[스크랩] 생명체 이전의 유기화합물의 합성

생명의 기원과 지구의 진화 1.생명체 이전의 유기화합물의 합성 물 이외에 많은 화합물이 생명체의 존재에 필요하다. 가장 중요한 것은 유기화합물로 이름은 여러분이 이미 알고 있는 것이다. "유기"란 말은 이러한 물질이 살아있는 세포에 의해서만 형성될 수 있다고 생각했던 옛날에 만들어진 용어이다. 화학적으로 말하면 유기화합물은 탄소원자가 수소, 산소, 그리고 때로는 질소, 유황 또는 인 등 과 결합한 탄소 화합물이다. 일부 탄소 화합물인 이산화탄소(CO₂), 일산화탄소(CO), 탄산(H₂CO₃)등은 유기화합물에 포함되지 않았다. 살아있는 세포만이 유기화합물을 형성할 수 있을 것이라는 생각은 1828년 독일의 화학자 프레드리히 뵐러(Friedrich Woehler)가 실험실에서 유기화합물인 요소를 합성해 냄으로서 옳지 못한 것으로 밝혀졌다. 그 이전에 요소는 동물에서만 합성되고, 오줌으로 배설되는 것으로만 알았었다. 그 후 수천 종류의 각기 다른 유기화합물들이 실험실에서 화학자들에 의해 합성되어 왔다. 이러한 화합물들을 이제는 더 이상 "유기"라고 부를 이유가 없어졌으나 그 이름은 너무나 오랫동안 사용되어 왔기 때문에 아직도 생명체에 필수적인 탄소화합물을 나타내는 말로 널리 쓰이고 있다. 오파린과 할데인은 각기 독자적인 생명체가 탄생하기 전의 원시지구에서 유기화합물이 형성될 수 있었을 것이라는 생각을 품고 있었다. 그들은 원시 지구에는 태양으로부터 자외선, 번개로부터 전기에너지, 방사성 암석으로부터 방사능, 화산열 등과 같은 강력한 에너지원이 풍부하게 존재했을 것으로 추론했었다. 이들 에너지원으로부터 에너지는 원시대기의 기체분자들을 분리시켜 유리된 탄소와 다른 원소, 그리고 이온들을 유기화합물로 재생시켰을 것이다. 몰아치는 폭우는 이 유기화합물을 해양이나 호수로 씻어 내렸을 것이다. 이 유기화합물을 소비하는 생물체나 산화시켜버리는 유리상태의 산소가 없었기 때문에 생물체에 필요한 유기화합물은 지구의 물 속에 축적되었을 것이다. 이렇게 해서 원시 지구의 물은 생명체가 출현할 수 있을 정도의 영양용액으로 변했을 것이다. 2. 실험실에서의 원시지구 설정 생물체가 출현하기 전에는 특히 무슨 유기화합물이 형성되었는가? 헤롤드 유레이(Harold Urey)와 스탠리 밀러(Stanley Miller)는 이 문제를 시카고 대학에서 연구했다. 그들은 원시지구에서 존재했으리라고 생각되는 조간을 실험장치로 모방하여 설치했다. 현재 캘리포니아 대학에 있는 밀러는 공기가 통하지 않게 한 실험장치를 마련했다. 메탄, 수소, 암모니아 기체를 실험장치에 넣고 고에너지의 전기 방전을 시켰다. 열과 수증기는 이 장치와 연결된 끓는 물이 담긴 그릇으로부터 공급되었다. 수증기가 순환한 후에는 냉각시켜 "비"처럼 응축시켰다. 밀러는 이렇게 원시대기에 존재했으리라고 생각되는 조건을 창안했던 것이다. 이 조건들이란 기체, 열, 비, 그리고 번개였다.
	<밀러의 실험 장치와 합성된 유기물>
	이 혼합기체가 1주일간 순환한 후 밀러는 이 장치 속의 액체를 검사했다. 단지 겉으로 보기에 달라진 점은 실험을 시작했을 때는 무색이었던 액체가 붉은 색으로 변한 것 뿐 이었다. 화학적 검사를 해 본 결과 실험을 시작했을 때에는 없었던 몇 종류의 화합물이 그 속에 함유되어 있음이 밝혀졌다. 일부 기체분자의 원자들은 재결합되어 새롭고 보다 복잡한 분자를 이루었다. 액체 속의 물질을 분석해본 밀러는 합성된 유기물 분자가 아미노산이라는 것을 알았다. 아미노산은 모든 살아있는 세포에서 가장 풍부하게 발견되는 단백질의 구성 단위가 되는 물질이기 때문에 이 발견은 매우 놀라운 것이었다. 어떤 형태의 생명체든 단백질 없이는 불가능하다. 밀러의 실험이 원시지구의 조건에서 아미노산이 이러한 방법으로 형성되었다는 것을 증명한 것은 아니다. 그러나 이 실험은 원시지구의 대기에서도 이와 유사한 과정이 일어날 수 있다는 가능성을 말해주는 것이 된다. 더구나 그 후 다른 과학자들도 자외선을 포함한 다른 에너지원과 원시지구의 대기에 존재했으리라고 믿어지는 여러 가지 기체를 배합해서 이와 유사한 실험을 실시했다. 이들 실험도 역시 성공적이었다. 그들은 생명체에 필요한 다른 화합물도 원시지구의 조건에서 합성될 수 있음을 보여주었다. 종속영양 생물설에 대한 중심 가설중의 하나는 이제 분명해졌고 생명체가 출현하기 전에 유기물이 생성되었다는 것은 단순한 추측만은 아니다.
