硅酸鹽규산염 鑛物광물과 蛋白質단백질·核酸핵산

◁ 化學화학 結合결합과 物質물질의 性質성질 ｜ 10tonggwa1-0206 ▷

■ 10統통科과1-02-05: 地殼지각과 生命體생명체를 構成구성하는 物質물질들이 基本기본 單位體단위체의 結合결합을 通통해서 形成형성된다는 것을 硅酸鹽규산염 鑛物광물, 蛋白質단백질과 核酸핵산의 例예를 通통해 說明설명할 수 있다.

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單位體단위체와 그 結合결합

몇 가지 모양의 블록만으로 집도, 배도, 탑도 만들 수 있듯이, 自然자연은 몇 가지 基本기본 單位단위를 서로 다른 方式방식으로 이어 붙여 多樣다양한 物質물질을 만듭니다. 物質물질을 이루는 基本기본 單位단위를 單位體단위체라 하고, 單位體단위체가 여러 個개 結合결합해 만들어진 큰 分子분자나 構造구조를 重合體중합체라 합니다. 單位體단위체의 種類종류는 적어도, 몇 個개를 어떤 順序순서로 어떤 方式방식으로 잇느냐에 따라 만들 수 있는 物質물질의 種類종류는 거의 끝이 없습니다.

地殼지각의 大部分대부분을 이루는 硅酸鹽규산염 鑛物광물, 生命생명 活動활동을 맡는 蛋白質단백질, 遺傳유전 情報정보를 담은 核酸핵산은 모두 이런 原理원리로 만들어집니다. 地殼지각에 가장 많은 元素원소가 酸素산소와 硅素규소이고, 生命體생명체의 뼈대가 炭素탄소라는 것은 「元素의 週期性」에서 다루었습니다. 여기서는 이 元素원소들이 어떤 單位體단위체를 이루고, 그 單位體단위체가 어떻게 結合결합해 地殼지각과 生命생명을 만드는지 살펴봅니다.

硅酸鹽규산염 鑛物광물

硅酸鹽규산염 四面體사면체

地殼지각을 이루는 鑛物광물의 90% 以上이상은 硅素규소와 酸素산소를 主成分주성분으로 하는 硅酸鹽규산염 鑛物광물입니다. 硅酸鹽규산염 鑛物광물의 基本기본 單位단위는 硅素규소 原子원자 1個개를 酸素산소 原子원자 4個개가 둘러싼 正四面體정사면체 模樣모양의 構造구조로, 이를 硅酸鹽규산염 四面體사면체라 합니다. 이 電荷전하는 이온의 電荷전하로 따져 보면 分明분명합니다. 硅素규소는 原子價원자가 電子전자 4個개를 모두 내준 $Si^{4+}$으로, 酸素산소는 電子전자 2個개를 받은 $O^{2-}$으로 생각하면, $Si^{4+}$ 하나와 $O^{2-}$ 넷이 모인 $(SiO_4)^{4-}$는 $(+4) + 4 \times (-2) = -4$의 電荷전하를 띱니다. 다르게 말하면 꼭짓점의 酸素산소 하나하나가 硅素규소와 結合결합 하나씩만 이루고 結合결합 하나만큼의 자리를 비워 두고 있어, 四面體사면체 하나에 그런 빈자리가 4個개 있는 셈입니다. 이 電荷전하는 鐵철·마그네슘·칼슘·나트륨·칼륨 같은 陽양이온과 結合결합하거나 이웃한 四面體사면체와 酸素산소를 共有공유하는 方式방식으로 맞춰집니다. 酸素산소 하나를 두 四面體사면체가 함께 쓰면 그 酸素산소의 빈자리가 이웃 四面體사면체의 硅素규소로 채워지므로, 共有공유하는 酸素산소 하나마다 四面體사면체 하나의 電荷전하의 크기가 1씩 줄어드는(−4 → −3) 效果효과가 있습니다.

結合결합 方式방식에 따른 構造구조

硅酸鹽규산염 四面體사면체가 이웃한 四面體사면체와 酸素산소를 몇 個개 共有공유하느냐에 따라 여러 構造구조가 만들어집니다.

