유기화학: 유기 화합물은 탄소의 화학적 성질에 기초를 두고 있습니다. 탄소는 원자가 3차원적으로 연결되어 발생할 수 있는 구조의 다양성과 범위에서 독특합니다. 광합성은 이산화탄소와 물을 산소와 탄수화물로 전환시킵니다. 식물에 구조적인 강성을 부여하는 물질인 셀룰로오스와 식물의 에너지 저장 생성물인 전분은 모두 고분자 탄수화물입니다. 광합성에 의해 생성되는 단순한 탄수화물은 식물과 동물의 왕국에서 발견되는 무수히 많은 유기 화합물의 원료를 형성합니다. 다양한 양의 수소, 산소, 질소, 황, 인 및 기타 원소와 결합하면 탄소 화합물의 구조적 가능성은 무한하며, 그 수는 모든 비유기 화합물의 합계를 훨씬 능가합니다. 유기 화학의 주요 초점은 이러한 자연적으로 생성되는 물질의 분리, 정제 및 구조적 연구입니다. 많은 천연 생성물은 단순 분자입니다. 예를 들어 개미의 포름산(HCO2 H), 과일 발효의 에틸알코올(C2 H5 OH), 대황 잎의 옥살산(C2 H2 O4)이 있습니다. 페니실린, 비타민 B12, 단백질 및 핵산과 같은 다른 천연 생성물은 매우 복잡합니다. 숙주 유기체로부터 순수한 천연 생성물을 분리하는 것은 존재할 수 있는 낮은 농도 때문에 어렵습니다. 그러나 일단 순수한 형태로 분리되면 현대 기기 기술은 100만 분의 1그램도 안 되는 무게의 구조적 세부 사항을 밝힐 수 있습니다. 화합물의 물리적 및 화학적 특성과 구조적 특징의 상관관계는 물리적 유기 화학의 영역입니다. 작용기라고 하는 특정 구조 단위에 의해 물질에 부여된 특성이 알려지면 원하는 특성을 나타낼 수 있는 새로운 분자를 설계하는 것이 가능합니다. 조절된 실험실 조건에서 특정 화합물을 제조하는 것을 합성화학이라고 합니다. 어떤 생성물은 천연자원에서 채취하여 정제하는 것보다 합성하기가 더 쉽습니다. 예를 들어 매년 수 톤의 비타민 C가 합성됩니다. 많은 합성물질은 그것들을 특별히 유용하게 만드는 새로운 특성을 가지고 있습니다. 많은 의약품과 농업용 화학물질과 마찬가지로 플라스틱이 그 대표적인 예입니다. 대부분의 유기물질이 구조적으로 복잡하다는 것은 합성화학자들에게 계속 도전과제입니다. 원하는 물질을 합성하려면 원자들을 순서대로, 그리고 적절한 3차원적인 관계로 함께 조각내야 합니다. 주어진 재목 더미와 벽돌을 여러 가지 방법으로 조립하여 여러 가지 다른 설계의 집을 지을 수 있듯이, 고정된 수의 원자들도 여러 가지 방법으로 서로 연결되어 다른 분자를 줄 수 있습니다. 많은 가능성 중에서 단지 하나의 구조적 배열만이 자연적으로 생성되는 분자와 동일할 것입니다. 예를 들어 항생제 에리트로마이신은 질소 원자 하나와 함께 탄소 37개, 수소 67개, 산소 원자 13개를 포함하고 있습니다. 이 118개의 원자는 적절한 순서로 결합해도 262,144개의 다른 구조를 만들 수 있고, 그 중 단 하나만이 천연 에리트로마이신의 특성을 가지고 있습니다. 유기화합물이 매우 풍부하고, 생명의 화학에서 근본적인 역할을 하며, 구조적 다양성 때문에 이들의 연구는 특히 어렵고 흥미롭습니다. 유기화학은 화학의 여러 분야 중에서 가장 큰 전문 분야입니다. 생화학: 19세기에 접어들면서 무생물 화학에 대한 이해가 높아지면서 생물체의 생리적 과정을 분자구조와 반응성으로 해석하려는 시도가 생화학의 한 분야로 발전했습니다. 생화학자들은 생명의 분자적 기초를 탐구하기 위해 화학의 기술과 이론을 사용합니다. 생물체는 그 생리적 과정이 고도로 통합된 수천 개의 화학반응의 결과물이라는 전제하에 연구됩니다. 생화학자들은 무엇보다도 세포 내 에너지 전달, 세포막의 화학구조, 유전정보의 암호화와 전달, 근육과 신경의 기능, 생합성 경로 등의 기초가 되는 원리를 확립했습니다. 실제로 관련 생체분자들은 생물체 내에서 세균과 인간의 역할에 못지않게 중요한 역할을 수행하는 것으로 밝혀졌습니다. 하지만 생체분자에 대한 연구는 많은 어려움을 겪고 있습니다. 그런 분자들은 종종 매우 크고 구조적으로 매우 복잡한 양상을 보이며, 게다가 그들이 겪는 화학반응은 대개 대단히 빠릅니다. 예를 들어 DNA 두 가닥의 분리는 100만 분의 1초 만에 일어납니다. 그런 빠른 반응 속도는 효소라는 생체분자의 중간작용을 통해서만 가능합니다. 효소는 3차원 화학구조 덕분에 놀라운 속도 가속 능력을 발휘하는 단백질입니다. 당연히 생화학적 발견은 질병의 이해와 치료에 큰 영향을 주었습니다. 선천적인 신진대사의 오류로 인한 많은 질병이 특정한 유전적 결함에서 비롯됩니다. 다른 질병들은 정상적인 생화학적 경로의 붕괴에서 비롯됩니다. 흔히 약물은 증상을 완화시킬 수 있는데, 치료제의 발견, 작용 방식, 분해 등도 생화학의 주요 연구 분야 중 하나입니다. 세균 감염은 술폰아미드, 페니실린, 테트라사이클린 등으로 치료할 수 있는데, 바이러스 감염에 대한 연구를 통해 헤르페스 바이러스에 대한 아시클로비르의 효과가 밝혀졌습니다. 현재 암 발생과 항암 치료에 대한 자세한 내용에 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 예를 들어 암을 일으키는 분자, 즉 발암물질이 핵산, 단백질과 반응하여 정상적인 작용 방식을 방해하면 암이 발생할 수 있다고 알려져 있습니다. 연구자들은 암을 유발할 가능성이 있는 분자를 찾아낼 수 있는 검사법을 개발했습니다. 물론 질병의 생화학적 기초가 좀 더 확실히 밝혀지면 암의 예방과 치료에 진전이 가속화될 것으로 기대하고 있습니다. 생물학적 과정의 분자적 기초는 빠르게 성장하는 분자생물학과 생명공학의 학문에서 필수적인 특징입니다. 화학은 단백질과 DNA의 구조를 빠르고 정확하게 결정하는 방법을 개발해 왔습니다. 또한 유전자 합성을 위한 효율적인 실험실 방법들이 고안되고 있습니다. 궁극적으로는 결함이 있는 유전자를 정상 유전자로 대체하여 유전병을 교정하는 것이 가능하게 될지도 모릅니다.
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