EARTH · 지각 Si Si-O 사면체 (규산염) UNITS → POLYMERS 단위체 → 중합체 반복 결합으로 생성 LIFE · 생명체 뉴클레오타이드 (DNA) 지각도, 생명도 — 작은 단위체의 무한한 조합 자연이 복잡함을 만드는 비결: 단위체(unit)의 반복 결합 Si-O TETRAHEDRON · AMINO ACID · NUCLEOTIDE
CHAPTER Ⅱ · 물질과 규칙성 · LESSON 05
10통과1-02-05

지각과 생명체의 구성 물질

놀랍게도 자연은 비슷한 전략을 두 번 썼다. 지각은 'Si-O 사면체'라는 단위체를 반복해 다양한 광물을 만들고, 생명체는 '아미노산' 또는 '뉴클레오타이드'라는 단위체를 반복해 단백질과 핵산을 만든다. 자연이 복잡함을 만드는 비결은 같다 — 작은 단위체의 반복과 다양한 배열. 레고 블록 몇 종으로 무한한 형태를 만들듯, 자연은 단위체 몇 개로 지구와 생명을 빚었다.

01
단위체와 중합체의 개념을 이해한다.
02
지각의 구성: Si-O 사면체와 규산염 광물.
03
생명체의 구성: 아미노산 → 단백질, 뉴클레오타이드 → 핵산.
OPENING STORY · 레고 블록의 비밀

"몇 가지 단위 블록만 있으면 무엇이든 만들 수 있다 — 자연도, 레고도."

한 종류의 레고 블록만 가지고도 자동차, 비행기, 성, 우주선 등 무엇이든 만들 수 있다. 자연도 비슷한 방법을 쓴다. 지각에는 약 92개 원소가 있지만, 지각의 90% 이상은 Si-O 사면체라는 단 하나의 단위체로 이루어져 있다. 생명체는 더 놀랍다. 모든 단백질이 단 20종의 아미노산으로, 모든 유전 정보가 단 4종의 뉴클레오타이드로 만들어진다. 단순함이 곧 다양성의 비결이다.

SECTION 01

단위체(Unit)와 중합체(Polymer) — 자연의 디자인 원칙

단위체(monomer)는 어떤 물질을 이루는 가장 기본적인 구성 블록이고, 중합체(polymer)는 그 단위체들이 반복적으로 결합해 만들어진 큰 분자이다. 자연은 이 원칙 하나로 지각(규산염)·단백질·DNA·녹말·생체막을 모두 만들어 낸다. 영어 polymer는 그리스어 poly(많은) + meros(부분)에서 유래 — "많은 부분으로 이루어진 것"이라는 뜻. 자연이 이 방식을 택한 이유는 명확하다 — 적은 종류의 부품으로 무한한 다양성을 만들 수 있기 때문이다. 20종의 아미노산으로 인체 단백질 10만 종을, 4종의 뉴클레오타이드로 모든 생명체의 유전자를, Si-O 사면체 하나로 지각의 모든 규산염 광물을 만든다. 1953년 슈타우딩거(Staudinger)가 노벨화학상을 받은 후, 인류도 자연을 모방해 플라스틱·나일론·실리콘·고무를 만들어 산업을 바꿔 왔다.

