2. 거대 분자
1만 이상의 분자량을 지닌 고분자로, 다수의 원자로 이루어진 경우 우리는 이를 거대분자라 부르고 있다. 또한 이런 생체분자는 단량체라고 부르는 작은 분자들이 공유결합하면서 중합체를 이룬다. 생명 계에서는 단백질과 탄수화물, 핵산을 포함하고 있다. 지질은 비록 중합체는 아니지만 거대분자로 포함하고 있다. 단백질은 20가지 아미노산이 화학적 유사성을 공유하며 조합을 이루고 있다. 탄수화물은 화학적으로 유사한 단당류를 연결하면서 다당류를 형성한다. 핵산은 4종류의 뉴클레오타이드가 긴 사슬로 연결된 형식이다. 비록 지질은 중합체를 이루지는 않지만 작은 분자들이 공유결합으로 조합되어 있는 이 힘은 비공유 결합력에 의해 유지된다. 거대분자 안에 특정 원자들의 구조인 작용기를 통해 화학 반응적 특성과 화합물의 성질을 가진다. 여러 특성 중의 하나인 극성을 찾기 위해서 우리는 C-O, N-H, P-O 등 특정 결합 부위를 찾아보면 된다. 이러한 작용기의 일관된 화학적 행동을 통해 우리는 거대 분자들의 특성을 이해할 수 있다.
작용기의 몇 가지 예는 아래와 같다.
수산기: 극성, 분자가 녹는 것을 도와주며, 탈수반응으로 다른 분자와 연결하게 도와준다.
케톤기: 극성, C=O기는 탄수화물과 에너지 반응에 중요한 역할을 한다.
카복실기: 전하를 띠고 산성, 생체 조직에서 이온화하며, 탈수반응에서 -OH를 잃는다. 일부는 에너지방출 반응에 중요한 역할을 한다.
알데하이드기: 극성, C=O기는 반응성이 높다. 에너지방출 반응에서 중요한 역할을 한다.
아미노기: 전하를 띠며 염기성, 생체 조직에서 H+을 받아 -NH3+을 형성한다. 탈수반응에 참여하는 과정에서 H+를 읺는다.
메틸기: 비극성, 다른 비극성 분자 간의 상호작용과 에너지 전달에 있어서 중요하다.
인산기: 전하를 띠며 산성, 탈수반응에 참여하며 -OH를 잃는다. 인산 간의 결합에서 가수분해한다면 많은 에너지가 방출된다.
황화수소기: -SH 두 개가 반응하며 H를 잃으면서 2 황화 결합을 형성한다. 이를 통해 단백질 구조가 견고해진다.
이렇게 거대분자는 많은 작용기를 가지고 있다. 이를 통해 만들어진 단백질은 소수성, 극성, 전하를 가진 작용기를 가지는 데 이런 작용기를 가지고 있는 부분마다 서로 다른 성질을 가지고 있다. 이런 서로 다른 작용기가 같은 거대분자 안에서 상호작용하기도 한다. 또한 다른 분자와의 상호작용도 일어나며, 작용기를 통해 거대분자 모양이 결정된다. 이런 작용기의 배열은 서로 다르기 때문에 원자가 같다고 해서 구성된 분자들이 같다는 것은 아니다. 여기서 이성질체는 같은 종류, 수의 원자를 가지고 있지만 원자의 배열이 다르기 때문에 다른 분자이다. 여러 이성질체 중 첫 번째 구조 이성질체가 있다. 구조 이성질체는 원자들이 연결되는 방식이 아예 다르다. 이들의 원자는 서로 다른 두 가지 방식으로 연결되면서 다른 분자를 형성한다. (ex) 뷰테인, ISO 뷰테인) 두 번째, 시스 트랜스 이성질체가 있다. 일반적으로 두 탄소 사이에 이중결합을 가지며 두 전자쌍을 공유한다. 탄소의 나머지 두 결합에서 다른 원자들과 형성할 때, 이중결합 분자와 같은 쪽 또는 다른 쪽을 선택할 수 있다. 같은 쪽이라면 시스 다른 쪽이라면 트랜스라고 하며 이때 만들어진 두 분자는 매우 다른 특성을 가진다. 세 번째로 광학 이성질체가 있다. 탄소에 4개의 서로 다른 원자들이 결합할 때 나타난다. 이에 따라 서로 거울을 마주 보는 형태의 분자가 생성된다. 이러한 탄소 원자를 비대칭 탄소라고 하며 이때 생긴 두 분자는 서로에 대해 광학 이성질체이다. 이 외에도 많은 이성질체 종류가 존재한다.
거대분자의 구조를 통해 기능을 알 수 있다. 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산의 거대분자는 모든 생물에서 거의 같은 비율로 존재한다. 또한 특정 단백질은 사람과 나무 사이에서 유사한 구조와 기능을 가지는데, 이를 통해 우리는 공통 조상으로부터 진화해 왔다는 것을 알 수 있다. 여러 거대분자는 에너지 저장, 촉매, 수송, 구조 지지, 방어, 정보 저장과 같은 기능을 수행한다. 분자당 1개의 기능만 수행하는 것이 아니라 그 이상도 수행할 수 있다. 거대분자들의 역할은 반드시 배타적인 것은 아니다. 탄수화물과 단백질이 모두 구조적인 역할을 해서 조직과 기관을 보호하지만, 핵산은 정보 저장과 전달에 특화되어 있다. 이런 거대분자는 세대 간 종과 개체 형질을 운반하는 유전물질로 이용된다. 거대분자를 구성하는 단량체들과 작용기로 인한 화학 반응적 특성은 거대 분자의 구조와 기능을 결정한다. 일부는 친수성이며, 다른 분자와의 상호작용을 가능케 하는 표면 특성을 가진다. 일부 단백질과 탄수화물에서 내구성이 뛰어나고 견고한 긴 섬유구조를 형성한다. 누에가 만드는 섬유는 거미가 만드는 섬유가 같은 특성을 가진다는 것에서 알 수 있듯이 이런 독특한 구조들은 기원에 상관없이 환경 사이에서 결정될 수 있다. 거대분자는 축합(탈수)반응에 의해 형성되며 가수분해반응에 의해 분해된다. 중합체는 단량체들의 축합 반응에 의해 생성된다. 이런 반응은 단량체 사이에서 공유결합을 하며 이때마다 H2O가 방출된다. 중합체를 만들 때 부분적으로는 다를 수 있지만 결과적으로 물 분자 한 개가 제거되면서 에너지가 추가될 때 중합체가 형성되는 과정은 같다. 또한 중합체는 가수분해반응을 통해 단량체로 분해된다. H2O의 공유결합이 끊어지면서 H+와 OH-로 분해되면서 각각은 반응 산물의 일부로 흩어진다.
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