우리 몸의 원소와 결합해 무한한 다양성을 나타내는 탄소
DNA에서 시작한 모든 단백질 물에서 물질 반응을 촉매
인체 질량의 96%는 산소(O, 65%), 탄소(C, 18.%), 수소(H, 9.5%), 질소(N 3.2%) 4가지 원소로 구성된다. 여기에 칼슘(Ca 1.5%), 인(P, 1.0%), 칼륨(K, 0.4%), 황(S, 0.3%), 나트륨(Na, 0.2%), 염소(Cl, 0.2%), 마그네슘(Mg, 0.1%) 7개의 원소를 합치면 인체 질량의 약 99.7%정도를 차지하게 된다. 그리고 나머지 원소(질량의 약0.3%)를 미량원소(trace elements)라고 한다.
성인(평균 70kg)의 인체는 약 7×1027개의 원자를 가지고 있다. 원자의 숫자로는 수소가 가장 많고, 산소, 탄소, 질소 순으로 인체에 존재하고, 대부분의 원자는 분자로서 표현된다.
인체를 구성하는 분자는 물(H2O, 64%정도)이 가장 많으며, 단백질(머리카락, 결합조직 등을 포함), 지방, 탄수화물(glycogen, glucose) 및 미네랄 등으로 구별할 수 있다.
생물체를 이루며, 그 안에서 기관을 조직하고 생명력에 의하여 만들어지는 물질을 유기물(有機物)이라 하고, 물, 공기, 광물 등 생명이 없는 것으로 분류된 물질과 그것을 원료로 해서 인공적으로 만들 수 있는 물질을 통틀어 무기물(無機物)이라 한다.
유기물의 가장 큰 특징은 탄소 골격이 길이나 분기(branch 나뉘어서 갈라짐)의 다양성에 제한이 없어 복잡한 구조를 가질 수 있으며, 탄소에 다양한 원소가 결합하는 것이 가능하기 때문에 무한한 다양성을 보여 준다.
1. 탄소(carbon)
탄소는 원자번호가 6인 비금속 화학 원소이고, 6개의 양성자와 중성자 그리고 6개의 전자를 가지고 있다. 탄소 외곽에는 4개의 전자가 있고, 탄소원자가 안정적으로 되기 위해서 4개의 전자를 잃거나(C4+), 4개의 전자를 얻는 것(C4-)보다 공유결합을 통해서 화합물을 이루는 것이 가장 안정적이다. 또한, 탄소-탄소결합을 통해서 긴 구조를 만들 수 있고, 다른 원소와 결합을 하여서 다양한 화합물을 만들 수 있다.
1) 탄소화합물의 종류 및 특징
탄소화합물의 종류를 원소 기준으로 간단히 분류하면 표1과 같이 볼 수 있다.
탄소화합물은 생명이 가지고 있는 가장 기본골격(backbone)이고, 탄소와 탄소, 탄소와 수소의 공유결합은 유기 분자의 기초를 형성한다. 여기에 산소, 질소 및 인과 같은 다른 원소(heteroatoms, 탄소와 수소를 제외한 원소)는 탄소와 공유결합을 할 수 있고, 유기분자의 구조 및 화학적 성질을 변경함으로써 생명에 중요한 생체분자(biomolecule 또는 biological molecule, 탄수화물, 지방, 단백질, 핵산 등)로서 역할을 한다.
탄소와 탄소결합(C-C bond)과 탄소와 수소결합(C-H bond)은 전기적으로 극성이 없어서 반응성이 없고, 탄소와 산소결합(C-O bond)은 극성결합으로 반응성을 가지고 있다. 또, 탄소와 다른 원소(heteroatoms)의 결합(C-N, C-S bond)도 결합이 길거나 약하여 반응성을 가지고 있다.
2) 유기체: 물과 탄소화합물의 조화
극성이 있다 없다 반응성이 있다 없다는 것을 말할 때 기본 조건이 물이 있을 때 가능하다. 생명체의 가장 많은 부분을 차지하는 물질은 물(H2O)이다. 그리고 생체분자의 기초를 이루는 탄소화합물은 물에서 안정적인 구조를 가지기도 하고, 반응을 일으키기도 한다는 것이다.