🧬 자연의 5대 단위체 → 중합체 시스템

🪨
UNIT 01 · MINERAL
Si-O 사면체
규소 1 + 산소 4의 정사면체 구조 (SiO₄⁴⁻)
공유결합 + 산소 공유
규산염 광물
감람석·휘석·각섬석·운모·석영. 지각 92%.
🧪
UNIT 02 · PROTEIN
아미노산 (20종)
H₂N–CHR–COOH 구조. 곁사슬 R로 종류 결정.
펩타이드 결합
단백질 (10만+ 종)
효소·헤모글로빈·근육·항체·머리카락·콜라겐.
🧬
UNIT 03 · NUCLEIC ACID
뉴클레오타이드 (4종)
A·T·G·C (DNA), A·U·G·C (RNA)
인산-당 결합 (포스포디에스테르)
핵산 (DNA·RNA)
유전 정보 저장·전달. 인간 30억 글자.
🍞
UNIT 04 · CARBOHYDRATE
단당류 (포도당)
C₆H₁₂O₆ — 가장 흔한 6탄당
글리코시드 결합
다당류 (녹말·셀룰로스·글리코겐)
에너지 저장·세포벽·식물의 90%가 셀룰로스.
🧴
UNIT 05 · LIPID
지방산·인산기
긴 탄소 사슬 + 인산머리
에스터 결합
지질·인지질·세포막
세포 경계·호르몬·에너지 저장(지방). 인지질 이중층.

자연의 단위체와 중합체

UNIT · 단위체

Si-O 사면체

규소 1 + 산소 4
반복 결합
POLYMER · 중합체

규산염 광물

감람석·휘석·각섬석·운모·석영
UNIT · 단위체

아미노산 (20종)

단백질의 기본 블록
펩타이드 결합
POLYMER · 중합체

단백질

효소·헤모글로빈·근육·항체
UNIT · 단위체

뉴클레오타이드 (4종)

A · T(U) · G · C
인산-당 결합
POLYMER · 중합체

핵산 (DNA·RNA)

유전 정보의 저장과 전달

자연의 단위체와 중합체

UNIT · 단위체

Si-O 사면체

규소 1 + 산소 4
반복 결합
POLYMER · 중합체

규산염 광물

감람석·휘석·각섬석·운모·석영
UNIT · 단위체

아미노산 (20종)

단백질의 기본 블록
펩타이드 결합
POLYMER · 중합체

단백질

효소·헤모글로빈·근육·항체
UNIT · 단위체

뉴클레오타이드 (4종)

A · T(U) · G · C
인산-당 결합
POLYMER · 중합체

핵산 (DNA·RNA)

유전 정보의 저장과 전달
WHY 왜 자연은 단위체 방식을 택했을까?

경제적: 적은 종류의 부품으로 무한한 다양성을 만들 수 있다.
안정적: 일정한 패턴이 반복되므로 구조가 안정하다.
변화 가능: 단위체 순서를 바꿔 새로운 기능의 분자를 만들기 쉽다.
이 세 가지 장점이 자연이 단위체 방식을 진화시킨 이유이다.

🔬 중합 반응(Polymerization) — 단위체가 모여 사슬이 되는 과정

CONDENSATION POLYMERIZATION · 축합 중합 (펩타이드 결합 예시)
AA-1 H₂N–CHR₁–COOH + AA-2 H₂N–CHR₂–COOH −H₂O AA-1 peptide AA-2 H₂O 방출 → 더 반복하면 단백질 (수천 단위체) ··· 축합 중합 (Condensation) — 물(H₂O) 방출
🔑 두 가지 중합 방식 — ① 축합 중합(condensation): 단위체가 결합하면서 작은 분자(주로 H₂O) 방출. 단백질·DNA·녹말이 모두 축합 중합. ② 첨가 중합(addition): 이중결합이 풀리며 결합 — 폴리에틸렌(비닐봉지)·폴리스틸렌 같은 합성 폴리머. 둘 다 자연·산업에서 핵심 메커니즘.

📊 자연 폴리머 vs 인공 폴리머

비교 항목 자연 폴리머 (Natural) 합성 폴리머 (Synthetic)
예시단백질·DNA·녹말·셀룰로스·실크플라스틱·나일론·PVC·고무·실리콘
단위체 종류20종 (아미노산)·4종 (DNA)1~3종 (단순한 모노머)
구조 제어유전자가 정확히 제어반응 조건으로 통계적 제어
분해생분해 가능 (효소·미생물)대부분 분해 매우 어려움
역사35억 년 전부터 진화1909 베이클라이트가 최초
환경 영향순환 가능플라스틱 오염 (연 380만 t 해양 유입)

🧪 인류가 만든 8대 합성 폴리머 — 현대 문명의 기초

🛍
PE · 1933
(C₂H₄)ₙ
폴리에틸렌

비닐봉지·랩·식품 용기. 세계 생산량 1위 (연 1억 t).

