7급 공무원 및 기사시험 대비 생물학개론 핵심 요점 정리 2. 생명의 기초

생명현상에 대한 화학적
수준의 이해
 생물학은 여러 수준에서 생명체의 연구
가 이루어진다.
- 생물연구는 원자단계에서부터 생태계
까지 다양한 관점에서 이루어진다.
 세포는 서로 협동하는 거대한 수의 화학
물질로 구성되어 있다.
 유전의 화학물질인 DNA도 원자에 의해
구성되며 세포내에서 생명활동을 하는
데 신호물질로도 원자가 요구된다.

 

물질, 에너지와 생명
 모든 생명체는 여러 형태의 물질로 구성되어 있고, 에너지 사용과정을 수
행한다.
 물질; 질량과 부피를 가지고 있는 것이다.
 에너지 ; 일을 하거나 물체를 움직일 수 있는 능력이다.
- 운동에너지 ; 움직임의 에너지
- 잠재에너지 ; 아직은 일을 하지 않고 있는, 저장 에너지로 생명체가 일을
할 수 있는 운동에너지로 전환할 수 있는 잠재력을 가진다.
 화학 ; 물체의 조성, 구조, 성질과 물체가 수행하는 변화에 관해 연구하는
학문이다.

 

에너지 보전의 법칙과 에너지 형태
 열역학 제 1법칙(에너지 보전의 법칙) ; 에너지는 결코 만들어지거나 소멸
되지 않는다. 전체 에너지양은 일정하다. 에너지 전환 즉, 운동에너지와
잠재에너지 사이의 전환이 일어난다.
 에너지의 형태
- 기계적 에너지 ; 운동에너지
- 핵에너지 ; 원자핵에서 일어나는 반응에서 나오는 에너지
- 전기에너지 ; 전하를 띤 입자의 흐름의 결과 나오는 에너지
- 복사에너지 ; 열과 가시광선 및 X-선과 극 초단파
- 화학에너지 ; 물체에 저장되어있는 잠재에너지로 화학물질이 다른 형태
로 전환될 때 운동에너지로 방출될 수 있다.

 

물질의 성질은 무엇인가?
 원자
- 물질의 가장 작은 단위로 존재할 수 있는 단위
 원소
- 같은 종류의 원자로 구성된 화학물질
- 주기율표에 나열되어 있다
- 각 원소는 1개 또는 2개 글자의 기호로 나타낸다.

 

기초적인 화학

 생물학적 시스템(메커니즘) 분해, 분석하면 결국 화학적 수준으로 귀결
된다. 

주기율표

- 지구상에 존재하는 모든 물질(공간을 차지
하고 질량을 가지며 고체, 액체, 기체 상태
로 존재)은 원소로 구성되어 있고 더 이상
나누어질 수 없는 물체이다 .

 

 자연계에 존재하는 원소 92개 중 25개는 생명체 꼭 필요하다.
- 생물체에 대부분을 차지하는 산소(O), 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 칼슘
(Ca), 인(P), 등과 0.01% 이하를 차지하는 미량원소들로 구성되어 있다.
- 미량원소는 생물체의 구성에 요구량은 매우 적지만 미량원소가 부족한
경우 생명활동에 필요한 생물학적 시스템에 영향을 주어 질병을 유발 및
생명유지에 위험을 초래할 수 있다.
- 산소, 탄소, 수소, 질소가 96.3%
- 칼슘, 인, 칼륨, 황, 나트륨, 염소, 마그
네슘 이 3.7%
- 0.01% 이하의 미량원소로는 붕소, 크롬,
코발트, 구리, 불소, 요오드, 철, 망간,
몰리브덴, 셀렌, 규소, 주석, 바나듐, 아연 등이 있다.

 

* 원자

 “나눌 수 없는” 의 그리스어에서 유래
- 그 원소의 성질을 가진 가장 작은 단위의 물질
 화학 원소로서의 특성을 유지하는 입자로는 원자가 가장 작은 단위이다.
- 전자, 양성자, 중성자 등의 존재가 밝혀지면서 원자가 쪼갤 수 없는 단일
입자가 아니고 복잡한 구조를 가진다는 것이 밝혀지면서 소립자라고 하
는 한 무리의 입자가 물질의 궁극입자로 연구되고 있다.
- 그러나 화학 원소로서의 특성을 유지하는 입자로는 여전히 원자가 가장
작은 단위이다.

원자의 구조

 원자들은 세 개의 원자구성입자들로 구성
- 양성자, 전자, 중성자
 원자번호
- 특정원자의 수를 나타내며 어느 원소인지 결정
 원자량
- 원자핵의 양성자와 중성자의 합
- 전자 크기는 양성자의 1/2,000 이나 전자구름은 핵에 비해 엄청
나게 크다.