四面體사면체 사이에 共有공유하는 酸素산소가 많아질수록 硅素규소에 對대한 酸素산소의 比率비율은 1:4에서 점점 줄어들어, 모든 酸素산소를 共有공유하는 石英석영에서는 1:2가 됩니다. 石英석영의 化學式화학식이 $SiO_2$인 理由이유입니다. 이 比率비율은 單位단위를 세는 方法방법으로 直接직접 求구할 수 있습니다. 共有공유된 酸素산소는 두 四面體사면체가 반씩 나누어 가진다고 보면, 四面體사면체 하나가 혼자 가진 酸素산소는 '共有공유하지 않은 酸素산소 數수 + 共有공유한 酸素산소 數수 × ½'이 됩니다. 單단사슬 構造구조는 酸素산소 2個개를 共有공유하므로 $2 + 2 \times \frac{1}{2} = 3$, 곧 Si:O = 1:3이고, 板狀판상 構造구조는 3個개를 共有공유하므로 $1 + 3 \times \frac{1}{2} = 2.5$, 곧 2:5입니다. 複복사슬 構造구조는 四面體사면체 4個개 가운데 2個개는 酸素산소 2個개를, 2個개는 3個개를 共有공유하므로 Si:O는 $4 : (3 + 3 + 2.5 + 2.5)$, 곧 4:11이 됩니다. 共有공유가 늘수록 酸素산소의 比率비율이 줄고, 陽양이온이 채워야 할 電荷전하도 줄어듭니다. 石英석영에서는 남는 電荷전하가 없어 陽양이온 없이 硅素규소와 酸素산소만으로 結晶결정이 이루어집니다.

構造구조와 性質성질

結合결합 構造구조의 差異차이는 鑛物광물의 性質성질로 드러납니다. 鑛物광물이 特定특정한 方向방향으로 平平평평하게 갈라지는 性質성질을 쪼개짐이라 하는데, 쪼개짐은 結合결합이 弱약한 方向방향을 따라 일어납니다.

雲母운모는 四面體사면체의 板판과 板판 사이를 陽양이온이 弱약하게 묶고 있어, 板판과 나란한 한 方向방향으로 아주 얇게 벗겨집니다. 輝石휘석과 角閃石각섬석은 사슬과 사슬 사이가 弱약하게 결합해 사슬과 나란한 두 方向방향으로 쪼개지는데, 사슬의 굵기가 달라 쪼개지는 두 面면이 만나는 角度각도도 輝石휘석은 거의 直角직각, 角閃石각섬석은 約약 60°와 120°로 다릅니다. 反面반면 石英석영은 모든 方向방향으로 强강한 共有공유 結合결합이 이어져 있어 쪼개짐이 없고, 깨지면 조개껍데기 같은 曲面곡면을 이룹니다.

構造구조는 風化풍화에 對대한 抵抗力저항력과도 關係관계가 있습니다. 獨立型독립형 構造구조인 橄欖石감람석은 四面體사면체 사이를 鐵철·마그네슘 이온이 잇고 있어 地表지표의 물과 空氣공기에 比較的비교적 쉽게 風化풍화되지만, 網狀망상 構造구조인 石英석영은 단단한 共有공유 結合결합으로만 이어져 있어 잘 風化풍화되지 않습니다. 바닷가의 모래가 大部分대부분 石英석영인 것은 다른 鑛物광물이 風化풍화되어 사라지는 동안 石英석영이 끝까지 남기 때문입니다.

鑛物광물의 色색도 構造구조와 成分성분에 따라 다릅니다. 橄欖石감람석·輝石휘석·角閃石각섬석·黑雲母흑운모처럼 鐵철과 마그네슘을 많이 包含포함한 鑛物광물은 色색이 어두워 有色유색 鑛物광물이라 하고, 石英석영·長石장석처럼 鐵철과 마그네슘이 거의 없는 鑛物광물은 色색이 밝아 無色무색 鑛物광물이라 합니다. 地殼지각에서 가장 많은 鑛物광물은 長石장석이며, 花崗巖화강암처럼 밝은 色색의 巖石암석은 石英석영과 長石장석을, 玄武巖현무암처럼 어두운 色색의 巖石암석은 有色유색 鑛物광물을 많이 包含포함합니다.