생명의 가장 놀라운 능력은 끊임없이 변화한다는 것이다. 변하지 않고 가장 안정적이라고 느끼는 뼈 조직도 7년이라는 시간이 흐르면 원소와 분자가 새로이 교체된다. 생명체가 가지고 있는 모든 물질은 변화하지만, 생명체가 가지고 있는 생명의 질서는 변하지 않는다는 것이다.
이런 생명의 능력을 효소(enzyme), 단백질(protein) 그리고 유전자(DNA) 등을 통해서 이해하려고 노력하고, 효소, 단백질, 유전자의 구조를 알고 기능을 하나씩 알아가고, feedback system을 통해서 인체의 조절능력을 알아가고 있다.
그럼에도 불구하고 생체분자의 잘못된 변화, 콜레스테롤이 높아지고, 혈중 포도당의 증가, 또 인체에 아무런 문제(임상검사에서)는 없으나 느끼는 고통(편두통, 신경성 위염 등)에 대해서 답을 찾기는 쉽지 않다. 이것은 생체분자와 물을 구분해서 오는 오류이다. 생명에서 생체분자와 물은 한 번도 분리되어 존재한 적이 없고, 생명은 자연이며 유기물과 무기물을 구분하지 않고 조화를 통해서 존재하였기 때문이다.
2. 생명
태초에 생명이 어떻게 시작했는지 알 수 없다. 인류가 알고 있는 한 가지 분명한 사실, 생명은 지구에 존재한다는 것이다. 생화학은 생명의 시작을 알고자 하는 학문이 아니라 생명이 지구와 어떻게 조화를 이루며 살아가는지 알고자 하는 학문이다.
생명체가 가지고 있는 특징을 다음과 같이 정리해 보았다.
1)생명은 물이라는 액체와 탄소화합물이라는 생체분자를 통해 생명체라는 구조를 만들어 생존한다.
2) 모든 살아있는 생명체의 구조는 세포막으로 나뉘고 내부구조를 형성하며 유전정보를 저장한다.
3) 생체분자는 세포의 성장, 발달 및 재생산에 필요한 활동을 수행한다.
4) 생명체는 물로 인해서 액체의 특징을 가지고 있고, 탄소화합물로 인해 고체처럼 구조를 가지고 있다. 5) 물은 만능 용매(universal solvent)로서 모든 물질을 녹이고, 생명체에 존재하는 물도 모든 생체분자를 녹인다.
6) 유전자(DNA)에서 시작한 모든 단백질은 물에서 물질 반응을 촉매 한다.
즉, 생명은 고체처럼 구조를 가지고 있으나 액체이다. 그렇기에 자연의 모든 자극에 반응을 한다. 바람의 흐름, 작은 진동, 온도의 변화 등에 반응을 할 수 있는 것이다. 그리고 무엇보다 물에 녹아있는 모든 물질은 생명체에 들어오게 된다. 그리고 물에 녹아있는 물질은 단백질과 같이 결합을 하거나, 물에 녹아서 생명체를 이루게 된다.
그렇기에 생명체는 탄소화합물을 이루는 기본 원소(탄소, 수소, 산소, 질소, 인)외에 주로 물에 녹아있는 Na, Mg, K, Cl 등이 있고, 구조를 형성하는데 사용되는 Ca, P이 있다. 또, 아미노산보다는 단백질과 결합을 하는 전이금속(V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo)과 비금속(B, F, Si, Se, I)이 있다.
이 미량원소들도 생명과 조화를 이루면서 생명체를 구성하고 있다. 생명체는 다양한 탄소화합물, 다양한 원소 그리고 물의 조화를 통해서 생명을 유지하고, 생명의 질서를 지켜나가고, 원소의 특징에 따라 생명의 다양성을 보여주게 되는 것이다.
생명은 자연이면서 지표면에 존재한다. 따라서 생명을 구성하는 모든 구성성분은 지구의 구성성분과 같을 수밖에 없다. 그런데 물이 오염(구성성분의 변화)되면서, 생명체의 반응에 이상이 나타나는 것이다.
생명은 자극에 반응할 뿐이기 때문이다. 물에 무엇이 녹아있든 그대로 받아들이고 물에 녹아있는 물질에 따라 반응할 뿐이다. 미량원소의 기능을 이해하는 것은 생명의 조화를 이해하는 것이다. 유기물과 무기물의 조화, 탄소화합물과 미량원소 그리고 물의 조화를 아는 것이 생명을 이해하는 중요한 역할을 하게 될 것이다.
