[책밤-시즌2. 발췌 3장] 우연과 필연. 3장 맥스웰의 도깨비
모임 정리
책밤
작성자
neomay33
작성일
2022-12-13 14:02
조회
1243
책밤-시즌 2 : 『우연과 필연』 3장. 맥스웰의 도깨비
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『우연과 필연』. 자크 모노 지음. 조현수 옮김. 궁리. 2022(제2판). 2010(제1판). 제3장. pp.73~93.(쪽수는 1판 기준)
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녹색아카데미에서는 매주 화요일 밤 9-10시에 온라인 책읽기 모임 '책밤'을 합니다. 현재 자크 모노의 <우연과 필연>을 읽고 있습니다. 모임에서 읽은 내용 중 핵심적이라고 생각하는 부분을 챕터별로 발췌해서 옮기고 있습니다. 질문이나 토론거리, 함께 보면 좋을 자료들이 있으시면 부담없이 공유해주세요.
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『우연과 필연』 목차
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머리말
1. 이상한 존재들
2. 생기론과 물활론
3. 맥스웰의 도깨비
4. 미시적 사이버네틱스
5. 분자 개체 발생
6. 불변성과 요란
7. 진화
8. 지식의 최전선
9. 왕국과 어둠의 나락
부록
옮긴이의 말
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제3장. 맥스웰의 도깨비
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생명체의 구조적, 기능적 합목적성을 가능하게 하는 분자적 요인으로서의 단백질
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p.73. 합목적성이란 개념은 어떤 정해진 방향을 향하여 정합적이고 건설적으로 이뤄지는 행위라는 관념을 포함한다. 이런 기준들로 볼 때, 단백질이야말로 생명체의 합목적적 행위를 가능하게 하는 핵심적인 분자적 요인으로 간주되어야 한다.
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p.73-73. 1. 생명체란 화학적 기계다. .... 이 거대한 미시적, 화학적 활동이 정확하게 정해진 방향을 따라 일어날 수 ... 있는 것은, 특이한 촉매 역할을 하는 모종의 단백질, 즉 효소 덕분이다.
2. ... 모든 유기체는 ... 각자 정합적이고 전체적으로 통합된 기능적 통일체를 이루고 있다. ... 자율적(이고) 기능적 정합성을 위해서는 ... 어떤 사이버네틱스 시스템이 있음에 틀림없다.
3. 유기체는 자기 자신을 스스로 만들어내는 기계다.
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p.75. 이와 같은 합목적적인 성능은 결국 단백질의 소위 '입체특이성'에서 기인한다. 즉 다른 분자들을 그들의 형태에 따라 알아볼 수 있는 단백질의 능력에서 기인하는 것.
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p.76. 이 장에서 나는 단백질의 특이한 촉매기능을 논할 것이며, 다음 장에서는 그 조절기능을, 그리고 5장에서는 구조를 만들어내는 그 건설적인 기능을 논할 것이다.
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p.76-77. (단백질의) 수 많은 (아미노산) 잔기는 불과 스무 가지의 화학종에 모두 속하는 것으로 .... 생명체의 구성이 이처럼 단조롭다는 사실은, 생명체들의 거시적인 구조의 놀라운 다양성은 실은 미시적인 구조의 역시 놀랄 만한 단일성에 근거하고 있음을 예증하는 것이다.
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단백질은 그들의 일반적인 형태에 따라 크게 두 분류로 나눌 수 있다.
a) 소위 '섬유상' 단백질은 매우 가늘고 긴 분자들.
b) 소위 '구상' 단백질은 그 수가 섬유상 단백질보다도 훨씬 더 많고, 기능 면에서도 훨신 중요하다.
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특이적인 촉매로서의 효소 단백질
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p. 78. (효소 단밸질의) 특이성에는 다음과 같은 두 가지가 있다.
1. 각각의 효소는 오직 한 가지 유형의 반응만을 촉매한다.
2. 이러한 유형의 반응을 겪을 수 있는 여러 화합물 중에서 효소는 일반적으로 그들 중 오직 하나에 대해서만 작용한다. (예 : 푸마라아제)
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p.81. 효소의 특이성과 촉매적 작용을 함께 설명해주는 이 '입체특이성을 갖는 복합체'라는 개념은 결정적인 중용성을 갖는다. (예 : 아스파르타아제)
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p.84. 이상의 관찰들은 이런 (입체 특이성을 갖는) 복합체가 존재한다는 이론을 확증해줄 뿐만 아니라, 효소반응이 서로 구분되는 두 단계로 이루어져 있음을 알려준다.
