CH 2 물: 생화학 반응의 용매

2.1 물과 극성 (Water and Polarity)

- 물의 기하학적 구조와 용매로서의 특성은 생물계의 특성을 결정 (Both geometry and properties of molecule determine polarity)

1) 극성 결합

① 전기음성도 (electronegativity)

- 원자가 전자를 자기 쪽으로 끌어당기려는 경향

- 대표적인 원소의 전기음성도 수치

  - F(4.0), O(3.5), N(3.0), S(2.6), C(2.5), P(2.2), H(2.1)

  - F > O > N > Cl > Br > S > C > I > P > H

- 전기음성도의 차이는 쌍극자모멘트를 발생시키며 부분 양전하(δ +)와 부분 음전하(δ -)를 형성함

② 극성 결합과 비극성 결합

- 극성 결합 (polar bond): 전기음성도가 다른 서로 다른 두 원자가 형성한 공유 결합

- 무극성 결합 (nonpolar bond): 서로 같은 두 원자가 형성한 공유 결합

③ 극성 분자와 무극성 분자

- 극성 결합의 존재가 극성 분자로 이어지는 것은 아님

- 분자의 기하학적 구조와 결합의 특성이 분자의 극성을 결정 (Both geometry and properties of molecule determine polarity)

  e.g. 극성 분자: H2O

  e.g. 무극성 분자: CxHy, CO2 등

  - 극성 결합이 존재하더라도 분자 구조가 대칭이면 각 결합의 dipole moment가 상쇄되어 net = 0이기에 전체 분자의 극성은 없다고 표시됨

2) 물의 용매 특성 (Solvent Properties of Water)

① 물과의 상호작용을 기준으로 한 물질의 분류

- 친수성(water-loving, hydrophilic): 물과의 상호작용 정도가 큼 -> 거시적으로 녹아 있는 것처럼

- 소수성(water-hating, hydrophobic): 물과의 상호작용 정도가 작음 -> 거시적으로 안 녹아 있는 것처럼

- 양쪽성(Amphipathic): 한 분자 내에 친수성 부분과 소수성 부분이 같이 존재하는 물질

  e.g. 계면활성제, 인지질

② 원자의 결합 분류

- 공유결합(covalent bond): 두 원자가 전자를 공유하여 하나의 공유전자쌍을 유지하는 결합

- 이온결합(ion bond): 양이온과 음이온 사이의 결합 (대개 금속 - 비금속, 가끔 비금속 - 비금속)

- 염교(salt bridge): 양전하와 음전하를 갖고 있는 두 분자들이 가까이 있을 때 생성된 결합

③ 물질 사이의 상호작용(interaction) 분류

- 이온-쌍극자(ion-dipole) 상호작용: 쌍극자를 갖는 분자(극성분자)와 이온 사이의 상호작용

  - 물이 이온을 수화하는 정도는 하나의 이온에 대해 약 20개의 물분자가 관여 가능

- 반데르발스 힘(Van der Waals force): 이온 전하의 정전기적 상호작용을 제외한 비공유결합

  ⅰ) 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole) 상호작용: 쌍극자인 분자(극성 분자)사이의 상호작용

  ⅱ) 쌍극자-유도쌍극자(dipole-induced dipole) 상호작용: 영구 쌍극자 분자가 다른 분자와 인접하면, 그 분자의 전자구름을 순간적으로 뒤틀어 순간적으로 쌍극자를 형성

  ⅲ) 유도쌍극자-유도쌍극자 (induced dipole-induced dipole) 상호작용 (런던 분산력, London dispersion force): 무극성 분자들이 인접했을 때 상대 분자의 전자구름을 순간 뒤틀어 쌍극자를 형성

④ 물의 용질 선택성 (친수성 물질만 잘 녹이는 이유에 대한 설명)

e.g. 극성 공유결합 화합물, 이온 화합물, 아미노산, 인산 에스터

- 용해는 (용질,용질), (용매,용매), (용질,용매)사이의 상호작용을 통해서 설명할 수 있음

- G = H - TS에 입각하여 설명해보자

  - S: 물과 분자적 특성이 유사한 용질이 아니라면 혼합은 엔트로피의 증가를 야기

  - H: 용질 사이의 상호작용보다 용질과 용매 사이의 상호작용이 에너지적으로 우호, 즉 엔탈피를 더 많이 방출할 수 있다면 둘 사이의 결합이 더 증가할 것

  - S와 H를 고려한 G를 생각했을 때 ∆G가 낮아진다면 용해는 진행될 것

- 친수성 물질은 물과의 용해 과정에서 ∆G<0을 보이기에 용해가 잘 발생하며, 소수성 물질의 경우는 ∆G>0이기에 용해가 잘 진행되지 않는다.

