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이중나선에 대한 와트슨 크릭 모형은 본질적으로 옳지만, 이는 너무 간단히 표현되어 있다. DNA의 나선 형태는 A-, B- 그리고 Z 형태의 세 그룹으로 분류된다. 가장 많이 존재하는 B-DNA는 와트슨 크릭의 우선성나선인데, 염기쌍은 나선 축에 수직방향으로 위치해 있다. A형태에서는 염기쌍이 나선 축에 대해서 20도 기울어 있고, 당의 고리가 B 형태의 경우와는 달리 굽어 있다.

Z형태에서는 일부 염기가 C-N 글리코사이드결합 주위에서 180도 회전되어 좌선성의 나선을 형성하고 있다. 한 DNA 분자의 전체적인 형태는 부분적으로는 실제 염기서열에 따라 달라진다. 예를 들면, 퓨린과 피리미딘이 교대로 연결되어 이루어진 합성 DNA는 퓨린 블록과 피리미딘 블록으로 이루어진 합성 DNA와는 다른 형태를 갖는다. 또한, 와트슨과 크릭에 의해서 최초에 제안된 것과는 다른 수소결합을 하는 A-T와 G-C 염기쌍도 관찰되었다.

이와 같이 DNA는 세부적인 형태가 달라서 굽은 모양을 하거나, 머리핀 모양의 고리를 이루거나, 초코일 형태를 가지거나 한 가닥의 고리로 되어 있거나 아니면 심지어 수소결합을 하고 있는 한 가닥의 고리가 이중나선으로부터 튀어나와 있는 십자가 모양을 한 것 등이 존재한다. 이와 같은 DNA의 구조적인 변화 때문에 DNA 분자는 보다 유연하게 다른 세포 성분을 인식하고 상호작용하여 그들의 기능을 수행하는 것이다.

DNA 이중나선 모형이 가지는 대단한 점은 한 세대로부터 다음 세대로 유전정보를 전달하는데 대한 분자 수준의 근거를 바로 제시하였다는 점이다. 1954년에 와트슨과 크릭은 이중나선의 두 가닥이 풀리면 한 가닥을 다른 가닥을 만드는 데 필요한 주형으로 사용하여 새로운 보조 가닥이 세포 내의 뉴클레오 타이드로부터 합성된다고 제안했다. 

원리는 간단하지만 DNA 복제는 실제로 매우 복잡한 과정이다. 뉴클레오 타이드는 삼인산염으로 존재해야 하며 효소가 뉴클레오타이드를 프리머 사슬에 붙게 해주고, 다른 효소는 DNA 사슬을 연결하며, 복제가 시작되고 끝나는 특정한 장소가 있어야 한다. 이러한 과정에 대한 지식은 거의 40년 전에 DNA 이중나선이 제안된 이후로 상당히 증가되어 왔다. 유전자에 대한 연구와 분석 분야는 1980년대 중반에 케리 뮬리스가 발명한 중합효소 연쇄반응 기술 덕분에 혁명적으로 진보하였다.

PCR은 단 한개의 DNA 분자와 같이 작은 물질로부터 DNA 서열을 증폭하는데 사용할 수 있다. DNA의 이중나선이 풀리면 세포 내의 뉴클레오타이드가 염기쌍 규칙에 따라서 분리된 가닥에 결합한다. 고분자화 효소는 새로 생긴 가닥에 있는 뉴클레오타이드를 서로 연결해준다. 새로 형성된 두 가닥은 5' 말단에서 3' 말단으로 결합하여 나간다.

아미노산은 산과 염기의 성질을 보이는 것 이외에도, 카르복실산 또는 아민의 전형적인 반응을 한다. 예를 들면 카르복실기는 에스터화될 수 있다. 아미노기는 아마이드로 아실화 될 수 있다. 이러한 유형의 반응은 두 작용기를 일시적으로 바꾸거나 보호하는데, 특히 아미노산을 연결시켜 펩타이드 또는 단백질을 만드는데 유용하다.

닌 하이드린은 아미노산을 검출하고 그 용액의 농도를 결정하는데 사용하는 유용한 시약이다. 닌하이드린은 고리구조 트라이 케톤의 수화물이며, 아미노산과 반응하면 보라색 색소가 형성된다. 이에 대한 전체반응은 매우 복잡하기 때문에 여기서는 자세하게 다룰 필요는 없지만 대략적으로 살펴볼 수 있다.

이 보라색의 염료에서는 질소 원자만이 아미노산으로부터 온 것이다. 아미노산의 나머지는 알데하이드와 이산화탄소로 전환된다. 따라서 1차 아미노기를 가진 알파 아미노산이 닌하이드린과 반응하면 동일한 보라색 염료를 형성하며, 그 색깔의 세기는 존재하는 아미노산의 농도에 직접 비례한다. 2차 아미노기를 가진 프롤린만이 다르게 반응하여 노란 색소를 형성하는데 이 역시 분석에 이용될 수 있다.

