7. 생물학 개론, 작은 분자 - 개념과 정의

   생물학이 단순히 생물을 관찰하고 연구하는 학문이라고 생각한다면, 큰 착각일 것입니다. 생물을 이루는 기초적인 존재는 분자입니다. 모든 것은 분자나 원자, 핵의 개념에서부터 시작합니다. 생물학도 다르지 않습니다.

   그래서 오늘부터는 생물학의 기초가 되는 분자에 대해서 정리해 보려고 합니다.

 

 

생물학 역시 분자와 원자의 개념에서부터 시작한다.

목차

 

1. 먼저 읽어보면 좋은 글

2020/09/09 - [생물학 정리] - 6. 생물학 개론, 생명체를 연구하는 학문 - 환원

 

 

2. 작은 분자

 

   생명체에 대한 호기심 때문에 조직학에 관한 연구를 시작했으나, 세포의 형태적인 자료가 생명체에 대한 나의 궁금증을 시원스럽게 풀어 주지 못하므로 다시 생리학에 관심을 갖게 되었다. 생리학이 너무 복잡한 학문이라는 것을 발견하고 다시 약리학을 선택하게 되었으나, 이 학문 역시 복잡하다는 것을 알고 세균학으로 눈을 돌렸다. 
   그러나 박테리아 역시 복잡하기는 마찬가지라는 결론을 얻고서 이번에는 분자 수준까지 내려와 화학과 물리화학을 공부하였다. 그 뒤 20년 후 나는 생명체를 이해하기 위해서는 전자를 이해하고 파동 역학까지도 이해하지 않으면 안 된다는 결론에 도달하였다. 하지만 전자는 전자일 뿐이지 생명체가 아니지 않은가. 결국 나는 내가 무엇을 해야 되는지 대상을 잃고 말았다. 내가 쥐고 있는 사이에 그것은 손가락 사이로 빠져나가 버리고만 셈이다.
                                                                                       -센트죄르지(Albert Szent-Györgyi) 회고록

 

(1) 생물학과 생화학

   생명체의 신비에 대한 센트죄르지(Szent-Györgyi)의 자조적인 논평은 환원론자들이 경험할 수 있는 자가 당착이 무엇인가를 잘 설명해 주고 있다. 왜냐하면 생명의 의미를 어떤 근본적인 과정으로 환원시킬 수는 없기 때문이다. 다시 말해 생명의 본질이란 보석의 결정체와 같은 진리의 순수한 결정체가 될 수 없다는 것이다. 만약 생명에 관한 비밀이 아직 밝혀지지 않았다면 그것은 아마 센트죄르지가 이미 포기해 버린 그 복잡하다는 사실의 어딘가에 아직도 묻혀 있을 것이다. 

   하지만 환원론자의 접근 방식은 그 나름대로 가치가 있다. 왜냐하면 생명 현상이란 필연적으로 생명이 없는 분자, 원자 및 무작정 공간을 돌고 있는 전자의 운동에 의한 것이기 때문이다. 가장 확실하게 생명체의 정체를 파악하기 위해서는 우선 이를 이루는 구성 성분을 이해하지 않으면 안 된다. 따라서 생명체를 이해하기 위해서는 생화학의 지식과 법칙에 의존해야만 한다.

   물론, 생화학의 도움 없이 생물학을 연구하는 것이 불가능한 것은 아니다. 예를 들어, 다윈도 대상에 대한 어떠한 지식을 갖추지 않고 자신의 관찰을 훌륭히 수행하였으며, 현재도 비커, 염기, 화학 방정식 등은 이해하지 못하지만 자연(야외) 현상에 관심을 가진 생물학자들이 많이 있다. 그렇지만 이들 생물학자들이 생명 현상이란 결국 분자 수준의 메커니즘에 의한 것임을 알게 된다면 생명체의 본질에 대한 관심은 더욱 커지게 될 것이다. 

   섬세하게 구성되어 있는 식물의 잎맥이 아름답다는 사실만으로는 잎이 탄산가스와 물로 유기물질을 생산한다는 사실은 알아 낼 수가 없는 것이다. 

 

벌새

 

   사실상 생화학자들도 경우에 따라서는 입이 납작한 동물이 있다는 사실을 알 필요가 있지만 통통하고 작은 벌새(hummingbird)가 한 번도 멈추지 않고 어떻게 멕시코 만을 날아갈 수 있는지를 설명할 수 있는 사람도 생화학자일 것이다. 이 장에서는 생화학의 기초가 되는 원자, 무기 분자, 작은 분자량의 유기물 등에 관하여 언급하고자 하며, 이를 근거로 생명이 없는 물질의 세계가 생명 현상이 나타나는 물질의 세계와 어떠한 관련이 있는지 소개하고자 한다. 다만 문제는 이 두 세계의 경계가 명백하지 않은 것이다.