	태양의 자외선 유용한 총 에너지의 비율(%) 번개의 전기에너지 99.2(%) 방사선 원소의 방사선 0.6(%) 황산 폭발의 열 0.12(%) 에너지원 0.02(%)
	생명체가 존재하지 않는 지구 밖에서 유기화합물이 합성된다는 새롭고 흥미있는 증거가 1970년에 캘리포니아의 암스 연구 센터에서 시릴 포남페루마(Cyril Ponnamperuma)등에 의해 얻어졌다. 그들은 1969년 9월 25일에 우주 공간으로부터 오스트레일리아의 머취슨(Murchison)근처로 떨어진 운석에서 아미노산과 다른 유기 화합물을 발견했다. 아미노산이 다른 운석에서도 발견되었다는 보고도 있었으나, 그것은 운석이 지구상으로 떨어진 후 지구상의 단백질에 의해 오염된 것임에 틀림없었다. 머취슨 운석으로부터 얻어진 증거는 육지에 떨어진 후 오염되었다는 사실로는 설명될 수 없는 것이었다. 7가지 아미노산이 발견되었는데, 그중 두 가지는 지구상의 생물체에 의해 합성된 단백질에서는 발견되지 않는 것이었다. 그러한 혼합물은 생물체로부터 생길 수 없는 것으로 생명체가 없는 환경에서 임의적으로 생산된다고 생각되는 것이었다. 이러한 사실로부터 너무 강한 인상을 받은 나머지 생명의 기원에 관한 모든 문제가 이제는 모두 해결되었다고 성급한 결론을 내려서는 안된다. 종속영양 생물설은 현대과학이 생명의 기원에 대한 수수께끼를 설명할 수 있는 가장 훌륭한 가설일 뿐이다. 특히 유기물로부터 최초로 살아있는 세포로서의 진화에 관해서는 해결해야할 많은 문제들이 있다.
	원시지구 조건하에서의 에너지 지구상에 있는 생명의 근본적인 에너지원은 태양의 복사 에너지이다. 태양은 지구에 생물이 살기 전에도 역시 에너지원의 주요 공급원이었다. 지구에 도달한 햇빛은 현재 살아있는 생물을 죽일 수도 있는 자외선을 포함하고 있었다. 그러나 지구 역사의 초기에는 이 파괴적인 광선이 유기 화합물을 공급해주어 생명의 시작을 도왔을지 모른다. 강한 자외선은 대기 중에 있는 기체 분자를 이루는 원자 사이의 결합을 파괴할 만한 에너지를 가지고 있다. 이때 떨어진 원자의 일부는 생명을 만들 수 있는 좀 더 복잡한 화합물로 재결합했을 것이다. 아마 원시지구 조건에서 분자의 화학결합은 자외선의 에너지에 의해 파괴되었을 것이다. 거기에서 유리된 원자들은 유기화합물로 결합되었을 것이다. 복사에너지보다는 못하지만 대기 중의 기체 분자로부터 화합물을 형성 할 만큼 강함 에너지원으로는 번개의 전기에너지, 지각에 있는 방사성 원소로부터의 방사선, 그리고 화산 폭발시의 뜨거운 열들이 있었다. 3. 단백질의 합성 단백질 없이는 생명체는 존재할 수 없다. 모든 살아있는 세포들은 세포의 기능에 필수적인 여러 종류의 단백질을 함유하고 있다. 각 세포는 약 20종의 각기 다른 아미노산으로 된 긴 사슬을 결합시켜 자신의 단백질을 만든다. 각기 다른 아미노산들은 사슬의 여러 곳에 존재할 수 있으므로 단백질 분자들은 50 내지 3,000개 정도의 아미노산을 포함할 수 있다. 생물체는 일생동안 새로운 단백질을 만들기 때문에 모든 살아있는 세포는 계속적인 아미노산의 공급을 필요로 한다. 녹색식물이나 박테리아의 일부 세포는 그들이 필요로 하는 모든 아미노산을 만들 수 있다. 사람의 세포와 같은 다른 세포들은 단지 20종의 아미노산만을 만들 수 있으므로 나머지는 음식물 속의 단백질로부터 섭취해야만 한다. 사람이 스스로 합성할 수 없는 아미노산들을 "필수 아미노산"이라 한다. 엄밀하게 말하면 단백질을 합성하는 모든 아미노산들은 생명체에 필수적이며 이 필수 아미노산들은 음식물 속에 존재해야 한다. 위 구조식 아미노산은 단백질에서 발견되는 20개의 아미노산을 나타내며, 또한 흔히 필수 아미노산이라 불리는 종류들을 보여준다.
