[세포의 구조와 기능] 세포를 구성하는 원소

여러 가지 화학물질이 복잡하게 조직화되어 살아있는 상태(living state)를 유지하고 있는 것이 생물체이다. 살아 있는 상태란 스스로를 구성하는 구축성(assembling)과 일정한 상태를 유지하기 위한 조절성(regulating)이 있으며 자신과 같은 것을 만들 수 있는 복제성(replicating)이 있는 경우를 말한다. 

생물의 각 기관, 기관을 만들고 있는 세포, 세포내 구조물, 이것을 구성하는 여러 가지 생체분자의 구조와 배치 등을 보아도 생체는 고도로 조직화되어 있음을 알 수 있다. 이러한 생물체에서의 복잡성과 조직성의 기초는 당연히 자신을 구성하는 물질의 기본 단위인 원소의 성질에 기인한다. 

세포를 구성하고 있는 원소는 자연계에 존재하는 90여개의 원소 중에서 단 27개 원소로만 구성되어 있으며 그 중에서도 수소(H), 산소 (O), 탄소(C), 질소(N)의 4가지 주요 원소가 세포질량의 99% 이상을 차지하고 있다. 이것은 지구표면의 주요한 원소가 산소(O), 실리콘(Si), 알루미늄(Al)과 철(Fe)이라는 점과는 큰 차이를 보이고 있다. 

이러한 차이점을 보이는 이유는 생물체의 세포를 구성하는 이들 4가지 주요 원소가 생명의 상태를 구성하는 과정 에서 적응되어져 왔기 때문일 것이다. 세포를 구성하는 4가지 주요 원소들은 소량의 인(P)과 황(S) 등의 원소와 함께 아미노산, 단백질, 당질, 지질, 핵산 등의 여러 가지의 생물학적 기능에 필요한 생체분자를 구성한다. 

또 세포에는 많은 원소들이 이온상태로 존재하며 이들은 전해질 균형과 신경자극의 전달에 필 요하고 효소의 활성을 위해서도 필요하다. 이외에도 세포에는 극히 미량으로 존재하면서 특별한 작용을 하는 원소가 포함되어 있으며 이들을 미량원소(trace element)라 한다.(표 1 참조)

표 1 생물체를 구성하는 원소

생체분자 구성원소	이온형으로 존재하는 원소	미량원소
탄소(C) 수소(H) 질소(N) 산소(O) 인(P) 황(S)	나트륨(Na) 칼륨(K) 마그네슘(Mg) 칼슘(Ca) 염소(Cl)	철(Fe) 구리(Cu) 아연(Zn) 망간(Mn) 코발트(Co) 요오드(I) 몰리브덴(Mo) 바나듐(V)	니켈(Ni) 크롬(Cr) 불소(F) 셀렌(Se) 실리콘(Si) 주석(Sn) 붕소(B) 비소(As)

탄소는 다음과 같은 성질 때문에 생체분자를 구성하는 기본 원소가 되는 것으로 생각된다. 탄소의 원자 구조를 보면 6개의전자를 가지고 있으며 1s, 2s2, 2p2라는 전자 배열구조를 하고 있다. 이 표기는 탄소 원자가 1s, 2s 및 2p 궤도(에너지 준위)에 각각 2개의 전자를 가진다는 뜻이다. 

탄소는 2s 및 2p 궤도의 전자를 쉽게 잃지 않지만 다른 원소와 전자를 공유하여 다음과 같이 전자쌍 공유에 의한 공유결합(covalent bond)을 형성한다. 이것은 탄소원자가 4개의 다른 원자와 결합할 수 있음을 말한다.

이와 같이 탄소는 수소, 산소 또는 질소 등과 안정한 공유결합을 쉽게 형성할 수 있으며 더우기 탄소는 그림 1에서처럼 단일(single), 이중(double), 삼중(triple) 결합할 수 있고 사슬형과 고리형의 구조도 형성 할 수 있다. 이러한 탄소원자의 특성은 다양한 공유결합 배열을 가능하게 하므로 수백만 종의 물질이 만들 어질 수 있는 기본이 될 수 있게 하며 생명의 기초요소로서 사용되는데 아주 적합한 다양성을 가진 원소임을 명확하게 알 수 있다.

그림 1 탄소의 다양한 결합형태

산소, 질소, 수소도 전자쌍을 공유하여 안정한 공유결합을 만들 수 있으나 탄소만큼 다양한 결합형태를 이룰 수 없다. 산소와 질소는 보통 단일 또는 이중결합을 만들고 수소는 단일결합만 만들 수 있다. 산소는 전기음성도 (electronegativity)가 매우 큰 원소이며 이러한 특성은 물의 특이한 성질과 수소결합(hydrogen bond)이라는 특수한 결합의 근거가 된다.

또 산소는 세포 내에서 에너지를 생산할 때 최종 전자수용체로 작용한다. 질소는 탄소와 결합하여 더욱 다양한 물질이 구성될 수 있게 하며 특히 peptide 결합이라는 단백질의 주요 결합구조를 이룬다. 그리고 질소는 유전정보를 저장하고 전달하는 핵산을 구성하는 성분이기도 하다. 수소는 탄소와 산소 그리고 질소의 공유결합에서 부족한 전자를 채워서 안정한 화합물이 되게 하는 중요한 역할을 하며 또 수소결합 형성과 세포내 전자전달계에 관여한다.

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