⑤ 소수성 상호작용

e.g. 탄화수소, 지방산, 콜레스테롤

- 비극성 고체는 녹지 않은 상태를 유지하며, 비극성 액체는 물과 분리된 층을 형성

⑥ 양친매성 상호작용

- 한 분자 내에서 친수성과 소수성 물질이 같이 포함되어 있음

e.g. 긴 사슬 지방산 (palmitic acid: 카복실산 작용기<극성> + 긴 탄화수소<무극성>)

- 물 속에서 마이셀(micelle)[[1]] 형성 가능

2.2 수소 결합 (Hydrogen bond)

- 쌍극자-쌍극자 상호작용의 특수경우

- 발생 이유

  - 수소와 전기음성도의 차이가 큰 원자(F, O, N)이 결합하여 수소가 상대적으로 강한 양성자를 띰

  - 수소의 크기가 매우 작기 때문에 다른 분자로부터의 접근이 자유로움

- 발생 원리

  - F, O, N과 결합한 수소가 다른 분자의 F, O, N의 비공유전자쌍과 상호작용을 할 수 있음

  - 이때, H와 F, O, N이 상호작용하는 위치관계에 따라서 수소결합의 세기가 달라짐

- 수소결합 공여체(doner): 수소와 결합하고 있는 음전하성 원자로 구성된 작용기

  - 수소결합 수용체(accepter): 수소에게 비공유 전자쌍을 제공하는 음전하성 원자로 구성된 작용기

1) 수소결합과 물

① HF, H2O, NH3를 놓고 수소결합 부위에 대해 생각해보면, 물이 다른 용매에 비해 특별한 경향성을 보이는 것을 확인할 수 있음

② 수소 결합의 3차원적 이해

- 물의 결합 각이 104.5°라는 것을 통해서 위에서 표현한 수소 결합의 관계성은 3차원에서 표현이 가능해지며, 물분자의 배열은 정육면체 형태를 따름

  - 액체상에서의 수소 결합 경향: 수소 결합이 끊어지고 생성되는 것이 10-10~10-11초 내에 지속적으로 반복됨

  - 고체상에서의 수소 결합 경향: 액체에 비해 안정적인 수소 결합을 유지하고 있으며, 해당 결정 구조에 관여한 물 분자의 수도 매우 많음

③ 수소 결합의 세기

- 수소 결합은 공유 결합 보다 약하지만, 다른 분자 사이의 상호작용과 비교하면 매우 크기에 물질의 물성에 영향을 많이 미침

ⅰ) 비슷한 분자량을 가진 물질보다 높은 끓는점과 녹는점

- 다른 분자들에 비해서 수소 결합에 의한 분자 사이의 상호작용은 더 큼 + 녹는점과 끓는점은 분자 사이의 상호작용에 영향을 받음 -> 비교적 큰 분자 사이의 상호작용을 유지하고 있는 물이 다른 분자들보다 녹는점과 끓는점이 높음

ⅱ) 액체의 밀도 > 고체의 밀도

- 일반적으로는 고체의 밀도가 액체보다 더 큼. 하지만 물의 경우 수소 결합에 의하여 얼음의 구조가 더 정교해지는 대신 덜 조밀해짐 -> 얼음의 밀도가 액체보다 더 작음

④ 수소결합과 용매

- 수소 결합도 결국 쌍극자-쌍극자 상호작용이기 때문에 쌍극자를 갖는 다른 분자들과 상호작용을 할 수 있음

2) 생물학적으로 중요한 수소결합

- DNA, RNA, 단백질이 갖는 3차원 구조를 안정하게 하는데 직접적 관여

  - 염기 사이의 수소결합

  - RNA 분자 자체의 상호작용

- 중요한 수소결합들

  - 물 - 물 사이의 수소결합

  - 물 - 다른 분자 사이의 상호작용(쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도쌍극자)

  - 질소에 의한 수소결합 (NH - OH, NH - OC, NH - N 등): 단백질과 핵산의 구조에 중요

 

2.3 산, 염기, pH (acids, bases and pH)

1. 산과 염기

1) 산/염기의 정의

- 아레니우스, 브뢴스테드 로우리, 루이스 산/염기가 있지만, 생화학수준에서는 브뢴스테드-로우리 산과 염기를 생각하면 편함

  - 산: 양성자(수소 양이온)을 주는 물질 (공여체)

  - 염기: 양성자(수소 양이온)을 주는 물질 (수용체)

