생화학에서 사용되는 물리와 화학

문서 내 토픽

• 1. 열역학 제 1법칙(First law of thermodynamics)

  열역학 제 1법칙(First law of thermodynamics)은 에너지 보존(Conservation of Energy)에 관한 것으로 계(System)과 이의 주위(Surroundings)의 전체 에너지 앞은 항상 일정하다는 것이다. 여기서 계란 공간 상에서 물질이 있는 어떤 공간이고 주위는 우주에서 계를 제외한 나머지 부분을 의미한다. 열역학 제 1법칙을 달리 표현하면 우주 전체의 에너지는 일정하고, 에너지는 새로 창조되거나 또는 없어질 수 없다고도 말할 수 있다. 에너지는 퍼텐셜 에너지(Poetential energy), 운동 에너지(Kinetic energy), 열(Heat)과 같이 다양한 형태를 가질 수 있지만 그 총량이 변화할 수는 없다.

• 2. 열역학 제 2법칙(Second law of thermodynamics)

  열역학 제 2법칙(Second law of thermodynamics)는 계와 주위의 엔트로피 합은 항상 증가함을 말하는 것이다. 여기서 엔트로피(Entropy)는 무질서도를 의미하고 엔탈피(Enthalpy)는 계의 내부에너지(Internal energy) 총합을 의미한다. Hydrophobic effect역시 물 분자의 엔트로피가 증가하기 때문에 자발적으로 nonpolar molecule끼리 뭉쳐 생기는 일로 열역학 제 2법칙을 따른다. 열역학 제 2법칙을 수식으로 할 수 있다(는 엔트로피, 는 엔탈피를 의미). 주위의 엔트로피 변화의 값은 계의 엔탈피 변화량을 온도로 나눈 값과 같다.계의 엔트로피 변화량과 주위의 엔트로피 변화량을 합한 값은 전체 엔트로피 변화량과 같다. 따라서 이 식에 엔트로피의 정의를 대입하면 다음과 같다.양변에 를 곱하면 다음과 같다.좌변을 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)라고 부른다. 즉 깁스 자유에너지를 다음과 같이 나타낼 수 있다. 전체 엔트로피 변화량이 양수일 때 반응은 자발적으로 일어난다. 따라서 좌변의 값이자 깁스 자유 에너지의 값이 음수일 때 반응은 자발적으로 일어난다. 즉 반응의 자발성은 계의 엔트로피 변화량과 계의 엔탈피 변화량에 의해 결정된다.

• 3. 산-염기 반응

  산-염기 반응에서 수소 이온들이 분자들에 결합하거나 이탈한다. 수용액 속에서 수소 이온들은 물 분자와 결합하여 H3O+상태로 존재한다.수용액에서 pH=-log[H+]이고 pKa=-logKa로 정의한다. Bronsted-Lowry의 산-염기 정의에 의하면 산은 수소 이온을 내놓고 염기는 수소 이온을 받아들인다. 산 HA의 경우 HA의 이온화는 다음과 같다.이때 반응의 평형상수는 다음과 같다.양변에 로그를 취하면 pH의 정의에 의해 다음을 얻는다.이 식을 Henderson-Hasselbalch 식이라고 부른다. 이 식에서 pH와 pKa가 같아지는 지점은 log[A-]/[HA]가 1이 되는 지점이다. 즉 [A-]=[HA]일 때 pH와 pKa가 같아짐을 알 수 있다. 즉 pH와 pKa가 같은 지점에서 산 HA와 A-는 등량 존재함을 알 수 있다.

• 4. Buffer의 역할

  Buffer에는 약산과 약산의 짝염기가 들어있다. 만약 buffer에 산이 가해지게 되면 buffer에 존재하던 약산의 짝염기가 양성자를 받아들이며 protonate된다. 한편 염기가 가해지게 된다면 buffer에 존재하던 약산이 양성자를 내놓으며 deprotonate된다. 이러한 원리로 buffer는 용액의 pH 변화를 크게 줄일 수 있다. Buffer가 존재하지 않는다면 용액의 pH는 산 또는 염기가 가해짐에 따라 급격하게 변할 것이다.생체 내에서 pH의 변화가 크면 특정 분자가 protonated/deprotonated되면서 분자 구조가 변하여 크게 위험할 수 있다. 가령 pH가 내려감에 따라 DNA사이의 수소 결합이 원활하게 이루어지지 않게 되고 따라서 DNA의 이중 나선구조는 파괴될 수 있다. 따라서 buffer의 역할이 매우 중요하다. 생체의 pH는 7.4 정도이다. 생체 내에서 인산 이온은 버퍼로 중요한 역할을 한다. pH7.4 부근에서 인산 이온은 H2PO4-와 HPO42-가 거의 같은 양이 존재한다. 만약 혈액에 산성 또는 염기성 물질이 들어오면 이들 간에 산-염기 반응이 일어나며 pH를 거의 변하지 않도록 하게 할 것이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 열역학 제 1법칙(First law of thermodynamics)

  열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고 오직 변환될 뿐이라는 것을 설명합니다. 이 법칙에 따르면 시스템에 가해진 일은 시스템의 내부 에너지 변화와 시스템이 주변과 교환한 열량의 합과 같습니다. 이 법칙은 에너지 변환 과정에서 에너지 손실이 없다는 것을 보여줌으로써 에너지 효율 향상을 위한 중요한 기반을 제공합니다. 또한 열역학 제 1법칙은 열기관, 냉동기 등 다양한 공학 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.

• 2. 열역학 제 2법칙(Second law of thermodynamics)

  열역학 제 2법칙은 자연계의 모든 과정이 일어나는 방향을 결정하는 법칙입니다. 이 법칙에 따르면 고립된 시스템의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 증가하며, 이는 자연계의 모든 과정이 불가역적으로 일어난다는 것을 의미합니다. 열역학 제 2법칙은 열기관의 효율 한계, 자연계의 불가역성, 열평형 등 다양한 현상을 설명할 수 있습니다. 또한 이 법칙은 우주의 열적 평형 상태인 열사망(Heat Death)을 예측하는 데 중요한 역할을 합니다. 열역학 제 2법칙은 자연계의 근본적인 특성을 이해하는 데 필수적인 법칙입니다.

• 3. 산-염기 반응

  산-염기 반응은 화학 반응의 기본 유형 중 하나로, 수소 이온(H+)의 전달 과정을 통해 일어납니다. 산은 수소 이온을 내놓는 물질이고, 염기는 수소 이온을 받아들이는 물질입니다. 산-염기 반응은 pH 변화, 완충 용액 형성, 중화 반응 등 다양한 화학 현상을 설명할 수 있습니다. 또한 생물학, 환경 화학, 공업 화학 등 여러 분야에서 중요한 역할을 합니다. 산-염기 반응의 이해는 화학 현상을 이해하고 응용하는 데 필수적입니다.

• 4. Buffer의 역할

  Buffer는 산-염기 반응에서 pH 변화를 최소화하는 역할을 합니다. Buffer 용액에는 약한 산과 그 염기가 함께 존재하여, 외부에서 산이나 염기가 첨가되어도 pH 변화가 크지 않습니다. 이를 통해 생물학, 화학, 환경 분야 등에서 pH 조절이 중요한 경우 Buffer 용액을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 생물학 실험에서 세포나 효소의 최적 pH 유지, 수질 관리에서 pH 조절, 화학 공정에서 반응 pH 제어 등에 Buffer가 활용됩니다. Buffer의 역할은 산-염기 반응 조절을 통해 다양한 분야에서 중요한 응용 가치를 지닙니다.