 연결한다면, 결합각(수소간의 각)은 109보다 약간 크며 전체 모양은 4면체를 이루게 된다.4면체는 도해하기가 쉽지 않다(4면체는 원래 철 가시라 불리는 ‘마름쇠(caltrop)'와 닮은 것으로, 이것은 옛날에 적군의 공격을 막기 위하여 진입로에 설치했던 것이며, 최근에는 저공 비행을 하면서 적의 비행 장 활주로에 뿌리기도 하는 무기의 일종이다).
메탄 분자를 3차원적으로 표시하는 방법이나 모형에는 전자 구름 또는 분자 궤도함수 모형, 공막대 모형과 공간 모형 등 여러 가지가 있다. 탄소는 다른 탄소와 결합하거나 다른 원소와 다양한 방법으로 결합하여 분자를 이루며 이와 같은 다양성 때문에 생명체의 화학은 두말할 것도 없이 탄소의 화학이라고 할 수 있다.
● 탄소의 마술
생명체에 너무도 중요한 탄소의 생화학적인 마술은 탄소가 외각에 4개의 전자를 갖고 있는데서 비롯된다. 메탄에서 보았듯이 탄소는 4개의 공유결합을 이룰 수 있으며 이산화탄소와 같이 이중결합도 형성할 수 있다. 이때는 탄소를 중앙에 두고 산소와 2개의 이중결합(각 이중결합은 두 쌍의 전자를 공유함)을 형성한다(0=C=O). 탄소는 아세틸렌(H-C=C-H) 가스나 시안화수소(H-CEN)의 경우와 같이 삼중결합을 형성하기도 한다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은 탄소는 그 자신이 다른 탄소 원자와 결합하여 긴 사슬(long chain), 환(ring) 등을 포함한 복잡한 구조의 분자를 형성하며, 이렇게 형성되는 탄소 화합물의 분자 크기는 얼마든지 커질 수 있다는 것이다. 예를 들어 큰 분자량을 가진 DNA의 경우 500억 개의 원자로 구성되어 있으며, 이와 같이 큰 분자를 가리켜 고분자(macromolecule)라 한다.
● 탄소 골격 (Carbon Backbone)
긴 사슬을 이룬 탄소 원자를 흔히 탄소 골격이 라고 하는데, 이것은 척추에서 갈비뼈가 뻗어나오듯이 탄소 골격에서부터 여러 곁가지가 나올 수 있기 때문이다. 이와 같은 곁가지에는 수소, 산소, 질소, 인, 황 등이 포함된다.
단순한 골격 구조로 탄화수소(hydrocarbon)를 들 수 있는데, 이것은 순전히 탄소와 수소로만 이루어진 화합물이며, 이 중의 하나인 메탄은 이미 언급한 바 있다. 프로판(propane)과 부탄(butane)은 각각 3, 4개의 탄소로 이루어진 사슬이며, 이 물질은 원유를 정제하는 과정에서 생산되는 연료이다.
공 막대의 모형에 의하면 부탄의 탄소 골격은 직선이 아니다. 즉, 각 공유결합이 마치 작은 회전고리같이 작동함으로써 탄소 원자는 사슬 죽을 중심으로 자유 롭게 회전할 수 있다.
위에서 언급한 탄소-탄소 결합은 단일 공유결합이지만 탄소 결합의 경우에도 이중 또는 삼중결합(이웃하는 탄소원자간에 4 또는 6개의 전자를 공유함)이 있을 수 있다. 이중 및 삼중결합은 회전을 하지 못하며 따라서 이러한 분자들은 단일 결합을 가진 분자들에 비하여 유연성이 없다.
탄소간의 결합이 단일결합인가 다중결합인가에 따라 분자간에 상당한 생물학적 차이가 있다. 예를 들어 불포화지방과 포화지방을 영양학적인 관점에서 보면, 포화지방을 다량 포함하는 음식물은 건강상 좋지 않다. 포화지방은 가질 수 있는 최대한도의 수소를 갖고 있는데 반하여 불포화 지방은 이보다 적은 수의 수소를 갖고 있다는 점이 화학 구조상의 차이이다. 포화 또는 불포화라는 술어는 그 외의 탄화수소에도 흔히 쓰인다.
● 질소(Nitrogen)
질소의 원자번호는 7이고 내각에 2개, 외각에 5개의 전자가 있으므로 외각을 채우려면 3개의 전자가 필요하다. 질소는 분자상 질소(N2) 또는 암모니아(NH) 에서 보는 바와 같이 보통 3개의 공유결합을 한다. 또 어떤 경우에는 암모늄 이온(NH)과 같이 4개의 공유결합을 형성하기도 하는데, 이 경우에는 양전하를 띠게 된다.
