원자와 분자(atom and molecule)

2장. 식물학과 화학

원자와 분자(atom and molecule)

• 이온 : 더욱 안정해지기 위해 전자를 잃거나 얻은 분자나 원자

• 음이온 = negative ion = anion

= 원자가 전자를 얻어서 (-)전하를 띠는 원자

• 양이온 = positive ion = cation

= 원자가 전자를 잃어서 (+)전하를 띠는 원자

전기음성도(electronegativity)

• 분자 내 원자가 결합에 관여한 전자를 끌어당기는 정도

• 높은 전기음성도를 가진 원자는 높은 전자친화력이 있음.

• 결합에 참여하는 전자 = 원자가 전자(covalence electron)

두 원자가 반응할 때

• 에너지 방출

자유에너지 감소반응 (exergonic reaction) 열로 방출 = 발열반응

(exothermic reaction)

• 에너지 흡수

자유에너지 증가반응 (endergonic reaction) 열로 흡수 = 흡열반응

(endothermic reaction)

화학결합(chemical bonds)

• 이온결합(ionic bond)

원자 사이에서 전자가 각각의 원 자로 이동되며 음이온과 양이온이 되어 결합이 형성

• 공유결합(covalent bond)

원자가전자를 내놓아 전자쌍을 공

유함으로써 결합이 형성

물(Water)

• 전자가 수소(H)와 산소(O)중에서 산소 쪽에 더 끌려있음 산소 = 부분적으로 음성(-)

수소 = 부분적으로 양성(+)

• 따라서 물 분자는 극성(polar)을 띤다

①수소결합(hydrogen bonding)

• 두 물 분자가 가까이 붙어 있을 때 반대의 극((+),(-))이 서로 끌림

• 전자가 어느 방향으로 당겨지지는 않음

• ‘ 수소결합 ’ 의 힘으로 물이 뿌리에 서 잎으로 이동할 수 있음

• 분자들 간의 강력한 인력 (attraction)의 원천

②물과 액체 용해도(liquid solubility)

• 물 안에서 수소(H)와 산소(O)를 포함한 물질은 물과 수소결합을 함.

• 물 용해성(water soluble) = 수소와 산소를 포함한 물질이 물에 녹음.

• 무극성 물질 → 극성이 아님 → 수소결합이 되지 않음 → 물에

녹지 못함.

③산과 염기

• 물 분자 = 매우 안정해서 천만 개분의 한 개만이 H⁺과 OH^-으로 분해

• 수소이온의 농도 = 용액의 산도(acidity)를 나타냄.

= pH

• 수소이온 농도(pH)가 7보다 낮음 = 산성(acid)

• 수소이온 농도(pH)가 7보다 높음 = 염기성(base)

탄소화합물(carbon compound)

• 탄소(C)

삶에 필수적인 원소 매우 안정한 원소

전자 6개가 있음(중성원자일 때)

다른 원자의 원자가전자와 전자를 공유하며 공유결합 형성 더욱 많은 탄소와 결합이 가능(복잡한 고리구조도 가능)

• 탄소화합물(carbon compound)

탄소(C)가 다른 원소와 공유결합을 하여 이룬 화합물

탄소의 공유결합 세가지 유형

①단일결합(Single bond)

• 4개의 원자와 단일 결합 형성

• 결합궤도에서 한 개의 전자를 공유

탄소의 공유결합 세가지 유형

②이중결합(double bond)

• 각각의 원자가전자를 2개씩 공 유

• 결합이 단단함

• 많은 유기분자들이 탄소 사이 이중결합을 가지고 있음.

③삼중결합(triple bond)

• 드물게 볼 수 있음

• 매우 불안정하며 쉽게 부 숴짐

이차반응(second-order reaction)

• 두 분자가 만나 새로운 분자를 형성하는 것 A + B → AB

(AB분자는 A,B로 존재할 때보다 위치에너지가 작다)

• 두 분자 A,B는 전자구름 반발을 극복할 만큼 격렬히 충돌

• 전자구름반발을 극복하고 화학반응을 하기 위해 필요한 에너지는 활성화 에너지(activation energy)라고 한다.

• 반응물질들이 반발력 때문에 접근이 느려질 때, 운동에너지가 위치에너지 로 전환 됨.

• 위치에너지가 매우 큼 → 이온결합이나 공유결합으로 전자들이 더 안정한 결합궤도로 재배열

• 활성화 에너지가 높다면, 반응은 열이 더해져야 일어남.

①촉매제(catalyst)

• 촉매제가 하나의 반응물질과 결합함으로써 활성화 E를 낮춤

• 촉매제는 반응하지 않고, 낮은 온도에서 반응이 일어나게 함

• 살아있는 유기체에서 모든 촉매제는 효소로써 알려진 단백질임

②일차반응(First-Order Reaction)

• 한 분자를 포함하지만, 두 분자의 충돌을 포함하지 않 음.

AB → A + B

(한 화합물을 두 분자로 쪼갬)

• 열과 촉매제로 가속화가 가능함.