펩타이드와 단백질은 여러개의 아미노산으로 연결되어 있는데, 이때 한 아미노산의 카복실기와 다른 아미노산의 알파 아미노기가 아미드결합으로 연결된다. 이러한 구조를 처음으로 제안했던 에밀 피셔는 이 아마이드결합을 펩타이드 결합이라고 불렀다. 단 두개의 아미노산만으로 이렇게 결합된 분자는 다이펩타이드이다. 

관례에 따라 펩타이드결합을 표현할 때는 NH+ 기를 가지는 아미노산을 왼쪽에 그리고, Co2기를 가지는 아미노산을 오른쪽에 그린다. 이러한 아미노산을 각각 N-말단 아미노산, C-말단 아미노산이라고 부른다.

단 몇개의 아미노산으로 이루어진 펩타이드가 생물체로부터 분리되었다. 이들은 가끔 생물학에서 중요한 역할을 한다. 몇가지 예를 들면 브래디키닌은 혈장에 들어있는 노나펩타이드로서 혈압을 조절하는데 관여한다. 뇌에서 발견되는 몇가지 펩타이드는 신경 자극의 화학전달물질로 작용한다. 이중 하나는 운데카펩타이드이다. 이 물질은 통증 자극을 전달하는 것으로 생각된다. C-말단 아미노산인 메싸이오닌은 일차 아마이드로 존재한다.

사이클로스포린 A 는 세균에서 처음으로 추출한 고리형태의 펩타이드이다. 이 물질은 면역반응을 억제하는 능력이 있어서 이식수술 후에 기관 거부 현상을 방지하는데 사용된다. 사이클로스포린 A는 흔치않는 아미노산을 여러개 가지고 있고 아마이드의 질소 원자 여러개가 메틸화 되어 있다. 최근에는 자연계에 존재하는 생리활성을 가지는 펩타이드의 구조를 변화시켜 신약으로 개발하려는 연구가 진행중이다.

키틴은 갑각류의 껍질과 곤충의 외골격을 이루는 질소를 포함하는 다당류이다. 이것은 글루코오스 단위의 C-2 위치에 있는 하이드록시기가 아세틸아미노기로 바뀐 것 이외에는 셀룰로오스와 유사하다. 여러 과일과 딸기에 들어있는 펙틴은 젤리를 만드는데 사용되는 다당류로서 갈락투론산이 1,4-a-글라이코사이드결합으로 연결된 선형 고분자이다. D-갈락투론산은 C-6 위치의 1차 알코올기가 카복실기로 바뀐 것 이외에는 D 갈락토오스와 같은 구조를 하고 있다.

그 외에 잘 알려진 다당류로는 아라비아 고무와 기타 고무질 또는 점액질, 콘드로이틴 황산염, 혈액응고 방지제인 헤파린, 혈장 대체물로 사용되는 덱스트란 등이 있다. 어떤 당류는 보통의 폴리하드록시 알데하이드 또는 폴리하이드록시케톤과는 다른 구조를 하고 있다. 이 장의 마지막 절에서는 자연계에서 이러한 형태를 하고 있는 몇가지 당류에 대해 논의할 것이다.

재생 가능한 에너지원을 찾는 것은 우리가 직면한 사회적 요구이다. 탄수화물은 광합성으로부터 직접 만들어진다는 이유 때문에 재생가능한 에너지로서 커다란 주목을 받고 있다. 가솔린 첨가제로서 MTBE 를 에탄올로 대체되면서, 에탄올은 바이오매스와 같은 재생가능한 자원으로부터 얻기 위한 당면한 목표가 되었다. 

이러한 분위기에서 surcose와 글루코오스로부터 에탄올로 발효시키기 위한 연구가 활발하게 진행되었다. 이스트에 있는 전화당 효소는 surcose를 글루코오스와 fructose로 바꿀 수 있다. 역시 이스트에 들어 있는 zymase라고 부르는 한 효소는 부산물로 이산화탄소를 만들어 내는 발효 과정에는 옥수수, 사탕무, 사탕수수 같은 다양한 탄수화물이 사용될 수 있다. 

역으로 사람이 소비하지 않는 셀룰로오스 같은 많은 식물 성분들이 있다. 따라서 셀룰로오스로부터 에탄올을 얻는 발효에 대한 관심이 증대되고 있다. 그러나 최근에서야 셀룰로오스를 각각의 글루코오스 단위로 가수분해할 수 있는 셀룰로오스 효소가 상업적으로 생산되고 있다. 실제로 에탄올을 얻기 위한 최초의 셀룰로오스 기반 시설이 2004년에 건설되었다. 