질소는 단백질의 구성 성분일 뿐만 아니라 핵산(DNA, RNA), 탄수화물, 지질 및 그 외의 생물학적으로 중요한 물질들의 필수 성분이다. 이들 물질에 관해서는 3장에서 언급하기로 하고 우선 여기에서는 질소에 대한 기초적인 지식을 익히고자 한다. 질소는 지구상에 대단히 흔한 원소이지만 생물체가 이를 쉽사리 이용할 수 없다는 특징을 갖는다. 이같은 이용상의 어려움으로 인한 질소 부족은 식물의 생장에 영향을 준다거나 사람의 경우 영양 실조를 일으키는 등의 문제를 야기한다. 이와 같이 질소가 '풍요 속의 빈곤'을 일으키는 중요한 이유는 질소 분자(N)가 너무 안정되어 대부분의 조건에서는 다른 원자나 분자들과 반응하지 않기 때문이다. 그 이유를 살펴보자.
질소와 질소의 결합은 6개의 전자를 공유하는 삼중결합(N=N)으로 이 결합을 파괴하는데는 방전과 같은 막대한 에너지가 필요하다. 또한, 세포내의 경우에도 특수한 화학 반응력을 필요로 하기 때문에 대부분의 생물들은 분자상의 질소를 전혀 이용하지 못하며, 가용성 암모늄 이온(NH)이나 질산 이온(NOT)과 같은 형태로만 이용할 수 있다. 그러나 몇 종류의 박테리아는 대기중의 질소를 고정하여 생물체가 이용할 수 있는 질소 화합물로 전환시킬수 있는 능력을 갖고 있다.
몇 종의 식물들 —— 특히 완두, 강낭콩, 땅콩, 앨팰퍼 ——은 뿌리 세포 속에 공생 관계에 있는 질소 고정 박테리아를 가지고 있어서 자신들에게 필요한 질소 를 공급받는다.
● 인(Phosphorus)
필수 SPONCH 원소 중 또 하나로 인을 들 수 있다. 생물계에서 인은 항상 산소와 결합되어 인산(phosphate) 형태로 존재한다. 인산염은 독립 무기이온으로 있 을 수도 있지만 인산기(phosphate group, 위의 그림)로서 다른 더 큰 유기분자와 결 합할 수도 있다. 생물체의 세포내 및 세포외액에는 인산 이온이 HPO 또는 H2PO4 (1~2개 수소 원자 및 2개, 또는 그 이상의 음전하를 가진)로 존재한다.
인산의 경우 4개의 산소가 인 원자에 단단하게 부착되어 가운데 인을 두고 4면 체를 이룬다. 인산은 흔히 자유 이온으로 존재하기 때문에 P로 표시되며, 무기인 산(inorganic phosphate)을 의미한다. 인산은 세포막의 대부분을 이루는 인지질(phospholipid)로 존재하기도 하며 뼈나 치아를 구성하는 인산칼슘의 성분을 이루 기도 한다.
● ATP-에너지 운반자
모든 생물은 에너지의 저장 방법이나, 또는 에너지를 필요로 하는 곳에 이를 운반하는 방법으로 특이한 인산-인산 결합을 이용한다. 이와 같은 결합은 주로 아데노신3인산(adenosine triphosphate, ATP)이나 이보다 약간 적은 에너지를 가진 아데노신 2인산(adenosine diphosphate, ADP)과 같은 물질에 서 나타난다. ATP와 ADP에 관해서는 후에 자세히 소개될 것이다.
● 황(Sulfur)
SPONCH 원소 중의 마지막으로 생명체의 화학에서 여러 가지 역할을 맡고 있는 황을 살펴보자. 황은 몇 가지 아미노산에서 나타나며, 아미노산은 작은 분자로 사슬처럼 연결되어 단백질을 형성한다. 황은 수소 원자와의 공유결합을 통해 -SH기로서 아미노산의 구성 요소가 된다. 아미노산이 단백질을 이루는 경우에는 두 개의 -SH가 쌍을 이루어 단백질 사슬을 묶는 고리의 역할을 하여 단백질이 일정한 형태를 이루도록 해준다. 이때 두 개의 -SH는 수소를 잃고 공유결합을 하여 가역성인 디설피드결합(disulfide linkage) 또는 다리(bridge)를 형성한다.
아미노산 S-H + H-S 아미노산 ↔ 아미노산 - S - S - 아미노산 + H2
-SH기는 유기분자에서 발견되는 여러 특수한 작용기들 중의 하나이다.
작용기(functional group)는 여러 가지 유기분자에서 비교적 자주 나타나는 화학기로, 이들 작용기가 부착되는 분자의 종류에 상관없이 자체가 가지고 있는 원래의 화학적 성질을 그대로 유지하기 때문에 중요하다. 중요한 작용기로는 아미노산에서 나타나는 카르복시기와 아미노기를 들 수 있으며, 이외에 인산기, -SH 기, 메틸기, 수산기, 알데히드기, 케톤기 등을 들 수 있다.
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