 생명체에 가장 많은 4가지 원소의 원자들

* 원소

 같은 원소의 원자는 같은 수의 전자
와 양성자를 갖는다.
- 따라서 중성 전하를 갖는다.
 동위 원소
- 다른 중성자 수를 갖고 있는 동일한
원소의 원자
- 원자량- 혼합물속에 모든 동위 원소
의 평균
 질량수
- 핵 속에 양성자와 중성자의 총합

수소의 동위원소

* 동위원소

 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소
- 양성자와 전자 수는 동일하지만 중성자수가 다르다.
 방사성 동위원소는 원자구성입자와 에너지를 발산하면서 핵이 붕괴된다.
- 자연계에 일정한 빈도로 존재하며, 방사선을 방출하여 안정된 상태의 동위
원소로 붕괴하는 14종의 방사성 동위원소가 존재한다.
- 방사선은 아주 미량이 존재해도 쉽게 검출할 수 있어 물질의 이동을 추적
할 수 있다.
- 방사선의 투과과정에서 물질에 물리적 또는 화학적 작용을 주고 또한 물질
에 따라 투과산란 등의 작용이 다르다는 특성을 이용하여 생물학을 비롯
한 여러 분야에서 사용된다.

 

* 분자의 형성과 운동에너지
 분자는 화학 결합에 의해 연결된 2개 또는 그 이상의 원자로 구성된다.
 화합물은 화학 결합으로 결합된 2개 또는 그 이상의 원소로 만들어진 화합
물이며, 화학식은 화합물을 포함하는 원소의 성질과 비율을 서술하고 있다.
 분자는 항상 움직이고 있다.
 온도는 분자의 평균 속도를 측정한다.
- 속도가 빠를수록 온도는 더 높다.
- 화씨 또는 섭씨로 측정한다
 열은 분자의 전체 운동 에너지를 측정한 것이다.
칼로리(1g 물을 1℃ 올리는데 필요한 열량)로 측정.
 열과 온도는 연관되어있다.
- 열을 물질에 가하면 분자 운동 속도는 증가하고 온도는 올라간다.
 

* 운동에너지, 물리적 변화와 물질의 상
 물질의 세가지 상: 고체, 액체, 기체
 물질의 상은 운동에너지와 물질간의 인력의 세기에 달려있다.
- 고체; 강력한 인력, 낮은 운동에너지; 분자운동은 거의 없음
- 액체; 인력을 극복할 만큼의 운동에너지; 더 많은 분자운동
- 기체; 높은 운동에너지, 거의 인력이 없음; 최대의 분자운동
 화학 반응
- 화학 결합은 형성하고 절단 함으로서 다른 화합물을 만든다
- 원자들은 바깥 전자 에너지수준을 채우기 위해 화학결합을 함으로서 안정성을 얻는다.

 

* 화학 결합과 분자

 원자 또는 원자단의 집합체에서 구성원자들 간에 작용하여 그 집합체를 하
나의 뚜렷한 단위체로 간주할 수 있게 하는 힘.
- 이온결합: 하나 또는 그 이상의 전자가 하나의 원자에서 다른 원자로 이동
할 때 양이온과 음이온 간에 작용하는 정전기적 힘에 의해 형성되는 화학
결합.
- 공유결합: 두 개의 원자들이 최외각 전자를 한 쌍 이상 공유할 때 형성.
- 금속결합: 모든 금속에서 나타나는 결합.

* 이온결합

 이온결합: 1개 또는 그 이상의 전자가 하나의 원자에서 다른 원자로 이동
할 때 양이온과 음이온 간에 작용하는 정전기적 힘에 의해 형성되는 화
학결합.
 이온(Ion)
- 전자를 잃거나 얻어서 전기를 띤 원자 또는 원자단
- 양전하를 띤 이온을 양이온, 음전하를 띤 이온을 음이온이라 한다.
- 중성인 분자가 전자를 잃거나 얻는 것을 이온화(전리)한다고 하고, 이렇
게 생성된 이온의 전하량은 잃거나 얻은 전자의 개수에 잃으면 (+), 얻으
면 (-)로 나타낸다.

이온 형성

 

* 공유결합

 두 개의 원자들이 최외각 전자를 한 쌍 이상 공유할 때 형성.

