[생리학] 2. 신체의 구성 (1) 원자, 이온과 화학결합

2. 신체의 구성

 

2.1 원자, 이온과 화학결합

생물의 신체 구조와 생리적 과정은 이온, 원자, 분자의 상호작용과 그들의 특성에 기초합니다. 물은 신체의 주요 구성 요소이며 성인 체중의 약 65-75%를 차지합니다. 이 중 2/3는 세포 내 구획에 포함되어 있고, 나머지는 세포 외 구획에 포함되어 있습니다. 물에 용해되는 것은 탄수화물, 지질, 단백질 및 핵산 같은 유기분자와 무기분자, 이온들이 있다.

 

 

(1) 원자

원자(atom)는 화학 물질을 구성하는 가장 작은 단위입니다. 원자의 중심에는 원자핵(nucleus)이 있고, 원자핵에는 양전하를 띤 양성자(proton)와 전하를 띠지 않은 중성자(neutron)가 있습니다. 양성자의 질량은 중성자의 질량과 같고, 양성자와 중성자의 질량의 합은 그 원자의 원자 질량(atomic mass)입니다. 예를 들어, 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가진 탄소(carbon)의 원자 질량은 12입니다. 전자의 질량은 양성자와 중성자에 비해 너무 작아서 원자 질량에 포함되지 않습니다.

원자 번호(atomic number)로도 알려진 양성자의 수는 탄소의 경우 6입니다. 원자의 순전하(net charge)는 0입니다. 왜냐하면 원자핵 바깥에는 음전하의 전자가 있고 전자수와 양성자의 수가 동일하기 때문입니다.

전자는 전자 궤도(orbit)라고 불리는 일정한 부피의 공간 안에 위치할 수 있고, 궤도는 껍질이나 에너지 수준을 형성합니다. 핵 주위에는 여러 개의 껍질이 있으며, 각 껍질은 핵에서 떨어져 있습니다. 핵에 가장 가까운 곳에 위치한 원자 껍질 1은 두 개의 전자만 가지고 있습니다. 원자가 두 개 이상의 전자를 가지고 있다면, 최대 8개의 전자를 담을 수 있는 두 번째 원자 껍질이 필요합니다. 원자 껍질이 핵으로부터 멀리 떨어져 있을수록, 그것의 에너지 수준은 더 커집니다. 수소를 제외한 대부분의 생물학적으로 중요한 원소들은 가장 바깥쪽 껍질을 채우기 때문에 8개의 전자를 필요로 합니다. 6개의 전자를 가진 탄소는 첫 번째 껍질에 2개의 전자가 있고 두 번째 껍질에 4개의 전자가 있습니다. 완전히 채워지지 않은 가장 바깥쪽 껍질의 전자는 화학반응에 참여하여 화학 결합을 형성하는데, 여기서 가장 바깥쪽 전자는 원자가 전자(valence electron)라고 불립니다.

(2) 화학결합, 분자, 이온화합물

분자는 두 개 또는 그 이상의 원자 사이에 있는 원자가 전자들의 상호작용에 의해 형성됩니다. 이러한 방식으로 전자를 공유하는 결합을 공유 결합이라고도 합니다. 각 원자가 가질 수 있는 결합의 수는 그것의 가장 바깥쪽 궤도를 채우는 데 필요한 전자의 수에 달려 있습니다. 예를 들어, 수소는 첫 번째 껍질에서 두 개의 전자만 채우고 단일 화학 결합을 형성합니다. 반대로, 메탄의 탄소는 4개의 전자를 더 가지고 있어야 하기 때문에 두 번째 껍질에 있는 8개의 전자를 채우고 4개의 화학적 결합을 만듭니다.

 

(3) 산, 염기, PH

물 분자가 이온화되면 OH-(히트록실 이온)와 H+(양성자)가 됩니다. 이온화된 양성자 H+는 물 분자에서 산소와 결합하여 히드로늄 이온을 형성합니다. 물 분자의 이온화는 동일한 양의 OH-와 H+를 생성하며, 각 이온의 농도는 동일하게 10-7M입니다. 물은 H+와 OH-농도가 같기 때문에 중성입니다.

물보다 H+ 농도가 높은 용액은 산성(acidic)이고 H+ 농도가 낮은 용액은 염기성(basic)입니다. 산은 양성자를 용액에 방출시키는, 즉 양성자 공여체입니다. 그러나 염기는 음이온이나 음이온을 만드는 분자로 H+와 결합하여 H+를 제거하는, 즉 양성자 수용체입니다. 강한 염기는 OH-를 방출하고 H+와 결합하여 물 분자를 형성하는 동시에 H+의 농도를 감소시킵니다.

(4) 유기분자

유기 분자(organic molecules)는 탄소와 수소를 포함하는 분자입니다. 신체의 대부분의 유기 분자들은 탄소와 결합된 다른 원자들뿐만 아니라 탄화수소 사슬과 고리를 가지고 있습니다. 만약 두 개의 탄소 원자가 한 쌍의 전자를 공유한다면, 그것은 단일한 공유 결합입니다. 두 쌍의 전자를 공유하면 이중 공유 결합이 됩니다.

어떤 탄화수소는 그 끝이 서로 연결되어 고리를 형성하고 있습니다.  벤젠 관련 분자는 교대로 이중 결합을 가진 육각형 방향족 분자(aromatic molecule)입니다.
대부분의 유기 분자 탄화수소 사슬 또는 고리는 비교적 불활성화 구조이며, 여기에 더욱 활성있는 원자가 결합되어 있습니다. 산소, 질소, 인, 그리고 유황은 기능기(functional group)라고 불리는 반응성 그룹입니다. 이러한 기능기는 분자의 독특한 화학적 특성을 나타냅니다.

케톤(ketone)은 탄소 사슬에 카보닐기(carbonyl group)를 가지고 있습니다. 알코올은 히드록실기(-OH)가 탄화수소 사슬에 결합된 유기 화합물입니다. 그리고 초산, 구연산, 젖산 등과 같은 모든 유기산(organic acid)은 카르복실기(-COOH)를 가지고 있습니다.
카복실기(carboxyl group)는 용액에서 H+를 방출하기 때문에 산입니다. 즉, COOH는 COO-와 H+로 이온화됩니다. 이온화된 유기산의 어미에는 -ate를 붙이게 되는데, 예를 들어 젖산(lactic acid)이 이온화되면 젖산염(lactate)이 됩니다.