🧴
PET · 1941
(C₁₀H₈O₄)ₙ
페트병 (PET)

음료수병·옷섬유(폴리에스터). 가장 많이 재활용.

🧵
NYLON · 1935
(C₆H₁₁NO)ₙ
나일론

듀폰 캐러더스 발명. 스타킹·낚싯줄·낙하산.

🪟
PVC · 1872
(C₂H₃Cl)ₙ
PVC

수도관·창틀·바닥재. 단단·내구성.

🛞
SBR · 1929
(C₈H₈)·(C₄H₆)
합성고무 (SBR)

자동차 타이어 핵심. 천연고무 보완.

🪥
PP · 1954
(C₃H₆)ₙ
폴리프로필렌

일회용 컵·플라스틱 가구·자동차 부품.

🧊
PS · 1839
(C₈H₈)ₙ
폴리스틸렌

스티로폼 발포·일회용 용기. 단열재.

🍳
PTFE · 1938
(C₂F₄)ₙ
테플론 (PTFE)

들러붙지 않는 프라이팬. 우주선 단열.

NOBEL PRIZE · 폴리머 화학의 발전

🏆 폴리머 화학과 노벨화학상

헤르만 슈타우딩거가 1920년 "고분자는 작은 분자들이 공유결합으로 길게 연결된 거대 분자"라는 가설을 발표 — 당시 학계는 믿지 않았다. 그러나 30여 년의 검증 끝에 1953년 노벨화학상 수상. 이후 폴리머 과학은 폭발적으로 성장 — 1963 지글러-나타(폴리에틸렌 촉매), 1974 플로리(폴리머 통계), 2000 시라카와·맥다이아미드·히거(전도성 폴리머)까지 노벨화학상이 이어졌다. 2024년 알파폴드는 단백질 폴리머의 3차원 구조를 예측해 노벨화학상을 받았다 — 자연의 폴리머가 21세기 AI 시대까지 이어진다.

1953
슈타우딩거 (폴리머 개념 정립)
1963
지글러-나타 (폴리에틸렌 촉매)
2024
알파폴드 (단백질 구조 예측)
🇰🇷

한국 폴리머 산업 — K-소재 강국

석유화학·바이오·디스플레이 — 모두 폴리머 산업

CASE 01 · PETROCHEMICAL
K-석유화학 — 세계 5위

한국은 에틸렌 생산 세계 4위. LG화학·롯데케미칼·한화솔루션이 PE·PP·PVC 등 기본 폴리머를 전 세계에 공급한다.

🏭 에틸렌 세계 4위
CASE 02 · BIO
K-바이오 폴리머 — 단백질·항체

셀트리온·삼성바이오로직스가 항체 폴리머 의약품(렘시마 등)을 생산. 단백질 폴리머 제조 글로벌 점유 25%.

💊 항체 의약 25% 점유
CASE 03 · DISPLAY
K-디스플레이 — OLED 폴리머

삼성·LG가 OLED 디스플레이 세계 80%+. 유기 폴리머의 공유결합이 빛을 내는 핵심.

📺 OLED 세계 80%+
CASE 04 · ECO-PLASTIC
K-친환경 폴리머

SK이노베이션·CJ제일제당이 생분해성 플라스틱(PHA·PLA) 개발. 해양 플라스틱 오염 해법.