1. 단백질과 기질 사이에 '입체특이성을 갖는 복합체'가 형성된다.
2. 이 복합체 내부에서 반응의 촉매적 활성화가 일어난다. 이 반응의 특이성은 이 복합체 자체의 구조에 의해서 그렇게 결정된다.
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공유결합과 비공유결합
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p.85. 화학적 구조물의 안정성에 기여하는 여러 유형의 결합들은 두 종류 ... 공유결합과 비공유결합.
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공유결합은 두 개 이상의 원자가 전자쌍을 공유함으로써 생기는 결합. 그 밖의 다른 여러 가지 유형의 상호작용으로 생기는 것이 비공유결합.
공유결합과 비공유결합 사이의 차이는 결합을 유지하는 데 필요한 에너지 크기의 차이. ... 수상(水相)에서 일어나는 반응의 경우 ... 공유결합을 포함하는 반응에서 흡수-방출되는 에너지는 보통 5~20킬로칼로리 ... 비공유결합만을 포함하는 반응에서는 평균 에너지가 1~3킬로칼로리.
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p.85-86. 이런 중요한 차이가 '공유결합적' 구조물과 '비공유결합적' 구조물 사이의 안정성의 차이를 부분적으로 설명해준다. 하지만 이런 차이가 본질적으로 중요한 것은 아니다. 중요한 것은 이 두 유형의 반응에 관여하는 소위 '활성화 에너지' 상의 차이에 있다. ... 분자들은 이 활성화 에너지를 일시적으로 얻어야지만 반응에 들어갈 수 있는 것이다.
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p.87-88. 촉매의 역할은 활성화 상태를 '안정화하는' 것이므로, 따라서 활성화 상태와 처음의 상태 사이의 포텐셜 차이가 줄어들게 된다. 일반적으로,
a) 공유결합이 관련되는 반응의 활성화 에너지는 높다.
b) 비공유결합이 관련되는 반응의 활성화 에너지는 제로가 아니라면 아주 낮다.
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p.88. 그러므로 비공유적인 상호작용에 의해 이뤄진 구조가 어떤 안정성을 얻기 위해서는 반드시 많은 수의 비공유적 상호작용을 수반 & 원자들 사이의 거리가 아주 가까울 때 ... 따라서 ... 비공유적인 결합이 맺어질 수 있는 것은, 오직 이 두 분자의 표면이 각자 상대방에 대해 아귀가 맞아 떨어지는 구조를 갖고 있어서 한쪽 분자 속에 있는 여러 개의 원자들이 다른 쪽 분자의 여러 개의 원자들에 들러붙을 수 있을 때다.
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"비공유결합에 의한 '입체특이성을 갖는 복합체'"라는 개념
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p.88-89. 이상의 사실에 이제 효소와 기질 사이에 형성되는 복합체는 비공유적 결합체라는 사실만 덧붙이면, 왜 이 복합체가 필연적으로 입체특이성을 갖는지를 알게 될 것이다.
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또 비공유결합에 의해 생기는 어떤 복합체의 안정성 여부는 거기에서 작용하는 비공유적 상호작용의 수가 많고 적음에 따라 아주 폭넓게 달라질 수 있다는 사실도 알게 될 것이다. 바로 이 점이 비공유결합에 의한 복합체가 가진 값진 속성 중 하나다.
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p.92-93. 브리유엥(Léon Brillouin. 1889-1969)은 ... (맥스웰의) 미시적 도깨비가 그의 인지적 기능을 수행할 때는 반드시 어느 정도의 에너지를 소비하지 않을 수 없으며, 이렇게 소비되는 에너지량은 ... 일이 일어나는 계의 엔트로피의 감소에 정확히 상응한다는 것 ... 모든 측정은, 즉 모든 정보의 획득은 그 자체로 에너지를 소비하기 마련인 어떤 상호작용을 전제하는 것이다.
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이 유명한 정리는 '정보와 부의 엔트로피는 등가'라는 근대적인 생각을 낳은 원천 중 하나다. 이 정리가 여기서 우리에게 흥미로운 것은, 효소가 바로 미시적인 차원에서 질서를 창조하는 기능을 수행하기 때문. ... 이러한 질서의 창조는 화학적 포텐셜을 소비하는 대가로서 이뤄진다.
