3강 / 20강

물 — 모든 반응이 일어나는 자리

극성 · 수소결합 · 소수성 효과

세포 안은 대부분 물입니다. 그래서 물과 잘 지내느냐가 분자의 운명을 정합니다.

물 분자는 휘어 있고, 산소가 전자를 더 세게 당깁니다. 그래서 산소 쪽은 살짝 −, 수소 쪽은 살짝 + 를 띱니다 — 극성입니다.

고등학생모든 반응이 일어나는 자리

생물학의 모든 반응은 물속에서 일어납니다. 그러니 물의 성질을 모르면 아무것도 설명이 안 돼요.

물은 극성이다 — 한쪽이 (−), 다른 쪽이 (+)

왜 극성인가 — 화학 시간에 배운 것

산소가 수소보다 전자를 더 세게 당깁니다(전기음성도). 그래서 전자가 산소 쪽으로 쏠려요.

산소 쪽 → 부분 음전하 (δ−)
수소 쪽 → 부분 양전하 (δ+)

그리고 분자 모양이 굽어 있어서 상쇄되지 않습니다. (직선이었다면 상쇄되어 무극성이 됐을 거예요.)

굽은 모양 + 전기음성도 차이 = 극성

그래서 물이 하는 일

대상	어떻게 되나
극성 분자 (당 · 아미노산)	잘 녹는다 — 물이 감싼다
이온 (Na⁺ · Cl⁻)	잘 녹는다 — 물이 둘러싼다
무극성 분자 (기름 · 지질)	안 녹는다 — 밀려난다

"비슷한 것끼리 녹는다" — 학교에서 배운 그 규칙

그리고 세 번째 줄이 이 강의에서 가장 중요합니다. 왜 밀려나는지, 그리고 밀려나면 무슨 일이 생기는지 — 그게 소수성 효과이고 생명의 구조를 만듭니다.

녹는 것과 안 녹는 것

물에 녹는다 (친수성)

전하가 있거나(Na⁺, Cl⁻, 인산기) 수소결합을 할 수 있는(−OH, −NH₂) 분자. 당 · 아미노산 · 뉴클레오타이드.

안 녹는다 (소수성)

탄소와 수소만 있는 부분. 지방산 꼬리 · Ala 의 −CH₃. 물이 싫어한다기보다, 물끼리 붙는 게 더 이득이라 밀려납니다.

고등학생물이 밀어내면 무슨 일이 생기나

기름이 물에서 뭉치는 것을 다들 봤죠. 그런데 왜 뭉칠까요?

흔한 오해

오해	실제
"기름끼리 서로 좋아해서"	물이 밀어내서 어쩔 수 없이 뭉친 것

뭉치는 것이 목적이 아니라 결과다

비유 — 만원 지하철

지하철에 사람이 꽉 찼습니다. 서로 친해서 붙어 있나요? 아니죠. 공간이 없어서 밀려 붙은 겁니다.

기름 분자도 마찬가지예요. 물끼리 수소결합으로 뭉치려 하는데 기름이 방해가 되니 한쪽으로 밀어냅니다.

왜 이 구별이 중요한가

이 힘이 생명의 구조를 만들기 때문입니다.

구조	어떻게 만들어지나
세포막	지질의 꼬리가 밀려나 두 겹으로 늘어선다
단백질 접힘	소수성 곁사슬이 안쪽으로 숨는다 (11강)
DNA 이중나선	염기가 안쪽에 쌓인다

아무도 설계하지 않았는데 저절로 만들어진다

이걸 자기조립(self-assembly) 이라고 합니다. 물이라는 환경이 구조를 강요하는 셈이에요.

그래서 '생명은 물에서 시작했다' 는 말

물이 없으면 막도 없고 단백질 접힘도 없습니다. 생명의 기본 구조가 물의 성질에서 나온 거예요.