🌱 PHA 양산 시작 (2023)
SYNTHESIS 자연이 가르쳐준 단위체-중합체 원리, 인류가 배워서 산업으로

"적은 부품으로 무한한 다양성" — 자연이 35억 년 전부터 진화시킨 단위체-중합체 원리는 인류 화학 산업의 청사진이 되었다. 20종 아미노산이 10만 종 단백질을 만드는 것처럼, 1~3종 모노머가 수천 종 합성 폴리머를 만들고 — 그 위에 플라스틱·섬유·고무·디스플레이·의약품 산업이 세워졌다. 그러나 차이도 있다 — 자연 폴리머는 생분해되어 순환하지만, 합성 폴리머는 분해되지 않아 플라스틱 오염이 21세기 환경 문제로 떠올랐다. 다음 SECTION에서는 자연이 만든 첫 폴리머 — 지각의 Si-O 사면체가 어떻게 광물을 빚었는지 살펴본다.

SECTION 02

지각의 단위체 — Si-O 사면체

지각 무게의 약 75%는 산소(O)와 규소(Si)이다. 이 두 원소가 결합한 Si-O 사면체(silica tetrahedron)가 지각의 모든 규산염 광물의 기본 단위이다. 가운데에 규소 1개, 꼭짓점에 산소 4개가 정사면체 모양으로 결합한 구조이다.

Si-O 사면체 구조 © Wikimedia
UNIT · 기본 단위 SiO₄⁴⁻
Si-O 사면체 — 지각의 레고
Silicon-oxygen tetrahedron · 정사면체
가운데 규소(Si) 1개, 네 꼭짓점에 산소(O) 4개가 배치된 정사면체. Si는 4개의 결합손을 가지므로 산소 4개와 결합한다. 사면체 자체는 −4의 전하를 띠며, 금속 양이온이나 다른 사면체와 결합해 다양한 광물을 만든다. 지각 광물의 90% 이상이 이 단위체로 시작한다.
Si–O 길이
162 pm
O–Si–O 각
109.5°
DEFINITION · 정의 규산염 광물: Si-O 사면체를 기본 단위로 가지는 광물. 결합 방식에 따라 5가지 유형으로 나뉜다(다음 그림 참고).
석영 결정 (브라질) © Wikimedia
NETWORK · 망상 결합 SiO₂
석영(Quartz) — 가장 단단한 망상
Crystalline silica · 모스 경도 7
Si-O 사면체가 모든 4개 꼭짓점의 산소를 다른 사면체와 공유한 3차원 그물 구조. 그래서 화학식이 SiO₂(산소 1개를 둘이 나눠 가짐). 모래·유리·콘크리트·반도체의 핵심 원료이며, 지각에서 두 번째로 풍부한 광물(약 12%).
M.P.
1,713 ℃
밀도
2.65 g/㎤
TECH · 현대 기술 석영 결정에 압력을 가하면 전압이 발생(압전 효과) → 시계의 정확성·라이터의 점화·초음파 발생에 쓰인다.
감람석 (Olivine) © Wikimedia
ISLAND · 독립 사면체 (Mg,Fe)₂SiO₄
감람석(Olivine) — 맨틀의 주역
Nesosilicate · 독립 사면체형
Si-O 사면체가 서로 직접 결합하지 않고 독립적으로 떠 있는 구조. 사이를 Mg²⁺나 Fe²⁺ 등 금속 양이온이 채운다. 지구 맨틀(상부)의 주성분이며, 보석으로는 페리도트(Peridot)로 불린다. 8월의 탄생석.
올리브 녹색
맨틀 함량
~60%
SPACE · 우주 화성·달의 운석에서도 감람석이 발견된다. 태양계 형성 초기부터 존재한 가장 오래된 광물 중 하나.
카올린/운모 점토광물 © Wikimedia
SHEET · 판상 결합 Al₂Si₂O₅(OH)₄
운모·점토 — 얇게 벗겨지는 시트
Phyllosilicate · 필로실리케이트
Si-O 사면체가 평면(시트)으로 연결되고, 시트끼리는 약한 인력으로 쌓여 있다. 그래서 얇은 층으로 잘 갈라진다. 흑운모·백운모(Mica)·고령토(Kaolin)·활석(Talc)이 모두 같은 구조. 도자기·화장품·시멘트·전기 절연체 등에 쓰인다.
활석 경도
Mohs 1 (최소)
운모 경도
Mohs 2.5
USE · 도자기와 화장품 고령토(kaolin)는 도자기의 원료(china clay). 화장품의 활석(talc) 가루는 같은 시트 구조 광물.

