신나는 생물공부 (6): 물의 화학

 

오늘은 캠벨 생명과학 3장, 물의 화학에 대해 알아보겠습니다!

 

생명체에 있어서 "물" 즉, H2O 은 아주아주 중요한 요소입니다.

저희가 당연히 물을 마시지 않으면 살 수 없는 것과 더불어서...

우리 세포 속에도 물이 있고, 물이 없다면 많은 분자들이 그냥 덩어리로 존재하여, 아무런 화학반응에도 참여하지 못하고, 그냥 돌덩이나 다름 없다고 해도 과언이 아닙니다 ^^;

 

그럼 물의 화학에 대해 조금 더 자세히 살펴 볼까요?

 

물의 중요성: 

물의 중요성은 분자 구조를 뛰어넘어 생명의 본질 그 자체입니다. 물이 없다면 우리가 알고 있는 생명은 더 이상 존재하지 않을 것입니다. 물은 바다 깊은 곳부터 가장 높은 산의 정상까지 생태계를 유지하고 복잡한 생명의 그물을 지탱합니다. 물의 중요성은 갈증 해소뿐만 아니라 필수적인 생물학적 과정을 촉진하는 데 있습니다.

물의 용매 역할은 생명의 기본입니다. 물은 인체 내에서 영양소와 가스, 노폐물 등을 세포와 세포 사이를 오가는 매개체 역할을 합니다. 이온과 분자를 용해시켜 생명을 유지하는 생화학적 반응을 촉진합니다. 또한 물의 용매 특성으로 인해 관절을 매끄럽게 하고, 섬세한 조직을 보호하며, 체온을 조절할 수 있어 생리 작용이 원활합니다.

게다가, 물의 온도를 조절하는 능력은 항상성을 유지하기 위해 가장 중요합니다. 그것의 높은 비열 용량은 바다와 호수와 같은 큰 물이 온도의 급격한 변화 없이 열 에너지를 흡수하고 저장할 수 있도록 합니다. 이 열 완충 효과는 기후를 안정화시켜 생명체에 적합한 서식지를 만듭니다. 더 추운 지역에서는, 물이 저장된 열을 방출하여 온도를 극단적으로 조절하고 주변 환경에 따뜻함을 제공합니다.

 

물의 독특한 화학적 특성:

물의 놀라운 성질은 분자 구조와 구성 원자들 간의 상호작용에서 비롯됩니다. 분자 수준에서 물은 산소 원자 하나에 2개의 수소 원자가 공유 결합하여 구부러진 모양을 만듭니다. 이 분자 배열은 물에 극성을 부여하는데, 산소는 수소보다 전자를 더 강하게 끌어당겨 부분적인 양전하와 음전하를 만듭니다.

물의 극성은 이웃한 물 분자와 다른 극성 또는 전하를 띤 물질들과 수소 결합을 형성할 수 있게 합니다. 이 수소 결합은 물의 응집력, 물 분자의 결합 경향, 즉 표면 장력을 발생시키고 모세관 현상을 가능하게 합니다.

물의 또 다른 놀라운 특성은 큰 온도 변화 없이 많은 양의 열 에너지를 흡수하고 방출할 수 있는 높은 비열 용량입니다. 이 특성은 수생 환경과 육상 환경 모두에서 온도를 조절하는 데 필수적입니다. 

또한 물은 다양한 물질을 잘 녹여내어 생물학적 시스템에 보편적인 용매로 사용됩니다. 용매의 특성으로 인해 이온과 분자에 수분을 공급하여 세포 내에서 화학 반응과 대사를 촉진할 수 있습니다. 또한 용매의 역할로 인해 생물체 전체에 영양분, 가스, 노폐물을 운반하여 모든 단계에서 생명을 유지할 수 있습니다.

만능 용매로서의 물:

물은 다양한 물질을 잘 녹여내어 생명체의 보편적인 용매입니다. 물의 극성과 극성 또는 전하를 띤 다른 분자와 수소 결합을 형성하는 능력에서 용매라는 이 성질이 나타납니다. 물에 용질이 첨가되면 물 분자가 용질 입자를 둘러싸고 상호 작용하여 이온 또는 극성의 공유 결합을 끊고 용질을 용매에 분산시킵니다.

물의 용매 역할은 세포 내에서 영양분 운반, 노폐물 제거, 화학반응 등 생물학적 과정에 필수적입니다. 예를 들어 다세포 생물체에서 물은 세포와 조직 사이에서 영양분과 가스를 운반하는 매개체 역할을 합니다. 식물체에서는 물이 특수한 용기를 통해 뿌리에서 잎으로 이동하면서 용해된 미네랄과 신진대사에 필수적인 당을 운반합니다.

또한 물의 용매 특성은 반응물이 접촉하고 반응할 수 있는 매개체를 제공함으로써 화학반응을 쉽게 할 수 있게 해줍니다. 물이 반응물이나 생성물의 역할과 용매의 역할을 동시에 하는 수성 환경에서는 세포 내에서 많은 생화학적 반응이 일어납니다. 예를 들어, 물 분자가 복잡한 분자를 좀 더 단순한 성분으로 분해하는 가수분해 반응은 음식물의 소화와 세포 내 에너지 방출에 필수적입니다.

생물학적 시스템의 물:

물은 생물 분자, 세포, 조직의 구조와 기능을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 물은 극성, 응집력, 다양한 물질을 용해시키는 능력을 포함한 고유한 특성으로 인해 생물체의 필수 요소가 됩니다.

생물학적 시스템에서 물은 생화학 반응의 용매 역할을 하며 세포와 조직 내에서 영양소, 가스, 노폐물을 운반할 수 있습니다. 예를 들어 혈장 내에서 물은 용존산소, 영양소, 호르몬, 대사성 노폐물 등을 운반하여 신체 곳곳의 세포와 세포 사이를 오갑니다. 마찬가지로 세포의 세포질에서도 물은 효소 반응의 매개체 역할을 하며 단백질, 지질, 핵산 등의 생체 분자의 합성과 영양소 분해를 촉진합니다.

물의 용매 역할은 생물 분자의 구조와 기능에도 있습니다. 생명의 구성 요소인 단백질, 핵산, 막은 안정성, 유연성, 기능을 물에 의존합니다. 예를 들어, 물 분자는 단백질의 아미노산 측쇄와 수소 결합을 형성하여 입체적인 구조와 안정성에 기여합니다. 마찬가지로 물 분자는 핵산의 인산기에 수분을 공급하여 DNA와 RNA의 이중나선 구조를 안정화시킵니다.

전반적으로, 물의 존재는 생물학적 시스템의 구조와 기능에 필수적입니다. 물의 독특한 특성은 유기체가 다양한 환경과 생태계에서 번성할 수 있도록 하는 생명체를 위한 완벽한 매개체를 만듭니다.