* 물의 구조

 물 분자의 구조는 두 개의 수소원자가 하나의 산소원자에 단일결합으로
이루어진 간단한 구조이다.
- 산소는 수소보다 더 강하게 공유결합의 전자를 끌어 당기게 되어 물 분자
가 극성을 가질 수 있게 된다.
- 물의 극성은 이웃의 물 분자들 사이에 약한 전기적 인력을 발생시켜 수소
결합이 형성된다.

* 생명현상을 지지하는 물의 특성

 물이 생명현상을 지지할 수 있는 물의 4가지 특성
- 물의 응집력 ; 물 분자의 수소결합
- 온도 변화를 완화시키는 능력 ; 증발냉각
- 얼음이 물에 뜨는 성질; 물의 밀도가 얼음의 밀도보다 높음.
- 용매로서의 물; 다양한 용질을 녹이며, 극성분자를 녹인다.

 

물의 응집력

 물의 응집력 ; 물 분자는 수소결합에 의한 분자간의 결
합이 강하며, 다른 액체에 비해 그 힘이 강하다.
- 생명체에서 가장 중요한 물의 특성
- 물의 응집력은 비정상적 물의 표면장력을 가지게 한다.
- 열이 물의 수소결합을 끊는데 에너지를 사용하여 많은
에너지를 흡수하며 저장한다.
 
- 반대로, 차가워질 때 물은 수소결합을 형성하며 에너지를 발산한다.
- 따라서, 지구상 물의 존재는 태양의 막대한 열을 저장하고 발산하는 온도변
화에 강한 저항성을 가짐으로써 생물체가 살 수 있는 환경을 만들 수 있다.
- 부산과 같은 해안지대의 온난한 기온은 바다의 근접한 환경의 영향이다.

 

* 온도 변화를 완화시키는 능력

 

 온도 변화를 완화시키는 능력 ; 증발냉각
- 증발; 액체 표면의 분자 중에서 분자 간의 인력을 극복할 수 있을 만큼 에
너지가 높은 입자들이 분자간의 인력을 끊고 기체상으로 튀어나와 기화
되는 것을 증발이라고 한다.
- 증발되고 남은 액체는 증발열의 방출로 열을 빼앗겨 평균 운동 에너지가
낮아져 온도가 내려간다. 따라서 외부에서 증발 과정에서 잃어버린 만큼
의 열량이 보충 되어야 증발이 계속 일어날 수 있다.
- 증발이 일어날 때 주변이 시원해지는 것은 증발 과정에서 열의 흡수가
일어나기 때문이다.

 얼음이 물에 뜨는 성질
- 일반적으로 액체가 냉각되면 분자들은 서로 가까워져서 밀도가 높아진다.
- 물 분자는 얼음 상태가 되면 분자간 거리가 멀어져서 밀도가 낮아진다.
- 밀도가 낮은 얼음이 물에 뜨며, 표면에서 얼음이 차가운 대기가 물속의 열
을 뺏지 못하게 단열재 역할을 해서 물 속 생명체의 생명유지가 가능하다.

 용매로서의 물; 물 분자는 수소 쪽에 부분적인 양전하를 띠고 산소 쪽에 부
분적인 음전하를 띤 극성 분자이다. 극성 분자들은 극성 분자들과 서로 잘
섞이며 염화나트륨과 같은 이온 결합 물질을 잘 녹이는 성질이 있다.
- 용액; 두 종류 이상의 물질이 고르게 섞여 있는 혼합물로 일반적으로는 기체, 액체,
고체 상태의 용질이 액체 상태의 용매에 녹아 있는 혼합물
- 용질; 용매에 용해하여 용액을 만드는 물질
- 용매; 용질을 녹여 용액을 만드는 물질, 대부분 액체이며, 액체와 액체로 구성된 용
액에서 양이 더 많은 액체를 용매, 더 적은 액체를 용질로 본다
- 수용액; 용매가 물일 때 만들어진 용액
- 모든 세포, 혈액, 식물의 수액에서 물이 용매
- 용매인 물은 화학반응의 매질

 

* 화학 반응

 물질의 화학적 조성의 변화를 화학반응이라 한다.
- 세포는 이미 존재하고 있는 화학결합을 부수고, 새 결합을 형성하면서 분자
들을 재배치 한다.
- 화학반응은 물질 자체를 만들거나 없앨 수 없고 단지 재배치를 하여 반응물
로부터 생성물을 유도한다.

* 산화환원반응

 

 한 원자에서 다른 원자로 전자가 전달되고, 전자의 에너지도 전달되어 일어
나는 화학적 변화이다. 이 반응은 두 부분으로 이루어진다.
- 산화는 원자가 전자를 잃는 것
- 환원은 원자가 전자를 얻는 것
 산화가 일어나면 환원도 반드시 함께 일어나며, 세포호흡은 모든 세포에서
일어나는 산화-환원 반응이다.
 세포호흡에서 당은 산화되고 산소는 환원되며, 당 분자에 있던 많은 화학
잠재에너지가 방출되어 일부는 생명체가 일은 하는데 사용된다.