Si-O 사면체의 6가지 결합 방식 — 단순에서 복잡으로

같은 단위체(Si-O 사면체)도 공유하는 산소의 수에 따라 6가지 결합 방식으로 분류되며, 각각 완전히 다른 광물이 된다. 아래로 갈수록 공유 산소가 많아지고, 결합이 강해지며, 광물이 단단해진다.

독립 사면체

NESOSILICATE · island
★☆☆☆☆☆
서로 떨어져 있음

사면체들이 서로 떨어져 있고, 사이 빈 공간을 Mg²⁺·Fe²⁺ 등 금속 양이온이 채워 결합을 매개한다. 가장 단순한 구조.

[SiO₄]⁴⁻ 독립 단위
MINERALS · 대표 광물 감람석(Olivine)·석류석(Garnet)·지르콘(Zircon)·황옥(Topaz)
FUN FACT 감람석은 지구 맨틀 상부의 약 60%를 차지하며, 보석으로는 페리도트(Peridot, 8월 탄생석). 화성·달의 운석에서도 발견되는 태양계 최고령 광물.

고리형 사면체

CYCLOSILICATE · ring
★★☆☆☆☆
6각형 닫힌 고리

사면체들이 3·4·6개씩 닫힌 고리를 이룬다. 각 사면체가 두 이웃과 산소 1개씩을 공유. 보석 광물이 많아 가장 화려한 그룹.

[Si₆O₁₈]¹²⁻ (6각 고리)
MINERALS · 대표 광물 녹주석/베릴(Beryl)·전기석(Tourmaline)·근청석(Cordierite)
GEMS · 보석의 가족 베릴의 변종 — 에메랄드(녹)·아쿠아마린(청)·모간나이트(분홍)가 모두 같은 6각 고리 구조. 색은 미량의 금속(Cr·Fe·Mn)이 결정한다.

단일 사슬

INOSILICATE · single chain
★★★☆☆☆
한 방향으로 무한히 연결 ···

사면체가 한 줄로 무한히 연결되어 사슬을 이룬다. 각 사면체가 두 이웃과 산소를 1개씩 공유. 한 방향으로만 결합이 강해 그 방향으로 길게 자란다.

[SiO₃]ⁿ²⁻ (무한 사슬)
MINERALS · 대표 광물 휘석(Pyroxene)·완화휘석·보석 옥(Jade)의 일부
USE · 산업·보석 휘석은 현무암·반려암 같은 화성암의 주요 구성광물. 옥 보석의 절반(연옥, Nephrite)은 휘석군에 속한다.

이중 사슬

INOSILICATE · double chain
★★★★☆☆
두 줄이 짝지어 연결

두 줄의 단일 사슬이 짝지어 이중 띠를 이룬다. 일부 사면체는 산소 3개를 공유하므로 단일 사슬보다 단단하고 두꺼운 결정이 만들어진다.

[Si₄O₁₁]ⁿ⁶⁻ (이중 띠)
MINERALS · 대표 광물 각섬석(Amphibole)·각섬암·석면(Asbestos)·경옥(Jadeite)
WARNING · 석면 발암성 석면은 이중 사슬이 가늘게 갈라진 섬유 모양. 폐에 박히면 발암성 → 1986년부터 사용 금지. 과거에는 단열재·건축자재로 광범위하게 쓰였다.

판상(시트) 결합

PHYLLOSILICATE · sheet
★★★★★☆
평면 시트 (얇게 잘 갈라짐)

사면체가 2차원 평면(시트)으로 무한히 연결. 시트와 시트 사이는 약한 인력으로 쌓여 있어 얇은 책장처럼 갈라진다(완전 벽개). 4번째 산소가 위쪽으로 튀어나와 다른 층과 약하게 연결.

