
생물체들은 대부분 탄소 원소를 기반으로 한 화학물질로 이루어져 있다. 모든 화학 원소들 중에서 탄소는 크고, 복잡하고, 다양한 분자들을 형성하는 능력에서 비할 데 없이 뛰어나며, 지구에서 진화해온 유기체들의 다양성을 가능하게 한다.
생물과 탄소, 유기화학
생명의 주요 구성 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S), 인(P)이다.
이 중 탄소(C)는 네 개의 결합을 형성할 수 있어서, 탄소뿐만 아니라 여러 원자들과 다양한 방식으로 결합하여 수많은 유기 분자를 만들어낼 수 있다.
이런 유기물, 즉, 탄소로 이루어진 화합물에 대한 화학을 유기화학이라고 한다.
탄소로 이루어진 여러 화합물들은 생물 내에서 다양한 역할을 한다.
밀러의 실험

1953년, 스탠리 밀러는 초기 지구에 존재했다고 생각되는 조건들을 모방하기 위해 밀러의 실험이라고 알려진 위의 실험(고등학교 화학 교과서에도 있다!)을 설계했다. 이는 초기 지구를 처음으로 재현하고자 한 실험으로, 여러 한계점이 있지만, 생명의 기원을 설명하는 데에 있어서 중요한 실험이다.
물병 하나가 원시 바다를 뜻하고, 물은 가열되어 일부는 기화되어 기체의 혼합물(수소, 메테인, 암모니아 등)인 "대기"가 들어 있는 두 번째 더 높은 플라스크로 이동했다. 여기에 원시 지구의 번개를 흉내내기 위해 합성된 대기에서 불꽃이 뿜어져 나왔다.
결과적으로 밀러는 유기체에서 흔히 볼 수 있는 다양한 유기 분자를 확인했다. 여기에는 포름알데히드(CH2O), 시안화수소(HCN)와 같은 단순한 화합물, 그리고 탄화수소로 알려진 아미노산, 탄소와 수소의 긴 사슬과 같은 더 복잡한 분자 등이 검출되었다. 실제로 생명에서 발견되는는 20가지의 아미노산 중 12가지가 검출되었다 (8가지가 안나왔다는 이유로 밀러실험을 폄하하는 사람들도 있긴하다).
생명의 기원의 첫 단계인 유기 분자는 초기 지구에서 생물적으로 합성되었을지도 모른다. 이후 초기 지구의 대기가 밀러가 이 실험에서 사용한 "대기"와 다르다는 증거가 나왔지만, 최근 수정된 화학 물질 목록을 사용한 실험에서도 유기 분자가 생성되었다.
생명의 기원의 첫 단계라고 볼 수 있는 유기 분자는 초기 지구에서 생물적으로 합성되었을지도 모른다는 사실을 이 실험을 통해 보여주었다.. 이후 초기 지구의 대기가 밀러가 이 실험에서 사용한 "대기"와 다르다는 증거가 나왔지만, 최근 수정된 화학 물질들을 이용해 재현한 실험에서도 유기 분자들이 생성되었다.
탄소원자의 공유결합
2022.09.22 - [일반생물학] - [일반생물학 2-2강] 원자와 분자 - 화학 결합
앞서 위의 포스트에서 얘기했던 것처럼, 각각의 원소는 고유한 원자가전자를 갖는다. 탄소는 이 원자가 전자가 4개임으로 총 4개의 결합을 형성할 수 있는 것이다.

이런 탄소는 대부분의 원소와의 결합에서도 안정적인 결합을 할 수 있고, 정사면체, 평면 등 여러 입체적인 구조를 가질 수 있다.

탄화수소와 이성질체
원자가 전자가 1개인 수소와 결합했을 때, 끝없이 길어지는 사슬형태의 화합물이나 벤젠과 같이 고리형태의 화합물을 만들 수도 있다.
그 이유는, 탄소가 사슬처럼 유기 분자의 골격을 형성하기 때문이다. 길이가 끝없이 길어질 수도 있고, 구불구불한 형태이거나 고리, 또는 직선 형태도 될 수도 있다. 이런 탄소원자 결합의 성질은 다양한 원자들과 결합하여 분자구조에 다양성을 부여한다.
이때, 탄소와 수소라만 이루어진 메탄, 에탄, 에틸렌(위의 그림에서 다루었다) 등의 분자들을 탄화수소(hydrocarbon)이라고 부른다.
생명체 내에 순수한 탄화수소들이 많지는 않지만, 분자의 일부분이 이런 탄화수소 꼬리나 결합으로 이루어진 경우는 흔하다. 굉장히 다양한 형태로 존재하며, 분자식이나 표현형을 통해 구조를 유추해볼 수도 있다.

이성질체(isomer)는 이런 다양한 유기분자의 식이 같지만, 구조가 다른 분자들을 뜻한다. 즉, 같은 원소를 똑같은 개수로 가지고 있지만, 구조나 성질은 다른 분자들이다.
이성질체에는 3가지 종류가 있다.
1) 구조이성질체(structural isomer)
구조이성질체는 각 원자들의 결합 배열이 다른 이성질체를 뜻한다.

2) 기하이성질체(cis-trans isomer or geometric isomer)
기하이성질체는 탄소가 동일한 원자와 공유결합하지만 이중 결합의 경직성으로 인해 이러한 원자들은 공간 배열이 다른 이성질체를 뜻한다. 이중결합에 의해서 회전이 불가능할 때, 위치가 바뀌지 못하여 이성질체가 된다. 이 때, cis는 두 X가 같은 측에 있는 분자를 뜻하고 trans 이성질체는 두 X가 반대쪽에 있는 분자를 뜻한다.

3) 거울상이성질체(enantiomer)
거울상이성질체는 말 그대로, 거울처럼 대칭된 이성질체를 똣한다. 두 이성질체는 L(왼쪽, levo)와 D(오른쪽, dextro) 이성질체로 표기한다.

마무리
생물 물질은 주로 탄소(C), 산소(O), 수소(H), 그리고 질소(N)로 구성되어 있고, 더 적은 양의 황(S)과 인(P)으로 이루어져 있다. 이 원소들은 모두 복잡한 유기 분자의 구조에서 필수적인 특징인 강한 공유 결합을 형성한다. 이 모든 원소들 중에서 탄소는 공유 결합의 중추라고 할 수 있다. 탄소는 유기 분자에 큰 다양성을 부여하고, 각각은 주로 탄소 골격과 그 골격에 부착된 화학 그룹의 독특한 배열에서 나오는 특별한 특성을 가지고 있다.
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