2) 산의 세기

- 산에 따라 그 세기는 다양하나, 이를 정량적으로 표현할 수 있는 방법이 필요했으며, 이를 산 해리상수(acid dissociation constant, Ka)로 정의함

- Ka의 값이 클수록 평형상태의 H+가 많다는 것을 뜻하므로 더 강한 산임을 의미 (pKa가 더 작을수록)

- equation of Ka

3) 짝산-짝염기 관계

- 브뢴스테드-로우리 산/염기는 엄밀하게 양성자 전달 반응을 의미하며, 산에 대해서 물은 염기로 작용하는 것을 뜻함. 이를 반영하여 위의 식을 정확하게 표현할 수 있음

- 이는 물에 대한 효과를 배제한 상황에서의 논의이며, 물의 역할은 산-염기 반응에서 많은 영향을 미칠 수 있음

2) pH & pKa

- 앞서 살펴봤듯, 물은 산 또는 염기로 작용이 가능하기에 물만 있어도 스스로 분해될 수 있으며, 이를 물의 자동화이온 반응이라고 함 (물의 자가해리)

  - 여기서 생성된 이온들도 물에 의해서 수화가 되어있기 때문에, 거시적 관찰이 아닌 물의 해리 정도를 정량적으로 평가하는 것이 중요함

- Kw: 물의 이온 곱 상수 (ion product constant for water)

  - 실험적을 통해서 25℃에서 측정한 결과 Kw=1.0×10-14 ([H+]=[OH-]=1.0×10-7)

- pH = -log[H+]

  - log에 의해 정의된 수치이기에 pH차이 1은 [H+]의 10배 차이를 뜻함

  - -log에 의해 정의된 수치이기에 pH가 작을수록 [H+]가 더 크며, 이는 산성을 뜻함

  - pH = 7: 중성 / pH > 7: 염기성 / pH < 7: 산성

- pKa = -logKa

  - 약산의 Ka 값이 대부분 1보다 작은 약산을 사용하기에 정의한 수치

  - 마찬가지로 -log에 의해 정의된 수치이기에 pKa가 작을수록 Ka가 더 크므로 강한 산을 뜻함

3) pH의 측정 (monitoring pH)

- 물의 자동이온화 반응식을 이용하면 산과 거의 짝염기가 갖는 해리상수 사이의 관계식이 성립합

  - pKa + pKb = 14 (KaKa =10-14)

① monitoring의 필요성

- 생화학에서 최적 반응을 조정할 때 pH의 조정은 매우 중요

   e.g. pH에 따라 효소가 활성화되는 정도가 다름 (최대 활성 pH에서 멀어지면 비활성화)

② 헤더슨-하셀 방정식 (Henderson-Hasselbalch equation)

- 산과 짝염기의 농도비율을 이용해서 pH를 측정할 수 있는 식

- 사용하고 있는 약산의 pKa값은 알려져 있기에 이 방정식을 이용하면 산과 짝염기의 농도만 아록 있으면 pH를 쉽게 추정할 수 있음

- 이 식을 효과적으로 사용하기 위해서는 몇 가지 pKa값은 암기를 해야 함

  - 피루브산 (Pyruvic acid, CH3COCOOH): pKa = 2.50 (강산)

  - 젖산 (Lactic acid, CH3CHOHCOOH): pKa = 3.86

  - 아세트산 (Acetic acid, CH3COOH): pKa = 4.76

  - 탄산 (Carbonic acid (1). H2CO3): pKa = 6.37

  - 인산 (Phosphoric acid (2), H2PO4-): pKa = 7.20 (짝염기: HPO42-)

 

 

2.4 적정 곡선 (titration Curves)

1) 적정의 의미

- pH 적정: 미지 시료에 표준 용액을 가하면서 pH의 변화를 살펴보는 것

- 당량점: 산과 염기가 정확히 중화가 되는 지점

2) 1몰의 아세트산에 대한 적정의 이해 (pKa = 4.76)

① OH-에 대한 pH의 변화 경향성

- 완충이 되는 범위 내에서는 보통 HH equation을 사용하며, 산과 짝염기의 농도가 같은 곳에서 pH가 pKa값을 가질 수 있음 (아세트산의 경우 pKa = 4.76)

- pH 곡선에서 pKa 지점에서 변곡점 관찰

- 변곡점은 기울기의 변화가 0인 지점을 의미함 -> 즉, 변곡점 근처 (pKa 근처)에서는 OH-의 농도가 변하더라도 pH의 변화 정도가 거의 없음 (완충 효과가 잘 일어남을 의미, 완충 효율 큼)