[Si₂O₅]ⁿ²⁻ (무한 시트)
MINERALS · 대표 광물 흑운모·백운모(Mica)·고령토(Kaolin)·활석(Talc)·녹니석
USE · 일상의 시트 광물 고령토는 도자기·종이 코팅, 활석(talc)은 베이비파우더·화장품의 가루, 운모는 한때 전기 절연체로 사용. 모두 같은 시트 구조!

망상 (3차원)

TECTOSILICATE · framework
★★★★★★
3D 모든 꼭짓점 공유 · 최강 구조

사면체가 3차원 모든 방향으로 산소를 공유한 그물망 구조. 가장 단단하고 안정한 결합 형태로, 지각에서 가장 풍부한 광물군(석영+장석이 지각의 65% 이상).

SiO₂ (석영) · KAlSi₃O₈ (장석)
MINERALS · 대표 광물 석영(Quartz)·장석(Feldspar)·비석(Zeolite)·인공 합성 다이아 SiC
TECH · 현대 산업의 기초 석영의 압전 효과로 시계·라이터 발화·초음파가 만들어진다. 비석(Zeolite)은 안에 미세 구멍이 있어 분자 체로 작용 — 세제·정수기·석유 정제에 필수.
SECTION 03

생명체의 단위체 ① — 아미노산과 단백질

생명체의 거의 모든 일을 하는 것이 단백질(protein)이다. 효소·호르몬·항체·헤모글로빈·근육 모두 단백질이다. 그런데 이 모든 단백질이 단 20종의 아미노산이 다양한 순서와 길이로 결합해 만들어진다. 알파벳 26자로 모든 책을 쓰듯, 자연은 아미노산 20자로 모든 단백질을 만든다.

펩타이드 결합 © Wikimedia
BOND · 아미노산 결합 −CO−NH−
펩타이드 결합 — 사슬 만들기
Peptide bond · 탈수 축합
한 아미노산의 카복실기(−COOH)와 다른 아미노산의 아미노기(−NH₂)가 만나 물(H₂O) 한 분자를 빼면서 결합한다(탈수 축합 반응). 이 결합이 수십~수천 번 반복되어 단백질 사슬이 만들어진다.
결합 형식
아마이드
탈수 부산물
H₂O 1분자
DEFINITION · 정의 펩타이드 결합: 두 아미노산 사이에 물을 잃고 형성되는 −C(=O)−N(H)− 공유결합. 단백질의 골격.
단백질 3차 구조 © Wikimedia
FOLD · 3차 구조 Tertiary structure
단백질의 접힘 — 모양이 곧 기능
Protein folding · alpha helix + beta sheet
아미노산 사슬은 단순한 끈이 아니다. 스스로 접혀 정교한 3차원 모양을 만든다. 나선(α-helix)·주름(β-sheet) 같은 2차 구조가 다시 접혀 3차 구조가 된다. 이 모양이 단백질의 기능을 결정한다 — 모양이 바뀌면 기능을 잃는다(변성).
2차 구조
α-나선·β-주름
접힘 시간
μs~ms
AI · 최신 과학 구글 AlphaFold(2020)는 AI로 단백질 3차 구조를 정확히 예측해 50년 묵은 난제를 풀었다 — 2024년 노벨 화학상.
미오글로빈 © Wikimedia
EXAMPLE · 실제 단백질 Mb · 153 a.a.
미오글로빈 — 근육의 산소 저장고
Myoglobin · iron-heme protein
근육 세포 안에서 산소(O₂)를 일시 저장하는 단백질. 가운데 헴(heme) 분자 안에 철(Fe²⁺) 원자가 있어 산소와 결합한다. 153개의 아미노산이 접혀 만든 작은 공 모양 단백질로, 1958년 X선 결정학으로 밝혀진 인류 최초의 3차 구조이다(Kendrew, 노벨상 1962).
아미노산 수
153 개
분자량
~17.7 kDa
FUN FACT · 고기색 붉은 고기의 붉은색은 미오글로빈 때문(혈액 헤모글로빈이 아니다). 고래는 깊이 잠수하기 위해 미오글로빈이 매우 많다.
DIVERSITY 20종 × 무한한 순서 = 우리 몸의 단백질