고등학생소수성 효과 — 사실은 엔트로피 이야기

note 를 조금 더 깊이 들어가 봅시다. 왜 물이 밀어내는지를 정확히 말하면 —

기름 주위의 물이 자유롭게 못 움직여서

무슨 뜻인가

물 분자는 보통 제멋대로 움직이며 이웃과 수소결합을 만들었다 끊었다 합니다. 자유로워요.

그런데 기름 분자 주위에서는 수소결합할 상대가 없습니다. 그래서 물이 기름을 둘러싸고 질서 있게 늘어서요.

질서 있게 늘어서는 것 = 엔트로피가 줄어드는 것

엔트로피 — 화학에서 배운 그것

자연은 엔트로피가 커지는 쪽으로 갑니다. 그러니 물은 질서 있게 늘어서기 싫어해요.

기름 방울이 뭉치면 어떻게 될까요?

	기름이 흩어져 있을 때	뭉쳤을 때
기름 표면적	크다	작다
갇힌 물 분자	많다	적다
엔트로피	낮다	높다 ✔

기름이 뭉치면 물이 자유로워진다 — 그래서 뭉친다

놀라운 결론

기름을 뭉치게 하는 힘이 기름에 있는 게 아닙니다. 물에 있어요.

이건 정말 반직관적입니다. 그리고 생명 구조의 근본이에요 — 막도, 단백질 접힘도 전부 물의 엔트로피가 만듭니다.

주인공이 보이지 않는 쪽에 있을 때가 있다

생명이 물에서 시작한 이유의 절반이 이 표에 있습니다.

Python 브라우저에서 실행

# 물이 만드는 수소결합의 수 — 왜 물은 100°C 까지 액체인가
분자량 = {"H2O": 18, "H2S": 34, "CH4": 16, "NH3": 17}
끓는점 = {"H2O": 100, "H2S": -60, "CH4": -161, "NH3": -33}
수소결합 = {"H2O": "예 (강함)", "H2S": "거의 없음", "CH4": "없음", "NH3": "예"}

print(f"{'분자':6}{'분자량':>7}{'끓는점(°C)':>12}   수소결합")
for m in 분자량:
    print(f"{m:6}{분자량[m]:>7}{끓는점[m]:>12}   {수소결합[m]}")
print()
print("H2S 는 물보다 두 배 무거운데도 -60°C 에서 끓는다.")
print("물이 100°C 까지 버티는 것은 무게가 아니라 수소결합 때문이다.")

고등학생생명이 물에서 시작한 이유의 절반

캡션의 이 문장을 풀어 봅시다. 물이 왜 그렇게 특별한지를요.

물의 성질	생명에 왜 필요한가
극성	영양분·이온을 녹여 나른다
소수성 효과	막과 구조를 만든다
높은 비열	온도가 급변하지 않는다
얼면 뜬다	호수가 바닥까지 안 언다
상온에서 액체	분자가 돌아다닐 수 있다

전부 수소결합에서 나온다

비슷한 크기의 다른 분자와 견주면

분자	분자량	끓는점
H₂O (물)	18	100°C
H₂S	34 (더 무겁다)	−60°C

더 무거운 H₂S 가 훨씬 낮은 온도에서 끓습니다. 물이 비정상적으로 끓는점이 높은 거예요.

수소결합이 물 분자를 서로 붙잡고 있어서

만약 물이 H₂S 처럼 −60°C 에서 끓었다면? 지구 표면에 액체 물이 없었을 겁니다. 생명도 없었겠죠.

'절반' 이라는 말

캡션이 "이유의 절반" 이라고 조심스럽게 적었습니다. 나머지 절반은 뭘까요?

탄소의 성질, 에너지원, 우연 — 여러 가지가 있고 아직 모르는 것도 많습니다.

"이것 때문이다" 대신 "이유의 한 갈래" 라고 말하는 태도

이 사이트의 강의들이 계속 지키는 방식입니다. 아는 만큼만 말하는 것.

🤔 확인 문제

소수성 분자가 물 속에서 뭉치는 진짜 이유는?