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단백질이 이처럼 '도깨비의 마술 같은' 기능을 수행할 수 있는 이유는, 다른 분자들과 비공유적으로 결합하여 '입체특이성을 갖는 복합체'를 형성할 수 있는 그의 능력 때문이다.
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다음 장들에서는 문제를 푸는 열쇠가 될 이 개념의 핵심적인 중요성을 예증해 보이려 한다.
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(3장 끝.)
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"이 장(3장 맥스웰의 도깨비)에서 나는 단백질의 특이한 촉매기능을 논할 것이며, 다음 장(4장 미시적 사이버네틱스)에서는 그 조절기능을, 그리고 5장(분자 계통발생)에서는 구조를 만들어내는 그 건설적인 기능을 논할 것이다." (개정판 76쪽)
이 말처럼 3장에서는 촉매/효소와 생체 내에서의 생화학 반응을 열통계역학과 연결시켜 다루고 있습니다. 오늘(12월 13일) 읽은 4장은 조절과 관련된 내용입니다.
효소는 크게 일곱 가지로 나누어 분류합니다. (1) 산화환원효소(oxidoreductase) (2) 전달효소(transferase) (3) 가수분해요소(hydrolase) (4) 분해효소(lyase) (5) 이성질체화효소(isomerase) (6) 연결효소(ligase) (7) 자리옮김효소(translocase) [https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme" target="_blank" rel="noopener">https://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme]
효소(酵素)라는 이름에서 '효(酵)'라는 글자를 보면 효소가 술 만드는 것과 관련이 깊다는 점을 짐작하실 겁니다. 가장 초기 연구는 다름 아니라 술에 대한 것이었습니다. 술이나 빵이나 치즈 등 여러 발효식품을 만들어내는 미생물 이스트를 '효모(酵母)'라고 하는 것도 그런 까닭입니다. 1878년 독일의 화학자 빌헬름 퀴네가 누룩(독일어 Hefe)을 의미하는 그리스어 '쥐몬 (ζυμον)'을 써서 독일어로 '엔췸 Enzym'이라 불렀습니다. ('변화'를 나타내는 그리스어 '트로페'를 써서 '엔트로피 Entropie'라는 용어가 생긴 것과 비슷합니다.) 이것이 영어로 번역되면서 enzyme(엔자임)이 되었습니다.
1897년 베를린 대학의 화학자 에두아르트 부흐너가 발효와 관련된 단백질 화학물을 정제하는 데 성공하고 이를 '취마제 Zymase'라 불렀습니다. 부흐너는 이 연구공로로 1907년 노벨화학상을 받았습니다. 부흐너의 연구 이후 모든 효소는 "---ase"라는 접미어를 붙이는 것이 표준이 되었습니다. 가령 아밀라제, 리파제, 프로테아제 등과 같은 소화효소 이름이 기억나실 겁니다.
그런데 매우 사소한 것이지만 대한화학회 공식 용어로 효소는 "~아제"가 아니라 "~에이스"로 읽습니다. 영어권(실상 미국)에서 공부한 화학자들이 독일어식이 아니라 영어식으로 읽어야 한다는 주장을 펼치고 이것이 다수가 되었기 때문입니다. 그래서 가령 '푸마라아제'가 아니라 '퓨머레이스'가 표준한국어용어가 되었습니다. 영어 발음 자체는 '퓨머레이즈'에 가깝기 때문에 어중간한 면도 있습니다.
생체 세포내에서 특정단백질을 만들 때 dna사슬이 풀리면서 rna가 전사,운반,단백질을 만든다고 알고 있는데, 그때 특정 효소(단백질)가 관여해(촉매) 특정단백질이 만들어 진다는 것으로 이해했습니다. 단백질은 아미노산의 사슬로 이뤄져 있고 아미노산은 21종류가 있는데 잔기(염기와 같은 말?)에 따라 효소나 수소같은 원자들이 붙거나 떨어지는 방식으로 작동해서 최종산물 단백질은 저마다 특정하고 일정한 입체적 형태가 된다. 이정도로 이해했는데...
<우연과 필연은 >> 세포내 생화학적 반응에 대한 설명도 있지만 (좀 어려워요) 저자의 생명에 대한 철학적 성찰이 주가 되는 것 같기도 하다 느껴요.
김재영선생님이 자주 오셔서 덧붙여 책설명과 역사 이야기 같은 것도 해주심 더더 감사하겠습니다.