 

* 탈수합성 반응

 

 탈수합성반응 ; 덜 복잡한 부분으로부터 더 복잡한 분자를 생성(합성)하면
서 물이 방출되는 화학반응이다.

 단백질은 많은 수의 아미노산
단위체가 수가 탈수합성 반응
에 의해 연결되어 있다.
 탈수합성 반응에서 작은 반응
물이 화학결합으로 서로 연결
되어 더 큰 생성물 분자를 형성
하면서 물이 생성된다.

 

* 가수분해 반응

 가수분해 반응은 탈수합성 반응의 역 반응으로 물 분자는 반응물을 크기가
작은 생성물로 분해하는 데에 사용된다.
 고기 등의 단백질 음식이 소화되는 과정에서 일어나며 반응물인 물 분자의
H와 OH가 단위체 생성물의 일부가 된다.
 가수분해 반응에서 반응물과 거대 분자가 작은 단위체로 분해될 때에 사용
되며, 생명체내에서 단백질, 탄수화물의 분해과정에 관여하며, 산, 염기, 혹
은 효소의 촉매작용에 의해 촉진된다.
 에틸아세테이트와 물과 반응하면, 아세트산과 에탄올을 생성하게 된다.

* 인산화반응

 산소와 인 원자들의 뭉치인 인산기 원자의 집단이 다른 분자에 가해질 때
일어나는 반응으로 많은 화학 구조식에서 P로 줄여서 쓰며, 인산기가 한 분
자에서 다른 분자로 전달될 때 P만 표시한다.
 인산기와 다른 원자 사이의 결합은 잠재에너지가 들어 있어서 모든 세포가
수많은 생리학적 활동을 수행하는데 사용된다.
- 이 결합이 끊어질때 방출된 에너지는 세포의 생명활동을 위해 쓰인다.
- 인 산화 반응은 보통 위치에너지를 전달하는데 쓰인다.
( Q-P + Z → Q + Z-P )

 

 

* 산-염기반응

 산-염기 반응은 산 이온이 염기 이온과 상호작용하여 염과 물을 형성할 때
에 일어난다.
 산이 들어있는 수소이온 용액에 염기 화합물이 가해지면 이온 혼합물이 되
며, 이들이 서로 섞일 때 반응이 일어난다.
- H+ Cl- + Na+ OH- → Na+ Cl- + H+ OH-
염산 + 가성소다 소금 + 물
- 산에서 나온 H는 염기에서 나온 OH와 화학결합을 이루는데, 이런 반응은
생명체와 그 주변 환경에서 흔히 일어난다.
- 산과 염기는 해로우므로, 산과 염기가 중화되는 반응은 생명체를 보호한다.

 

* 산 염기와 염

 

 산
- H+ 이온을 용액으로 방출하는 이온 화합물
- 인산, 염산
 염기
- OH- 이온을 용액으로 방출하는 화합물
- 가성소다, 암모니아
 염기는 음(-)전하를 띠기 때문에 용액에서 양(+)전하와 반응한다.
 산 또는 염기의 세기는 물에서 얼마나 완전히 해리하는가에 의해 결정된다.
- 강산은 거의 모든 H+ 이온을 물로 방출된다.
- 강 염기는 거의 모든 OH- 이온을 물로 방출된다.

 

 

* 염

 산도 아니고 염기도 아니다
 산과 염기가 반응할때 보통 형성된다
- 해리된 H+ 와 OH- 이온들이 결합하며 H2O을 만든다.
- 남은 이온들은 이온화 결합을 하여 염을 만든다.
- 이온 중화의 한 예이다:

* 산과 염기 그리고 pH
 산(Acid)은 용액에 H+ 이온을 내놓는 화합물이며,
염기(Base or Alkali); H+ 이온을 받아들여 용액의
H+ 이온을 제거하는 화합물
 pH; 용액의 산성도를 표현하기 위한 척도.용액의
수소이온지수 즉, 수소이온농도를 지수로 나타낸
것. pH = log10(1/[H+])= -log10[H+]
- 높은 H+ 이온농도의 용액은 낮은 pH, 산성
- 낮은 H+ 이온 농도의 용액은 높은 pH, 염기성
 pH의 1단위가 다른 용액 사이에 H+ 이온 농도의
차이는 10배 이다.
 살아있는 세포 내 용액의 pH는 7에 가깝다.