그러한 노력이 성공적이라면 옥수수 여물, 지팽이풀, 톱밥, 그리고 짚과 같은 당야한 바이오매스, 즉 셀룰로오스 원이 있다. 이러한 물질들은 셀룰로오스를 에탄올로 발효시키는 원료로 사용될 수 있다. 또한 재생가능한 탄수화물은 다른 용도로도 사용될 수 있다. 고분자를 만드는 데 사용되는 많은 화학 원료는 석유에서 얻어진다. 재생 가능한 바이오매스로부터 이러한 중요한 화학물질을 얻고자 하는 노력이 이루어지고 있다.

그러나 현재 발효를 통한 제조비용은 석유로부터 얻는 것과는 비교할 수 없이 높다. 재생가능한 에너지와 고부가가치를 가지는 화학물질을 얻기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 따라서 탄수화물로부터 다양한 재생가능한 화학물질을 얻을 수 있지만, 이 분야가 빛을 발하기 위해서는 화학적, 생물학적, 그리고 공학적인 노력이 더 이루어야 할 것이다. 

에탄올은 황산과 반응하면 탈수되어 에틸렌이나 다이에틸 에터를 생성한다. 물론 반응조건이 서로 다르다. 이 반응은 반응조건을 조절하고 그 조건을 반응식에 명시하는 것이 얼마나 중요한지 말해준다. 최근 t-뷰틸 메틸 에터의 합성이 상업적으로 매우 중요해졌다. 2002년 전 세계적으로 MTBE 의 소비량은 약 260억 리터였다. 옥탄가가 110인 이 화합물은 무연 휘발유의 옥탄가를 증가시키기 위해 사용된다.

MTBE는 산 촉매 하에서 메탄올을 2-메틸 프로펜에 첨가시켜 합성한다. 이 반응은 알켄의 수화와 관련된다. 다른 점은 친핵체로 물 분자가 아닌 메탄올이 사용된다는 점이다. 실험실에서 비대칭 에터를 합성하는 가장 중요한 방법은 윌리엄스 합성법인데, 이 이름은 합성방법을 고안한 영국 화학자의 이름에서 따온것이다. 이 방법은 이미 설명한 바와 같이 두 단계 반응으로 진행된다.

첫 번째 반응은 알코올을 반응성이 큰 금속이나 수소화금속으로 처리하여 알콕사이드를 얻는 것이다. 두 번째 반응은 알콕사이드와 알킬 할로젠화물 사이의 SN2 치환반응이다. 일반적인 반응식을 나타내면 다음과 같이 요약할 수 있다. 두 번째 단계는 Sn2 반응이므로 알킬 할로젠화물의 R'가 1차일 때 반응이 가장 잘 일어나며 R'가 3차이면 잘 일어나지 않는다. 

에터의 산소는 비공유전자쌍을 가지고 있으므로 루이스 염기이다. 에터는 강한 양성자산 또는 붕소 할로젠화물과 같은 루이스 산과 반응한다. 이 반응은 알코올과 강산의 반응과 유사하다. 에터의 R 또는 R' 이 1차이거나 2차일 경우 I-, Br- 같은 강한 친핵체에 의해 C-O 결합이 끊어진다. 

예를 들면 만일 R 또는 R' 이 3차이면 SNI 메커니즘으로 일어나기 때문에 강한 친핵체가 필요없다. 이 반응의 순수한 결과로 에터의 C-O 결합 중 하나가 절단된다. 에터의 C-O 결합 절단은 자연계에 있는 분자량이 큰 복잡한 에터의 구조를 결정하는 데 도움이 된다.

장갑과 양말의 차이를 살펴보자. 양말은 오른발이나 왼발 어디에든 신을 수 있다. 그러나 왼손에 끼는 장갑은 오른손에는 맞지 않는다. 이렇게 장갑처럼 손 대칭성을 가지고 있는 분자들은 화학적 거동도 다르다. 이와 같은 분자의 손 대칭성에 대해 살펴보자. 분자는 카이랄성이거나 비카이랄성일 수 있다. 그리스어에서 유래된 카이랄이라는 말은 손이라는 의미를 가진다. 카이랄성 분자는 손 대칭성을 나타내는 분자다.

비 카이랄성 분자는 이러한 성질을 갖지 않는다. 분자가 카이랄성인지 아닌지는 어떻게 알 수 있을까? 어떤 분자와 그 분자의 거울상을 비교해보자. 카이랄성 분자와 그 거울상의 분자는 서로 포개지지 않는다. 그러나 비카이랄성 분자와 그 거울상의 분자는 동일하며 서로 포개진다. 몇 가지 특정한 예를 들어보자. 그림에서 분명히 볼 수 있듯이, 왼손의 거울상은 또 다른 왼손이 아니라 오른손이다. 실제 손과 그 거울상은 서로 포개지지 않는다. 따라서 손은 카이랄성이다. 