② 당량점

- 이론적으로 당량점에서는 수소 이온과 수산화 이온의 농도가 동일함

- 각 elementary acid-base reaction의 경우 산과 염기가 1대 1로 반응하기 때문에 산과 짝염기의 농도의 합은 항상 일정

③ pH와 pKa의 비교

- pH 곡선에서 보인 경향성을 따라서 pH와 pKa의 크기 차이는 산과 짝염기의 농도 비율을 알려주는 지표

- 정성적 비교

  - pH < pKa: 물질이 양성자화 되어있음 (산이 과량)

  - pH > pKa: 물질이 탈양성자화 되어있음 (짝염기가 과량)

5. 완충 용액 (Buffers)

- 완충제(buffer): 변화를 견디는 물질

  - 완충 용액(buffer solution): 약산과 짝염기로 구성된 용액으로, 강산/강염기가 소량 첨가되더라도 pH 변화가 많이 발생하지 않는 용액 (외부 pH의 변화에 대해 그 변화를 완화하는 용액)

1) 완충 용액의 작용 원리

- 완충용액에 pH 변화가 가해졌을 때 르-샤틀리에의 원리에 입각하여 어떻게 반응이 저해되는지를 살펴보기

- 산과 짝염기가 동시에 존재하기 때문에 산 또는 염기가 첨가되면 짝염기와 산이 반응에 참여하며, 초기의 산과 짝염기의 농도가 비슷하여 완충 효율이 더 높을수록 pH의 변화 정도가 적음

  - 물 또는 단순한 수용액의 경우, pH의 변화가 system의 변화에 직접적인 영향을 미치므로 소량의 pH 충격도 system의 pH에는 매우 치명적

- 완충 구간에서의 pH 계산은 HH equation을 사용해서 구하는 것이 편리함

  - 그렇기에 앞에서 말한 주요 pKa값을 암기해두는 것이 목표하는 pH 값을 갖도록 할 때의 기준이 됨

  - pH ↔ [conjugate base]/[acid] 사이의 관계를 묻는 문제가 출제될 수 있음

2) 완충용액 선정 시 알아야 하는 것

① 완충 구간

- 위에 표현한 그래프는 산과 짝염기의 상대적 비율에 대한 pH의 변화를 나타낸 것

- 두 농도가 같은 pKa = pH 로부터 각각 ±1인 곳에서의 산과 짝염기의 농도비는 각각 1:9와 9:1 (이는 HH-equation을 이용하면 얻을 수 있음)

- 그래프에서 확인할 듯 있듯이 pKa±1인 지점에서만 pH 그래프의 변화 정도가 적으며, 그 구간을 벗어난 부분에서는 pH의 변화가 급격하게 나타남. 이처럼 pKa±1인 지점을 완충 구간이라고 함

  cf) 완충 효율 (buffer efficiency): 완충 구간 내에서 완충 용액이 pKa지점으로부터 얼마나 떨어져 있는 지를 나타내는 정도. 만약 pKa 지점으로부터 멀리 떨어져 있다면, 그렇지 않은 완충 용액보다 적은 양의 pH 변화로도 pH가 급변할 수 있기에 이는 효율이 낮은 완충 용액이라고 부름

  cf) 완충 용량 (buffer capacity): 완충 효율이 산과 짝염기 사이의 농도 사이의 관계를 표현하는 지표임에 반해, 완충 용량은 산과 짝염기의 절대적 양을 기준으로 이야기함. 예를 들어 같은 완충 효율 (‘짝염기/산’의 비율이 같은 지점)을 보이는 완충 용액이 있다고 하자. 이때 더 많은 산과 짝염기를 갖고 있는 완충 용액이 더 많은 pH 변화에 대응할 수 있으므로, 이때 완충 용량이 높다고 말함

② 완충용액의 선정 방법

- 가장 중요 기준: 진행하고자 하는 실험에서 나타나는 pH 구간이 완충용액 내 산의 pKa±1 안에 들어있어야 함. 진행 수치가 pKa±0.5면 더 좋음.

