남형근 교수

(조선대학교 생명화학과)

【에코저널=서울】♠기초적인 화학지식

어떠한 생물체의 생물학적 시스템을 분해해도 결국 그것은 화학적인 수준으로 귀결된다. 인간과 다른 생명체들 그리고 그들 주변의 모든 것들은 모두 우주의 물리적 재료인 물질로 만들어진다. 좀 더 공식적으로 접근하면 물질은 공간을 차지하며 질량을 가지고 있는 모든 것이다.

지구상의 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 물리적 상태로 존재한다. 물질은 화학원소들로 구성돼 있다. 화학 원소들 중에는 92가지의 자연적으로 존재하는 원소들이 있다. 탄소, 산소, 금, 불소를 그 예로 들 수 있다. 각 원소는 영어, 라틴어, 독일어 이름의 첫 번째 글자나 첫 두 글자로 된 상징기호로 표시된다. 예를 들어 금의 기호인 'Au'는 라틴어로 금을 뜻하는 'qurum'으로부터 유래됐다.

모든 원소들은 주기율표에 목록화돼 있다. 자연계에 존재하는 92가지 원소들 중 25가지는 생명체에 꼭 필요하며 25가지 원소들 중 산소(O), 탄소(C), 수소(H), 질소(N) 의 4가지 원소는 인체를 비롯한 다른 대부분의 생명체의 96.3%를 차지하고 있다. 이 내부에는 물 역시 포함된다. 0.01% 보다 작은 부분을 차지하고 있는 미량의 원소들은 붕소, 크롬, 코발트, 구리, 불소, 요오드, 철 등이 있다. 나머지 4.6%의 대부분은 칼슘(Ca) 과 인(P) 들의 7개의 원소들로 이루어져 있다.

또한 약 14종의 미량원소들은 극히 적은 양이 필요하나 그들 없이 생명체는 생존을 유지할 수 없다. 원소들은 서로 결합하여 일정 비율의 두 가지 원소들을 포함하는 물질인 화합물을 형성할 수 있다. 물 분자 하나는 수소 두 원자와 산소 한 원자로 구성된다. 살아있는 생명체 내부에는 많은 화합물이 있으며, 이 화합물 중 대부분은 몇가지의 다른 원소들을 포함하고 있다.

♠물과 생명의 기본 원리

지구의 생명은 물에서부터 시작됐고, 생명이 육지로 퍼지기 전 약 30억년동안 물에서 진화했다. 육지에 서식하는 생명체를 포함하여 현재의 모든 생명체들은 생존을 위해 물을 필요로 한다.

체내의 세포들은 대부분 물로 구성된 체액에 의해 둘러싸여 있고, 체포 그 자체도 물 함유가 70∼95%에 이른다.

물 분자를 홀로 떼어내고 본다면 물 분자는 믿을 수 없을 정도로 단순하게 구성돼 있다. 두 개의 수소원자들은 단일공유결합에 의해서 한 산소원자에 결합돼 있다. 그러나 공유결합에 참여하는 전자들은 산소와 수소 사이에 동일하게 공유되지 않는다.

산소는 수소보다 훨씬 더 강하게 공유결합의 전자들을 끌어당긴다. 이렇게 음전하를 띄고 있는 전자들의 불평등한 공유와 분자의 V자 모양으로 인해 물 분자는 극성의 띄게 된다. 극성 분자는 양쪽 끝에 반대 전하를 띈다. 물의 경우에는 분자의 산소 쪽 끝은 약한 음전하를 띄는 반면 두 수소 쪽은 약한 양전하를 띄게 된다.

물의 극성은 이웃한 물 분자들 사이에 약한 전지적 인력을 발생시킨다. 이 인력으로 인해 물 분자의 수소원자는 이웃한 물 분자의 산소 원자에 가까이 가도록 방향을 잡는 경향이 생기게 된다. 이러한 약한 인력을 우리는 흔히 말하는 수소결합이라고 부른다.

♠물 속의 불소이온

사람의 첫인상을 결정짓는 것 중에 하나는 바로 치아가 훤히 드러나게 활짝 웃는 미소다.

사람들은 오늘날 치아가 몇 십 년 전 보다 훨씬 건강해졌다는 사실을 깨닫지 못할지도 모른다. 충치 감소의 주요 이유는 음용수에 불소이온을 함유하는 화합물질의 첨가와 각종 치아 용품의 발달이다.

치아가 언뜻 보기에는 생명이 없는 것처럼 보일지라도 실제로는 역동적이고 살아있는 시스템으로 구성돼 있다.

구강세균은 '프라그'라고 하며 음식과 침, 죽은 세포의 접착성을 이용해 결합돼 치아를 덮는 물에 산다. 이러한 세균들은 자라면서 치아의 표면을 용해시킬 수 있는 산을 방출하고 치아의 손상과 구강 통증을 유발한다.

불소이온은 구강세균의 신진대사에 영향을 주거나 치아표면의 없어진 광물질의 교체를 촉진하는 등 두 가지 방식으로 충치를 예방한다. 불소이온은 불소원소의 한 형태이며 지구표면에 흔하게 존재하는 성분이다.

물이 지표면에 흐르면서 불소이온이 물에 용해되며 생성된다. 치아를 작은 양의 불소이온에 노출시키는 것이 충치를 예방하는 가장 좋은 방법이다.

식수 같은 다양한 음용수 제품 및 치약에 광범위하게 불소를 첨가하는 것이 미국과 다른 선진국에서 충치가 감소한 주요 원인이었다.

적절한 구강위생을 유지하기 위해서 불소이온을 이용한다는 사실은 한 가지 중요한 점을 시사하고 있다. 즉 가장 근본적 수준에서 볼 때 살아있는 생명체들은 하나의 화학적 시스템이 적용되며, 그 안에서 발생하는 많은 문제들은 화학물질들과 그들 간의 상호작용에 의해서 일어난다는 것이다. 따라서 기초적인 수준의 화학 지식은 생물을 연구하는 데에도 도움이 되므로 생물학을 이해하는데 필수적인 요소가 될 수 있다.