 

(2) 원소, 원자, 분자

   원소(element)란 화학적인 방법으로는 더 이상 간단한 물질로 나눌 수 없는 물질을 말한다. 원소를 더 작은 물질로 분해하기 위해서는 높은 에너지로 처리하거나, 고에너지 입자를 써서 충돌시키거나, 원자를 구성하는 입자나 에너지를 유리시켜 원소를 변화시킬 수 있도록 처리해야 한다. 

   현재 지구상에는 92가지의 자연 원소가 존재하는데, 이 중 황(sulfur), 인(phosphonus), 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 탄소(carbon), 수소(hydrogen)의 6가지 원소가 생물체의 99%를 이루고 있다. 이 원소들을 SPONCH(이들 원소들의 첫 글자를 딴 것임)로 기억하면 편리하다. 물론 이들 원소만이 생명체에 중요하다는 말은 아니다. 예를 들어 식물은 마그네슘(magnesium)이 없이는 유기물을 합성하지 못하며, 소나무는 아주 적은 양의 나트륨(Na)만으로도 생존이 가능하나 인간은 소량의 나트륨으로는 생존이 불가능하다. 그것은 나트륨이 신경과 근육의 기능에 매우 중요한 역할을 하기 때 문이다. 다음의 〈표)는 생물체에 중요한 역할을 하는 원소들을 나열한 것이다. 그 밖의 원소들은 자연계에 드물며 생물체에 꼭 필요한 원소는 아니다.

 

원자

 

   원자(atom)는 원소를 이루는 가장 작으며 더 이상 분할할 수 없는 단위이다. 한 종류의 원자가 모여 원소를 이룬다. 원자는 다시 몇 부분으로 나누어질 수 있으나 그럴 경우 원자는 그 원소가 지닌 고유한 성질을 잃게 된다. 각 원소의 성질은 이를 이루는 원자의 고유한 구조에 따라 결정되기 때문에 원자의 구조가 바뀌면 원소의 성질이 바뀐다.

 

   분자(molecule)는 두 개 이상의 원자가 결합하여 이루어진 단위이다. 어떤 분자의 원자는 한 가지 원자만으로 이루어지지만 서로 다른 원자들로 이루어질 수도 있다. 예를 들어 산소 원소 한 분자는 두 개의 산소 원자가 결합하여 이루어진 것이다. 산소의 원소 기호는 O이지만, 산소의 분자는 O2로 표시된다(공기 중의 산소는 분자 상의 산소임). 기체 상태의 수소도 2개의 수소 분자(H2)로 이루어져 있다.

 

   물(water)은 화합물이다. 화합물(compound)이란 두 개 이상의 다른 원소가 독특한 비율로 결합하여 이루어진 순수한 분자상태의 물질을 말한다.

 

양성자와 중성자

 

(3) 원자 구조(Atomic Structure) 

 

   원자는 약 100가지 정도의 원자를 구성하는 입자들로 이루어져 있지만, 이들의 대부분은 수명이 짧고 생물학적인 역할은 밝혀지지 않았다.

   원자를 구성하는 세 가지 주요 입자는 중성자(nuetron), 양성자(proton), 전자(electron)인데, 중성자와 양성자는 밀접하게 붙어서 원자핵(atomic nucleus)을 이루고, 전자는 핵의 바깥 부위에 나열되어 있다. 중성자와 양성자는 질량이 비슷하며 전자보다는 훨씬 무겁다(어떤 것은 전자의 1836배 정도나 된다). 이와 같은 이유 때문에 원자 질량의 대부분을 차지하는 것은 중성자와 양성자이며 나아가 우주 질량의 대부분을 이룬다고 말할 수 있다.

   ‘중성자'라는 이름은 이 입자들이 전기적으로 중성이라는 사실에서 연유된 것이다. 이에 비하여 양성자는 양전하(+)를 띠며, 전자는 양성자에 견줄 만한 음전하(-)를 띤다. 이와 같은 전하는 원자의 구조에 중요한 영향을 주는데, 예를 들어 다른 전하끼리는 서로 인력이 작용하며 바로 이 때문에 원자가 형성된다. 원자들이 원소 상태에 있다는 것은 원자 내의 전자의 수와 양성자의 수가 같다는 것과 전기적으로 상쇄되어 있음을 의미한다. 