길이 100개의 아미노산 사슬을 만든다고 하자. 가능한 순서의 수는 20¹⁰⁰개 ≈ 10¹³⁰개이다. 이는 우주의 모든 원자 수(약 10⁸⁰)보다 훨씬 많은 수. 그래서 단 20종의 아미노산만으로도 인간 몸의 약 10만 종 단백질을 모두 만들 수 있다.

SECTION 04

생명체의 단위체 ② — 뉴클레오타이드와 DNA

DNA(디옥시리보핵산)는 생명의 설계도이다. 단백질을 어떻게 만들지 정보가 담겨 있다. 놀랍게도 이 모든 정보는 단 4종의 뉴클레오타이드의 순서로 표현된다. A · T · G · C — 단 네 글자로 인간의 30억 글자 코드가 쓰여 있다.

DNA 이중나선 © Wikimedia
STRUCTURE · 이중나선 B-DNA
DNA 이중나선 — 생명의 설계도
Watson–Crick · 1953년 발견
두 가닥의 폴리뉴클레오타이드가 마주 보며 나사 모양으로 꼬여 있다. 한 바퀴 도는 데 10개의 염기쌍이 들어가고, 나선의 폭은 약 2 nm. 1953년 왓슨·크릭이 X선 회절 사진(로잘린드 프랭클린의 사진 51번)을 토대로 처음 밝혀냈다 — 20세기 생명과학 최대 발견.
나선 폭
2 nm
1회전 염기수
10 쌍
HISTORY · 1953년 발견 왓슨·크릭·윌킨스가 1962년 노벨상을 받았지만, 로잘린드 프랭클린의 결정적 기여(사진 51)는 사후에야 인정되었다.
DNA 화학 구조 © Wikimedia
PAIRING · 상보 짝짓기 A=T · G≡C
A-T·G-C 염기쌍 — 단 4글자의 코드
Base pairing · hydrogen bonds
안쪽 염기는 정확한 짝으로만 결합한다 — A는 T와(수소결합 2개), G는 C와(수소결합 3개). 그래서 한 가닥의 순서를 알면 다른 가닥은 자동으로 정해진다(상보성). 바깥 골격은 인산(P)-당(deoxyribose)이 번갈아 결합한 것.
A-T 결합
H-bond 2개
G-C 결합
H-bond 3개
CODE · 정보 저장 인간 DNA는 약 30억 개 염기쌍 — 4글자(A·T·G·C)의 순서로 적힌 책 한 권 크기의 정보.
부모 DNA 새 가닥 1 새 가닥 2 효소 DNA REPLICATION
REPLICATION · 복제 semi-conservative
DNA 복제 — 정보가 정확히 복사되는 비결
Semi-conservative replication
세포 분열 직전, DNA의 두 가닥이 지퍼처럼 풀린다. 풀린 각 가닥을 주형(template)으로 삼아 DNA 중합효소가 새로운 짝 가닥을 합성한다. 결과: 똑같은 DNA 2개. 상보적 짝짓기 규칙(A-T·G-C)이 완벽한 복사를 가능하게 한다.
정확도
~10⁹ 중 1 오류
속도
~50 b/s (인간)
EVOLUTION · 다양성의 원천 아주 드물게 일어나는 복제 오류(돌연변이)가 생물 진화의 원동력. 정확하면서도 가끔 틀리는 균형이 핵심.

🧬 단위체 → 중합체 시뮬레이터 — 탭으로 비교해 보자

지각·단백질·핵산 모두 같은 원리(단위체의 반복 결합)로 만들어집니다.