마그마에서 鑛物광물로

마그마가 식으며 鑛物광물이 만들어질 때는 大體대체로 單純단순한 構造구조의 鑛物광물부터 結晶결정되고, 溫度온도가 내려갈수록 四面體사면체가 더 많이 連結연결된 構造구조의 鑛物광물이 나타납니다. 높은 溫度온도에서는 橄欖石감람석과 輝石휘석이, 낮은 溫度온도에서는 雲母운모와 石英석영이 만들어지는 傾向경향이 있는데, 20世紀세기 初초 캐나다 出身출신의 地質學者지질학자 보엔이 이 順序순서를 實驗실험으로 밝혀 보엔의 反應반응 系列계열이라 부릅니다. 높은 溫度온도에서 結晶결정된 鑛物광물일수록 地表지표의 낮은 溫度온도 環境환경에서 不安定불안정해 쉽게 風化풍화되므로, 風化풍화에 對대한 抵抗저항의 順序순서는 大體대체로 結晶결정 順序순서와 反對반대입니다. 鑛物광물과 巖石암석의 生成생성은 地球科學지구과학 選擇선택 科目과목에서 더 仔細자세히 다룹니다.

蛋白質단백질

아미노산

生命體생명체에서 物質물질 代謝대사를 調節조절하고, 몸의 構造구조를 이루며, 物質물질을 運搬운반하고 病原體병원체를 막는 일의 大部分대부분은 蛋白質단백질이 맡습니다. 蛋白質단백질의 單位體단위체는 아미노산입니다. 아미노산은 中心중심의 炭素탄소 原子원자에 아미노기($-NH_2$), 카복실기($-COOH$), 水素수소 原子원자, 그리고 곁사슬이라 부르는 原子團원자단(R)이 結合결합한 構造구조입니다. 生命體생명체의 蛋白質단백질을 이루는 아미노산은 20種類종류이며, 이들은 곁사슬만 서로 다릅니다. 곁사슬은 물과 잘 어울리는 것, 물을 싫어하는 것, 電荷전하를 띠는 것 等등 性質성질이 多樣다양합니다.

펩타이드 結合결합

한 아미노산의 카복실기와 다른 아미노산의 아미노기가 만나면 물 分子분자 하나가 빠져나오면서 두 아미노산이 結合결합합니다. 이 結合결합을 펩타이드 結合결합이라 합니다. 이렇게 물이 빠지며 두 分子분자가 結合결합하는 反應반응을 脫水탈수 縮合축합이라 하며, 生命體생명체의 重合體중합체는 大部分대부분 이 方式방식으로 만들어집니다. 많은 아미노산이 펩타이드 結合결합으로 길게 이어진 사슬을 폴리펩타이드라 하고, 하나 또는 여러 個개의 폴리펩타이드가 一定일정한 立體입체 構造구조를 이룬 것이 蛋白質단백질입니다.

20種類종류의 아미노산으로 만들 수 있는 사슬의 種類종류는 엄청나게 많습니다. 아미노산 100個개로 된 짧은 사슬만 해도 각 자리에 20가지가 올 수 있으므로 可能가능한 配列배열은 $20^{100}$가지로, 이는 觀測관측 可能가능한 宇宙우주의 原子원자 數수보다 훨씬 큰 數수입니다. 몇 가지 單位體단위체로 거의 無限무한한 多樣性다양성을 만드는 原理원리가 여기에 있습니다.

立體입체 構造구조와 機能기능

蛋白質단백질의 機能기능은 그 立體입체 構造구조에서 나옵니다. 아미노산의 配列배열 順序순서를 1次차 構造구조라 하고, 사슬이 部分的부분적으로 螺旋나선이나 屛風병풍 模樣모양으로 접힌 것을 2次차 構造구조, 사슬 全體전체가 접혀 이룬 立體입체 模樣모양을 3次차 構造구조, 여러 사슬이 모여 이룬 構造구조를 4次차 構造구조라 합니다. 사슬이 접히는 模樣모양은 곁사슬들의 性質성질에 따라 定정해지므로, 結局결국 아미노산의 配列배열이 蛋白質단백질의 模樣모양과 機能기능을 決定결정합니다.

配列배열의 작은 差異차이가 큰 結果결과를 낳기도 합니다. 鎌狀겸상 赤血球적혈구 貧血症빈혈증은 헤모글로빈을 이루는 사슬에서 아미노산 하나가 다른 아미노산으로 바뀐 것이 原因원인입니다. 이 하나의 差異차이 때문에 酸素산소가 적을 때 헤모글로빈 分子분자들이 서로 엉겨 붙어 赤血球적혈구가 낫 模樣모양으로 일그러지고, 좁은 血管혈관을 막거나 쉽게 破壞파괴됩니다.