   다른 전하 사이에 인력이 작용하는 것과는 달리 같은 전하 사이에는 상당한 반발력이 존재한다. 그렇다면 같은 전하를 띤 양성자가 긴밀하게 덩어리를 이루고 있는 핵은 어째서 그대로 존재하는 것일까? 물리학자들은 ‘강한 핵력’으로 핵이 이루어진다고 설명하나 핵의 결속 메카니즘은 아직도 명확히 설명되지 않고 있다. 

 

우라늄 238

 

   중성자의 수와 양성자의 수를 합한 것을 원자 질량(atomic mass) 또는 원자량이라고 하며 원자량은 달톤(dalton)으로 나타낸다. 가장 가벼운 원소인 수소 원자는 원자량이 1 달톤이며, 가장 무거운 원소인 우라늄-238은 무게가 수소의 238 배로 원자량이 238 달톤이다. 분자량(molecular mass)은 그 분자를 이루는 원 자의 원자량을 합한 것이다. 물(H2O)을 예로 들어 보자.

   2H=2 ×1 = 2 

   10 = 1 × 16 = 16

   분자량 = 18 달톤

 

   각 원소는 고유한 원자번호(atomic number)를 갖는데, 이 숫자는 그 원자의 양성자의 수와 동일하다. 6개 SPONCH 원소의 원자번호는 각각 16, 15, 8, 7, 6, 1이다. 원자 내 양성자의 수는 전자의 수와 같다.

 

산소의 동위원소

 

(4)중성자(Neutron), 동위원소(Isotope)

 

   위에서 본 바와 같이 원소의 원자량은 양성자와 중성자의 수를 합한 것이다. 즉 수소는 한 개의 양성자만이 있고 중성자가 없으므로 질량은 1이다. 탄소(C)는 중성자와 양성자를 각각 6개씩을 가지므로 질량이 12이며, 산소는 각각 8개씩으로 16이다. 

   이와 같이 원자량을 계산하는 것은 얼핏 단순해 보이나 꼭 그렇지는 않다. 같은 원소라 할지라도 중성자의 수가 다르면 원자량이 다르다. 이와 같이 중성자의 수가 다른 원소를 동위원소 (isotope)라 한다. 좀더 정확히 말해서 동위원소란 핵을 이루는 중성자의 수만이 다른 원소를 말한다. 

   어떤 동위원소의 핵은 불안정(또는 방사성(radioactive))하여 알파 또는 베타 입자처럼 에너지를 가진 입자의 형태(헬륨 또는 전자)나 고에너지 양성자(감마선; X선과 유사함) 형태, 또는 위 두 가지가 합쳐진 형태로 방사선을 내면서 붕괴된다. 이 붕괴 과정이 일어난 방사성 동위원소(radioisotope)는 질량이 감소되기 때문에 다른 원소로 바뀌는데 이때 생긴 원소는 방사성일 수도 있고 비방사성일 수도 있다.

   주어진 방사성 동위원소의 절반이 붕괴되는 데 걸리는 시간을 그 동위원소의 1 반감기(half-life)라고 하며 이것은 방사성 동위원소에 따라 다르다. 예를 들어 실험적으로 만들어진 어떤 방사성 동위원소의 반감기는 몇 초에서 몇 분에 불과하나 자연에서 발견되는 대부분의 방사성 동위원소는 반감기가 길어서 어떤 것은 몇억 년이 되기도 한다. 우라늄-238의 반감기는 약 10억 년인데 붕괴된 후 납-206으로 변환된다.

   동위원소는 여러 가지로 과학자들에게 중요하다. 반감기가 긴 것은 흔히 화석의 연대를 알아 내는 데 쓰이며 지구의 생성 연대를 추정하는 데도 이용된다. 이와 같은 연대의 추정은 고대 지질 현상이나 진화 현상에 대한 중요한 자료를 제공할 수 있다. 의학 분야에서는 강력한 방사성 동위원소로 암을 치료하고 있으 며, 과학자들은 이것을 이용해 생물체에 대한 방사선 피해를 연구한다.

   생물학자들은 어떤 물질이 어느 경로로 움직이고 세포내에서 어떻게 변하는가를 밝히기 위하여 비교적 짧은 반감기를 갖고, 에너지가 낮으며 인체에 큰 피해를 주지 않는 방사성 동위원소를 추적자(tracer)로 사용하기도 한다. 예를 들어 방사성 인(phosphorus), 황(sulfur), 수소(hydrogen) 등은 생물의 유전 정보를 포함하고 있는 DNA의 기능과 구조를 밝히는 데 필수적이다.