단위체 형태와 그 반복 결합 패턴을 보여 줍니다.
EXPLORATION · 탐구 활동

🧬 DNA 모형 제작 — 단위체의 다양한 배열 탐구

간단한 재료로 DNA 이중나선 모형을 직접 만들어, 단위체(뉴클레오타이드)의 배열 원리를 체험해 보자.

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재료 준비 · 4가지 색 클립(또는 빨대·종이), 끈 또는 철사 2가닥(골격), 가위, 풀.

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염기쌍 규칙 · 빨강(A)은 파랑(T)과만, 초록(G)은 노랑(C)과만 짝지을 수 있다는 규칙을 정한다.

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한 가닥 만들기 · 끈을 골격으로 삼아 클립을 10개 정도 임의 순서로 붙인다. 예: A-T-G-C-A-A-G-T-C-T

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상보 가닥 · 첫 가닥의 각 클립과 짝이 되는 색의 클립을 두 번째 골격에 붙인다. 규칙대로 하면 자동으로 정해진다.

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꼬기 · 두 골격을 살짝 꼬아 이중나선 모양을 만든다. 실제 DNA처럼 보인다.

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토론 · 똑같은 4종 단위체로 만들었지만, 순서가 다르면 다른 유전 정보가 된다. 이것이 바로 단위체 디자인의 위력이다.

WRAP UP

이 단원에서 배운 것

KEY 01 단위체 + 반복 결합 = 중합체

자연은 작은 단위체(monomer)를 반복 결합해 복잡한 중합체(polymer)를 만든다. 지각의 규산염, 생명체의 단백질·핵산 모두 같은 디자인 원칙을 따른다 ― ① 적은 부품으로 무한한 다양성, ② 안정적 패턴, ③ 순서를 바꿔 새로운 기능 창출.

KEY 02 지각의 단위체 = Si-O 사면체

지각 무게의 약 75%가 Si와 O. Si 1개 + O 4개가 정사면체 모양으로 결합한 단위체가 지각 광물의 90% 이상을 차지한다. Si-O 결합은 강한 공유결합이라 광물이 단단하고 풍화에 강하다.

KEY 03 사면체 결합 방식 → 다양한 광물

같은 Si-O 사면체도 결합 방식에 따라 전혀 다른 광물이 된다 ― 독립(감람석)·사슬(휘석)·이중 사슬(각섬석)·판상(운모·점토)·망상(석영·장석). 복잡한 결합일수록 단단해진다. 망상 결합인 석영은 모스 경도 7.

KEY 04 단백질 = 20종 아미노산의 펩타이드 결합

20종 아미노산이 펩타이드 결합(−CO−NH−)으로 사슬을 이루고, 그 사슬이 접혀 3차원 구조를 만든다. 모양이 곧 기능 — 효소·헤모글로빈·항체·근육 모두 단백질이다. 길이 100짜리 사슬의 가능한 순서는 20¹⁰⁰ ≈ 10¹³⁰가지(우주 원자 수의 10⁵⁰배).

KEY 05 DNA = 4종 뉴클레오타이드의 상보 짝짓기

4글자(A·T·G·C)의 순서로 모든 생명의 유전 정보가 기록된다. 두 가닥은 상보 짝짓기(A=T 2개 수소결합, G≡C 3개 수소결합)로 이중나선을 이룬다. 한 가닥을 알면 다른 가닥은 자동으로 정해진다 → 정확한 복제의 비결.

KEY 06 자연의 공통 디자인 — 단위체 디자인의 위력

전혀 다른 영역(돌 vs. 생명체)이 같은 디자인 원리를 공유한다는 점이 놀랍다. Si-O 사면체로 산이, 아미노산 사슬로 효소가, 뉴클레오타이드 사슬로 유전정보가 만들어진다. "적은 부품의 다양한 조합"이 우주가 복잡성을 만드는 가장 우아하고 효율적인 방법이다.