蛋白質단백질의 立體입체 構造구조는 熱열이나 强강한 酸산·鹽基염기에 依의해 쉽게 무너집니다. 달걀을 익히면 透明투명하던 흰자가 하얗게 굳는 것은 熱열 때문에 蛋白質단백질의 立體입체 構造구조가 풀려 엉긴 것으로, 이를 蛋白質단백질의 變性변성이라 합니다. 아미노산의 配列배열은 그대로이지만 模樣모양이 바뀌면서 機能기능을 잃습니다. 높은 熱열이 生命생명에 危險위험한 것도 몸속 蛋白質단백질이 變性변성되기 때문입니다.

아미노산 配列배열로부터 立體입체 構造구조를 豫測예측하는 일은 오랫동안 生命科學생명과학의 큰 難題난제였습니다. 2020秊代년대에 人工知能인공지능을 利用이용해 配列배열만으로 立體입체 構造구조를 높은 正確度정확도로 豫測예측하는 方法방법이 開發개발되었고, 이 硏究연구와 새로운 蛋白質단백질을 設計설계하는 硏究연구에 2024秊년 노벨 化學賞화학상이 주어졌습니다.

核酸핵산

뉴클레오타이드

生命體생명체의 遺傳유전 情報정보는 核酸핵산에 貯藏저장되어 있습니다. 核酸핵산에는 DNA와 RNA가 있으며, 그 單位體단위체는 뉴클레오타이드입니다. 뉴클레오타이드는 燐酸인산, 炭素탄소 5個개로 된 糖당, 鹽基염기가 1:1:1로 結合결합한 構造구조입니다. DNA의 糖당은 디옥시리보스, RNA의 糖당은 리보스입니다.

한 뉴클레오타이드의 燐酸인산이 다음 뉴클레오타이드의 糖당과 結合결합하면서 뉴클레오타이드들이 길게 이어집니다. 그 結果결과 糖당과 燐酸인산이 번갈아 이어진 뼈대에 鹽基염기가 곁가지처럼 붙은 긴 사슬, 곧 폴리뉴클레오타이드가 만들어집니다. 이 結合결합 亦是역시 물 分子분자가 빠지는 脫水탈수 縮合축합입니다. 糖당의 炭素탄소 5個개에는 鹽基염기를 이루는 原子원자의 番號번호와 區別구별하려고 1′부터 5′까지 프라임(′)을 붙인 番號번호를 매기는데, 燐酸인산은 한 糖당의 3′ 炭素탄소와 다음 糖당의 5′ 炭素탄소를 잇습니다. 이 結合결합을 燐酸인산다이에스터 結合결합이라 합니다. 結合결합이 언제나 3′와 5′ 사이에서 이루어지므로 사슬의 한쪽 끝에는 5′ 炭素탄소에 붙은 燐酸인산이, 다른 쪽 끝에는 3′ 炭素탄소의 -OH가 남아, 폴리뉴클레오타이드는 5′ 끝에서 3′ 끝으로 向향하는 方向性방향성을 갖습니다.

DNA의 二重이중 螺旋나선

1953秊년 美國미국의 왓슨과 英國영국의 크릭은 DNA가 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드가 꼬인 二重이중 螺旋나선 構造구조라는 모델을 發表발표했습니다. 여기에는 英國영국의 프랭클린이 X線선으로 찍은 DNA의 回折회절 寫眞사진이 決定的결정적인 端緖단서가 되었습니다.