• 만약, A + B → AB 반응이 강한 에너지 방출성이라면 AB → A + B 반응은 강한 에너지 흡수성의

③반응평형(Reaction Equilibria)

작용기(Fuctional group)

• 화합물의 속성은 탄소원자에 붙어있는 작용기때문.

• 탄소화합물은 매우 크기 때문에, 각각 다양한 유형의 작용기가 있 음.

• 고분자 = 단량체라고 불리는 동일한 하위단위로 구성된 큰 화합 물

• 유기체가 단위체를 생산하는 단순한 신진대사를 가능하게 함.

유기체의 집합은 변할 수 있지만, 기초 신진대사는 변할 수 없음

중합구조(Polymeric construction)

탄수화물(carbohydrates)

• 대부분 탄수화물은 탄소, 수소, 산소를 포함한다.

(몇몇 탄수화물은 질소나 황을 포함하기도 함)

• 수소와 산소의 비율은 거의 2:1이다.

• 일반화된 화학식은 (CH₂O)_n 이다.

단당류(monosaccharides)

• 단당류는 가장 간단한 탄수화물이다.

• 단당류는 탄소원자가 포함한 수로 분류된다.

4C (tetrose) Erythrose 5C (pentose) Arabinose

Deoxyribose Ribose

Ribulose Xylulose 6C (hexose) Fructose

Galactose Glucose Mannose

7C(heptose) Sedoheptulose

이성질체(isomer)

• 분자식은 같지만, 원자의 배열이 서로 다른 화합물 ex) glucose and fructose

다당류(polysaccharides)

• 2개의 이상의 단당류가 결합하여 만들어진다.

• 10개 이하의 단당류가 결합된 다당류를 올리고당이라고 한다.

가수분해(hydrolysis)

• 탈수반응(dehydration reaction)은 흡열반응이다.

(발열반응이 반드시 같이 일어난다)

• 물과 반응하여 이온이나 분자로 쪼개지는 것을 가수분해라고

한다.

식물에 의해 형성되는 다당류에 중요한 것

• 녹말(starch)

• 셀룰로스(cellulose)

• 올리고당과 아미노당(oligosaccharides and amino sugars)

아미노산과 단백질(Amino Acids and Proteins)

• 수많은 아미노산이 연결되어 단백질이 만들어진다.

• 20가지의 서로 다른 아미노산들이 결합하여 생성된다.

1. -COOR : 카복실기 2. -NH ₂ : 아미노기 3. -H

4. R : 다른 아미노산 그룹

펩타이드 결합(peptide bond)

• 아미노산의 배열 순서에 따라서 단백질의 종류가 달라진다

단백질 구조에서 조직 단계

1. 1차구조

• 아미노산 순서는 단백질의 1차구조임

• 이 순서는 R그룹의 특정한 순서를 생산함 2. 2차구조

• α나선 구조, β나선 구조 3. 3차구조

• PH, 열의 영향을 받음 4. 4차구조

핵산(Nucleic Acids)

• 핵산은 뉴클레오타이드로 구성된 중합체이다

• 인산, 당, 염기로 구성된다

DNA&RNA 비교

지질(Lipids)

• 소수성이고, 물에 용해되지 않는 지방과 기름진 물질로 되어있다.

• 주로 수소, 산소, 탄소로 구성된다.

• 지질의 기본 구성은 지방산이다.

지방산의 중합체 지질

• 큐틴(cutin) : 짧은 지방산

• 왁스(wax) : 긴 지방산

• 트리글리세리드(triglycerides) : 3지방산 + 1 글리세롤

• 인지질(phospholipids)

: 글리세롤 + 2지방산 + 1 인산기

보조인자와 매개체

• ATP(adenosine triphosphate) → ADP(adenosine diphosphate) + Pi

• ADP(adenosine diphosphate)→

AMP(adenosine monophosphate) + Pi

• ATP -> ADP -> AMP 가 되는 과정은 발열반응이다

• ATP는 저장되거나 움직일 수 없다.

(각각의 세포는 자신의 ATP를 만들어야 한다.)

• 대부분 ATP는 미토콘드리아에서 생성된다.

• ATP는 태양에너지를 사용하면서 엽록체에서 생성된다.

효소(Enzymes)

• 화학반응에서 반응속도를 빠르게 하는 단백질 (단백질 촉매)

• 기질 특이성(substrate specificity)

효소 활동 통제

• 세포가 다양한 방법으로 효소활동을 통제함

1. 경쟁적 저해(competitive inhibitor) : 기질과 저해물이 효소기질 결합부 위를 서로 빼앗음

2. 비경쟁적 저해(noncompetitive inhibitor) : 저해물이 효소의 기질 결합부 위와 다른 별도의 장소에서 결합해 효소반응 저해시킴

3. 최종산물저해(end-product inhibitor) : 대사경로에서 그 경로 상에 있는 효소가 최종 산물에 의해 저해 받음

경쟁적 저해와 비경쟁적 저해