그러나 공의 거울상은 역시 같은 공이므로 비카이랄성이다. 이제 2-클로로프로페인 및 2-클로로뷰테인 분자와 그 거울상을 살펴보자. 2-클로로프로페인이 비카이랄성임을 알 수 있을 것이다. 이 분자와 그 거울상의 분자는 서로 포개진다. 따라서 2-클로로프로페인은 단지 1개의 구조만이 가능하다.

4개의 다른 작용기를 각각 A,B,D,E 로 표시하고 좀 더 일반적으로 이야기해 보자. 그림은 이렇게 표시된 분자와 그 거울상을 나타낸다. 그림의 양쪽에 있는 분자가 서로 포개지지 않는 거울상이라는 사실은 그림 5를 보면 분명해진다. 때로는 2차원 평면에 그린 구조를 3차원 구조로 시각화하기가 어려울 것이다. 

그림에 나타나 있는 바와 같이 이 분자의 카이랄성은 이 작용기들을 시계방향 혹은 시계 반대방향으로 돌려보면 쉽게 알 수 있다. 만일 중심 탄소 원자에 연결된 모든 작용기가 서로 다르지 않으면 어떻게 될까? 두 작용기가 같다고, 즉 A,A,B,D라고 가정해보자. 이 분자와 그 거울상은 같으므로 이 분자는 비카이랄성이다. 2-클로로 프로페인이 바로 이러한 경우인데, 여기서 2번 탄소에 연결된 4개의 작용기 중 2개가 동일하다.

적절한 촉매를 사용하면 알켄에 수소를 첨가할 수 있는데 이 반응을 수소첨가반응이라 한다. 촉매로는 대개 미세한 가루 형태의 금속이 쓰인다. 이 금속은 표면에 수소 기체를 흡착하여 수소, 수소 결합을 활성화시킨다. 두 수소원자 모두 촉매 표면으로부터 이중결합의 같은 면으로 첨가된다.

촉매를 이용한 이중결합의 수소첨가반응은 상업적으로 식물성 오일을 마가린이나 다른 요리용 지방으로 전환하는데 쓰인다. 콘쥬게이션 계에 번갈아 있는 이중결합과 단일결합은 첨가반응에서 특별한 결과를 낳는다. 브롬산 1몰이 1,3 퓨타다이엔 몰에 첨가될 때 다소 놀라운 결과가 얻어진다.

1,4 첨가라고 부르는 이 과정은 콘쥬게이션 계에서는 꽤 일반적인 친전자성 첨가반응이다. 어떻게 이를 설명할 수 있을까? 첫 단계에서 양성자가 마크오브니코브 규칙에 따라 맨 끝의 탄소 원자에 첨가된다. 이 때 생겨난 탄소 양이온은 공명에 의해 안정화될 수 있는데, 실제로 이는 두 공명구조의 혼성이다.

양전하가 탄소 2와 탄소 4에 고루 분산된다. 다음 단계에서 탄소 양이온은 브롬 이온과 반응하는데, 이 때 탄소 2로 연결되어 1,2 첨가 생성물을 형성하거나 혹은 탄소 4로 연결되어 1,4 첨가 생성물을 형성한다.

이 반응에서 탄소 양이온 중간체는 단일종으로서 공명혼성이다. 이러한 형태의 탄소 양이온, 즉 양전하를 띤 탄소가 탄소, 탄소 이중결합과 이웃하고 있는 것을 알릴 양이온이라고 한다. 공명혼성으로 나타낸 알릴 양이온의 모체는 1차 양이온이지만 양전하가 양쪽 끝 탄소 원자에 분산되기 때문에 단순 1차 이온보다는 더 안정하다.

콘쥬게이트 다이엔이 알켄과 반응할 때에는 또다른 형태의 1,4 첨가반응이 일어난다. 그 중 간단한 예가 에틸렌이 1,3 뷰타다이엔에 첨가되어 사이클로헥센을 주는 반응이다. 이 반응이 바로 고리화 첨가반응의 예이다.

어떤 시약은 이온 메커니즘 대신에 자유라디칼 메커니즘에 의해 알켄이 첨가된다. 상업적인 견지에서는 이 자유라디칼 첨가반응이 고분자를 만드는 가장 중요한 반응이 된다. 고분자는 작은 반복 단위로부터 만들어지는 큰 분자량을 가진 거대 분자이다. 이러한 반복단계가 되는 작은 분자를 단량체라 하고 단위체를 고분자로 변환시키는 과정을 중합반응이라고 한다. 

자유라디칼에 의한 에틸렌의 중합반응으로 얻는 물질이 폴리에틸렌인데 이는 매우 큰 규모로 생성되는 물질이다. 이 반응은 촉매를 사용하여 고압조건에서 에틸렌을 가열하여 이루어진다.