	대부분의 단백질들은 20종의 모든 아미노산을 함유하며, 한 종류의 단백질은 다른 단백질보다 어떤 아미노산을 더 많이 또는 더 적게 포함하기도 한다. 단백질들에게서 가장 중요한 차이점은 단백질 분자 내의 아미노산의 배열 순서이다. 한 종에서 어떤 작용을 가지는 단백질의 아미노산 배열순서는 다른 종에서 같은 작용을 가진 단백질의 아미노산 배열 순서와 매우 유사하다. 다른 종이 서로서로 관련이 깊을수록 그 만큼 더 그들의 아미노산 배열 순서에 차이는 적어질 것이다. 아미노산은 무엇으로 구성되어 있는가? 모든 아미노산은 탄소, 수소, 산소 그리고 질소원자를 함유한다. 아미노산의 기본 구조는 중심 탄소원자(C)를 함유하는데, 이 탄소원자에 수소원자(H), 아미노기(-NH₂), 카르복실기(-COOH), 그리고 기호 R로 표시되는 원자 또는 원자단 중의 하나가 부착된다. 단백질은 단순한 유기화합물 즉 아미노산으로부터 형성된 크고 복잡한 분자의 예이다. 어떤 두 분자의 아미노산이든 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카르복실기 사이에서 결합이 형성되면서 합쳐진다. 이 결합을 펩티드(peptide)결합이라 하는데, 한 분자의 물이 제거되면서 형성된다. 두 분자의 아미노산이 하나의 펩티드 결함으로 결합했을 때 생기는 큰 분자는 아직 한 끝에는 아미노기, 다른 한쪽 끝에는 카르복실기를 가지고 있다. 펩티드 결합이란 한 아미노산의 카르복실기(-COOH)와 다음 아미노산의 아미노기(-NHn)가 결합하는 것이다. 산기는 수소 원자 하나와 산소원자 하나를 잃게 되며 아미노기는 수소원자 하나를 잃게 된다. 이 두 수소원자는 산소원자와 결합하여 물분자(H₂O)를 형성한다. 이 물을 방출한 두 아미노산은 펩티드 결합에 의해 연결된다. 다른 아미노산 분자들이 이 새로운 분자의 양쪽 끝에서 펩티드 결합을 형성하면서 첨가될 수 있다. 이런 아미노산 분자들은 수천 개가 결합하여 하나의 단백질 분자를 형성할 때까지 첨가된다. 어떤 특정 단백질은 각기 다른 아미노산들이 결합한 수와 순서에 의해 다른 단백질과 구별된다. 한 동물의 세포는 2,000여종의 가기 다른 단백질을 함유하고 있는 것으로 추산되고 있다. 단백질의 일부는 단지 한 종에서만 발견되기도 한다. 원시지구의 상태에서는 아미노산이 어떻게 결합할 수 있었기에 최초의 단백질이 형성되었을까? 이는 대답하기 매우 어려운 문제이다. 모든 살아있는 세포에서 아미노산들은 몇 단계의 펩티드 결합에 의해서 연결된다. 이들 각 단계는 역시 단백질로 이루어진 조절자(regulator)에 의해서 조절된다. 이 과정은 에너지를 필요로 한다. 단백질을 형성하는 생물체가 존재하기도 전에 어떻게 단백질이 합성될 수 있었을까? 이러한 수수께끼를 풀기 위해 과학자들은 단백질을 사용하지 않고 아미노산을 결합시켜 단백질과 유사한 분자를 만들 수 있는 방법을 찾아내기 위해 노력했다. 한 방법이 플로리다 주립대학의 시드니 폭스(Sidney Fox)에 의해 시도되었는데, 그는 건조시킨 아미노산의 덩어리를 물이 끓는 온도 이상으로 가열했다. 펩티드 결합이 형성되는 동안 물분자는 증발되어 버린다. 이 덩어리가 냉각되었을 때 폭스는 많은 아미노산이 결합하여 단백질의 특성을 지닌 한층 더 복잡한 분자가 형성된 것을 발견했다. 폭스의 실험으로 원시지구의 상태에서 열에 의해 각 아미노산 분자가 단백질로 합성되었다는 것이 증명된 것은 아니다. 이는 다만 생물체의 도움 없이도 단순한 유기물 분자로부터 한층 더 복잡한 유기물 분자가 형성될 수 있음을 보여 주는 것으로, 종속영양 생물설을 한층 더 지지해 주고 있다.

출처 : http://aped.snu.ac.kr/cyberedu/cyberedu2/kor/kor28-03.html

출처 : sunrisesunset

글쓴이 : 가을여자 원글보기

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