二重이중 螺旋나선에서 糖당-燐酸인산 뼈대는 바깥쪽에, 鹽基염기는 안쪽에 있으며, 두 가닥의 鹽基염기가 水素수소 結合결합으로 짝을 짓습니다. 이때 A는 언제나 T와, G는 언제나 C와 짝을 이룹니다. 이렇게 짝이 定정해지는 것은 鹽基염기의 크기와 模樣모양이 이 組合조합에서만 꼭 맞기 때문입니다. A와 T 사이에는 水素수소 結合결합이 2個개, G와 C 사이에는 3個개 생깁니다. 이처럼 서로 定정해진 짝끼리만 結合결합하는 性質성질을 相補性상보성이라 합니다. 두 가닥은 서로 反對반대 方向방향으로 놓여 있어, 한 가닥이 5′→3′ 方向방향으로 내려가면 짝을 이루는 가닥은 같은 자리에서 3′→5′ 方向방향으로 놓입니다. 이를 逆平行역평행이라 합니다. 鹽基염기 짝이 꼭 맞으려면 두 뼈대가 이렇게 反對반대로 놓여야 합니다. DNA가 複製복제될 때 새 가닥이 언제나 5′→3′ 方向방향으로만 자라는 것은 DNA 重合중합 酵素효소가 3′ 끝의 -OH에만 뉴클레오타이드를 붙일 수 있기 때문이며, 두 가닥이 逆平行역평행이므로 한쪽 가닥은 끊어 가며 合成합성됩니다.

相補性상보성 덕분에 한 가닥의 鹽基염기 配列배열을 알면 다른 가닥의 配列배열도 저절로 定정해집니다. 細胞세포가 分裂분열하기 前전 DNA가 複製복제될 때 두 가닥이 풀리고 각 가닥을 틀로 삼아 새 가닥이 만들어지므로, 똑같은 DNA 두 벌이 생깁니다. 왓슨과 크릭은 論文논문에서 이 構造구조가 遺傳유전 物質물질의 複製복제 方式방식을 곧바로 示唆시사한다는 點점을 짧게 指摘지적했습니다. 水素수소 結合결합은 共有공유 結合결합보다 弱약해 두 가닥이 쉽게 풀렸다가 다시 붙을 수 있는데, 「化學 結合과 物質의 性質」에서 본 물 分子분자 사이의 水素수소 結合결합이 DNA에서는 遺傳유전 情報정보를 安全안전하게 保存보존하면서도 읽고 複製복제할 수 있게 하는 구실을 하는 셈입니다.

鹽基염기 配列배열과 遺傳유전 情報정보

DNA의 遺傳유전 情報정보는 4種類종류 鹽基염기의 配列배열 順序순서에 담겨 있습니다. 文字문자 4個개로 된 글이라고 할 수 있습니다. 사람의 DNA에는 約약 30億억 쌍의 鹽基염기가 있고, 그 가운데 蛋白質단백질을 만드는 情報정보를 담은 遺傳子유전자는 約약 2萬만 個개로 알려져 있습니다. 遺傳子유전자의 鹽基염기 配列배열은 蛋白質단백질의 아미노산 配列배열을 정하는데, 鹽基염기 3個개가 아미노산 하나를 指定지정합니다. DNA의 情報정보가 RNA를 거쳐 蛋白質단백질로 옮겨지는 過程과정은 生命생명 시스템의 情報정보 흐름을 다룰 때 仔細자세히 살펴볼 內容내용입니다.

地殼지각과 生命생명의 共通공통된 原理원리

硅酸鹽규산염 鑛物광물, 蛋白質단백질, 核酸핵산은 서로 전혀 다른 物質물질처럼 보이지만 같은 原理원리를 따릅니다.

差異차이도 있습니다. 硅酸鹽규산염 鑛物광물에서는 四面體사면체들이 規則的규칙적인 반복 構造구조를 이루며, 連結연결하는 方式방식이 性質성질을 決定결정합니다. 反面반면 蛋白質단백질과 核酸핵산에서는 單位體단위체가 한 줄로 이어지되 그 順序순서가 情報정보를 담습니다. 硅素규소가 酸素산소와 단단히 結合결합해 無機物무기물의 그물을 이루는 동안, 炭素탄소는 다른 炭素탄소와 사슬을 이루어 情報정보를 담을 수 있는 긴 分子분자를 만들었습니다. 「元素의 週期性」에서 본 硅素규소와 炭素탄소의 差異차이가 地殼지각과 生命생명이라는 두 世界세계의 差異차이로 나타난 것입니다.

整理정리

地殼지각의 바위와 우리 몸의 蛋白質단백질, 遺傳子유전자는 크기도 性質성질도 전혀 다르지만, 모두 몇 가지 單位體단위체를 반복해서 이은 結果결과입니다. 무엇을 單位단위로 삼고 그것을 어떻게 잇느냐에 따라 단단한 石英석영이 되기도 하고, 酸素산소를 나르는 헤모글로빈이 되기도 하며, 生命생명의 設計圖설계도가 되기도 합니다.