- 부가적으로 고려해야 하는 사항

ⅰ) 완충 용액을 위한 적정 pKa

ⅱ) 반응이나 효소 활성 측정에 방해가 안되야 함

- 인산이나 CO2가 필요한 반응은 인산/탄산이 과량일 때 반응 저해 가능성 있음

ⅲ) 완충 용액의 적당한 이온 강도

- 높은 완충 용량이 무조건 좋아 보일 수 있지만 염의 농도에 민감한 효소가 있기에 적당한 농도를 포함하고 있는 완충 용액을 사용해야 함 (용해도 고려 등)

ⅳ) 완충용액의 존재로 반응물이나 생성물이 침전되지 않아야 함

- 효소, 반응/생성물, 금속 이온의 침전이 발생하지 않도록 유의

ⅴ) 완충용액의 비생물학적인 성질

- 생물학적 활성이 없는 완충 용액 사용 ex) TRIS

③ 완충용액의 제법

- 사용해야 하는 완충용액의 정보를 알아냈다면 이를 만들어서 사용을 해야 함

ⅰ) HH-equation을 이용한 방법

- 목적한 완충용액이 갖는 ‘conjugate base/acid’의 비율을 완성하기 위해 정량적으로 산과 짝염기의 양을 섞어서 제조

ⅱ) 산-염기 반응을 이용해서 제조 (보다 보편적임)

- 시작 물질을 산/짝염기로 시작하는 것은 pKa값과 유지하고자 하는 pH의 수치에 따라서 달라질 것

  - pKa < target pH: 짝염기로 시작해서 소량의 산을 가하는 게 편함

  - pKa > target pH: 짝산으로 시작해서 소량의 염기를 가하는 게 편함

3) 생물학적 완충용액

- 생명체의 생리학적 pH는 대략 7을 유지하려 하기 때문에 인산에 의한 완충 효과가 우세하다고 생각할 수 있음 (세포 외에서, intracellular fluids)

- 다만, 인산에 대한 완충 용량이 충분하지 않기에 다른 물질인 탄산이 사용됨

- 쌍극선이온(zwitterion): 양전하와 음전하르 모두 가지고 있는 화합물이며, 인산과 탄산에 비해 생화학 반응을 덜 방해함

  - TRIS-H <-> TRIS pKa = 8.3

  - TES-H <-> TES pKa = 7.55

  - HEPES-H <-> HEPES pKa = 7.55

  - MOPS-H <-> MOPS pKa = 7.2

  - 2PIPES-H <-> 2PIPES pKa = 6.8

① 탄산과 혈액의 화학 (탄산의 pKa = 6.37)

(위에서부터 각 반응을 rxn 1, 2, 3, 4라고 하자)

- 탄산의 pKa가 6.37이고 혈액의 pH가 7.4인 것을 생각하면 완충 효율이 매우 낮아 보일 수 있음

  -> 즉, pH가 더 높으므로 폐로 수송될 때 대부분의 CO2가 HCO3-로 존재하며 이산화탄소의 압력과 혈액의 pH는 직접적인 상관관계가 있음 (pH를 기준으로 0.5크기만큼 변함을 기준으로 함)

  ⅰ) 산증(acidosis): 혈액의 pH가 7.35이하로 떨어진 상태 (대사산물 중 산의 과도한 생성, 산 부산물을 신장이 미처 제거하지 못함)

  ⅱ) 알칼리증(alkalosis): 혈액의 pH가 7.45이상으로 올라간 상태 (토하거나 알칼리 약물을 복용했을 때 나타남)

- 호흡 작용 메커니즘: 혈액의 완충 작용에 역할을 미침 (낮은 완충 효율임에도 탄산이 사용되는 이유)

[H+ 이온 증가 상황에 대하여 (근육 세포 근처의 젖산에 의한 영향)]

- H+의 증가 -> rxn 3의 역반응으로 탄산의 형성 -> rxn 2의 역반응으로 혈중 이산화 탄소의 증가 -> rxn1의 역반응으로 기체 이산화탄소의 증가 => 호흡 속도를 빨리 하며 기체 이산화탄소를 외부로 방출하면 평형이 깨지는 효과 -> 용해된 이산화탄소의 감소 -> 혈중 탄산이 생성되고, 다시 탄산이온으로 해리 -> 탄산이온은 탄산의 짝염기이므로 H+와 반응하여 혈중 H+의 농도를 감소시켜 기존 상태로 되돌림

② 과호흡과 젖산

- 과호흡은 => 이후의 반응이 가속화되어 혈중 H+의 농도가 지나치게 낮아짐 -> pH가 올라감

- 한편, 운동 선수들의 고강도 후에는 젖산이 생성되며, 이는 혈중 pH를 낮추는 효과가 있음

- 이를 이용하여, 고강도의 운동 전 과호흡을 한 후 운동을 수행하여 혈중 내 pH를 유지하도록 함

 

 

 

 

---

[[1]] 마이셸(micelle): 극성인 부분은 최대한 물과 접하고 비극성인 부분은 최대한 물과 접하지 않도록 하기 위해 형성된 구형의 복합 구조