21.3: 세포의 화학

세포는 화학적으로 물, 유기 분자 및 무기 이온으로 구성됩니다.

물

물 분자의 극성과 그에 따른 수소 결합은 물을 생명 과정과 밀접하게 연결된 특별한 특성을 지닌 독특한 물질로 만듭니다. 생명은 원래 수성 환경에서 진화했으며 유기체의 세포 화학 및 대사의 대부분은 세포질의 수성 내용물 내부에서 발생합니다. 물의 특별한 특성은 높은 열용량과 기화열, 극성 분자를 용해하는 능력, 응집력과 접착력, pH의 기초가 되는 이온으로의 해리 등입니다. 물의 이러한 특성을 이해하는 것은 생명 유지에 있어서 물의 중요성을 밝히는 데 도움이 됩니다.

물의 중요한 특성 중 하나는 극성 분자라는 것입니다. 물 분자(H_2O) 내의 수소와 산소는 극성 공유 결합을 형성합니다. 물 분자에는 순 전하가 없지만 물의 극성은 수소에 대해 약간의 양전하를 생성하고 산소에 대해 약간의 음전하를 생성하여 물의 인력 특성에 기여합니다. 물은 산소가 수소보다 전기음성도가 더 높기 때문에 전하를 생성합니다. 공유 전자가 수소 핵보다 산소 핵 근처에 있을 가능성이 더 높으므로 산소 근처에서 부분 음전하가 생성됩니다.

물의 극성으로 인해 각 물 분자는 물 분자 사이의 반대 전하로 인해 다른 물 분자를 끌어당겨 수소 결합을 형성합니다. 물은 또한 다른 극성 분자와 이온을 끌어당깁니다. 물과 쉽게 상호작용하거나 물에 용해되는 극성 물질은 친수성입니다. 대조적으로, 기름이나 지방과 같은 비극성 분자는 물과 잘 상호 작용하지 않습니다. 이러한 비극성 화합물은 소수성입니다.

유기 분자

단백질, 탄수화물, 핵산 및 지질은 생물학적 거대분자의 네 가지 주요 클래스입니다-즉, 더 작은 유기 분자로 구성된 생명에 필요한 큰 분자입니다. 거대분자는 과학자들이 공유 결합으로 결합하여 더 큰 중합체를 형성하는 단량체라고 부르는 단일 단위로 구성됩니다. 폴리머는 부품의 합 그 이상입니다. 폴리머는 새로운 특성을 획득하고 구성 요소에 의해 형성된 것보다 훨씬 낮은 삼투압을 발생시킵니다. 이는 세포 삼투압 조건을 유지하는 데 중요한 이점입니다. 단량체는 물 분자가 방출되면서 다른 단량체와 결합하여 공유 결합이 형성됩니다. 과학자들은 이러한 탈수 또는 응축 반응을 부릅니다. 중합체가 더 작은 단위(단량체)로 분해될 때 이러한 반응에 의해 끊어진 각 결합에 물 분자를 사용합니다. 이러한 반응은 가수분해 반응입니다. 탈수 및 가수분해 반응은 모든 거대분자에서 유사하지만 각 단량체 및 중합체 반응은 해당 클래스에 따라 다릅니다. 탈수 반응은 일반적으로 새로운 결합 형성을 위해 에너지 투자가 필요한 반면, 가수분해 반응은 일반적으로 결합을 끊어 에너지를 방출합니다.

탄수화물 탄수화물은 세포의 필수 에너지원이며 식물 세포, 균류 및 바닷가재, 게, 새우, 곤충 및 거미를 포함한 모든 절지동물에 구조적 지원을 제공하는 거대분자 그룹입니다. 탄수화물은 단당류, 이당류, 다당류로 분류할 수 있습니다. 전분이나 글리코겐과 같은 중합체 형태의 포도당 저장은 신진대사에 대한 접근성을 약간 떨어뜨립니다. 그러나 이는 세포 밖으로 누출되거나 세포가 과도한 물을 흡수하게 만드는 높은 삼투압을 생성하는 것을 방지합니다.

단백질 단백질은 세포에 대해 다양한 기능을 수행하는 거대분자의 한 종류입니다. 이것은 효소, 운반체 또는 호르몬으로 작용하여 신진 대사를 돕고 구조적 지원을 제공합니다. 단백질의 구성 요소는 아미노산입니다.

지질 지질은 본질적으로 비극성 및 소수성인 거대분자의 한 종류입니다. 주요 유형에는 지방 및 오일, 왁스, 인지질 및 스테로이드가 포함됩니다. 지방은 저장된 에너지 형태이며 트리아실글리세롤 또는 트리글리세리드로도 알려져 있습니다. 콜레스테롤은 스테로이드의 일종이며 원형질막의 중요한 구성성분으로, 막의 유동성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

핵산 핵산은 세포 분열 및 단백질 합성과 같은 세포 활동을 지시하는 뉴클레오티드로 구성된 분자입니다. 핵산에는 DNA와 RNA의 두 가지 유형이 있습니다. DNA는 세포의 유전적 청사진을 담고 있으며 이를 부모에게서 자손에게 전달합니다. RNA는 단백질 합성과 그 조절에 관여합니다.

무기 이온

무기 이온은 세포 질량의 1% 미만을 구성하지만 세포 기능에 중요합니다. 세포에서 발견되는 것에는 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 인산염 및 염화물이 포함됩니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.

세포는 살아있는 유기체의 기본 구성 요소입니다. 그것은 대부분 물, 유기 분자 및 무기 이온으로 구성됩니다. 물은 세포의 약 70 퍼센트를 차지합니다.

세포질의 이 수성 환경은 세포의 구조와 그 안에서 발생하는 많은 반응에 필수적입니다. 물은 극성이 높은 분자이므로 세포의 다른 극성 분자 및 이온과 상호 작용하지만 비극성 분자와는 상호 작용하지 않습니다. 세포질의 친수성 환경은 단백질의 3 차원 구조의 형성을 촉진하며 중심핵에는 무극성 아미노산, 표면에는 극성 아미노산이 있습니다.

막이 형성될 때 인지질의 극성 헤드 그룹은 물과 상호 작용합니다. 대조적으로 무극성 꼬리는 서로 상호 작용하여 세포 외부에 소수성 장벽을 만듭니다. 세포와 구획에 있는 생물학적 액체의 pH는 정확하게 완충됩니다.

세포질의 pH는 약 7.2이며 인산 이온과 같은 분자에 의해 조절됩니다. 대조적으로 특수 세포 구획인 리소좀의 pH는 약 5입니다. 리소솜이 산성 환경에서 최적으로 기능하는 효소를 함유하고 있기 때문입니다.

세포의 유기 분자에는 탄수화물, 단백질, 지질 및 뉴클레오타이드가 포함됩니다. 이러한 다양한 거대 분자는 모두 다양한 역할을 합니다. 탄수화물은 다양한 대사 과정에 동력을 공급하는 주요 에너지 원입니다.

그러나 세포는 단백질과 지질도 분해하여 연료로 사용할 수 있습니다. 단백질은 반응을 촉매하는 효소로 되거나 세포 구조에 기여할 수 있습니다. 지질은 세포막의 중요한 성분입니다.

게다가 이러한 거대 분자는 서로 공유 결합하여 종종 세포막에서 발견되는 당단백질 및 당지질과 같은 결합체를 형성할 수 있습니다. 뉴클레오타이드는 유전 물질로 작용하고 단백질과 결합하여 세포에서 DNA를 든든히 포장하는 핵 단백질과 관련이 있습니다. 뉴클레오타이드 ATP는 또한 많은 세포 과정의 에너지원입니다.

세포 기능에 중요한 무기 이온에는 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 인산염 및 염화물이 포함됩니다. 이러한 이온들은 세포 질량의 1퍼센트 미만을 차지하지만 세포 내에서 다양한 역할을 합니다. 예를 들어 칼슘과 같은 이온은 세포 전체에 생물학적 신호를 전달하는 데 사용되는 반면 마그네슘은 많은 효소의 촉매 활성에 필수적입니다.