화공노트: 화학공학 살펴보기

1) 효소의 기능

- 단백질의 여러 기능 중에서 효소로의 역할은 매우 중요함

- 효소는 유기체에서 촉매(catalysis)로 작용하며 반응 속도를 최대 1020배만큼 빠르게 할 수 있음

- 상온, 상압에서 촉매로의 기능을 수행할 수 있으며 매우 특이적임

- 보통 촉매 + 기질 -> 촉매-기질 complex -> 촉매 + 생성물 과정을 거쳐서 기능을 수행

2) 열역학 법칙

① 표준 자유에너지 변화 (Standard Free Energy change, ∆G°)

- 반응물의 에너지 (초기상태)와 생성물의 에너지 (최종상태)에서의 에너지 차이를 뜻함

- 해당 반응의 열역학적 선호도를 물어보는 것을 뜻하며 ∆G° < 0 일 때 반응이 자발적(spontaneous)라고 하며, ∆G° > 0 일 때 반응이 비자발적(spontaneous)임을 뜻함

  cf) 항상 강조되는 부분이지만, 반응이 자발적이라는 것은 반응이 빠른 것을 뜻하지는 않음

② 활성화 에너지 (Activation Energy, ∆G°‡, Ea)

- 반응이 진행되기 위해서 필요한 에너지의 투입량

- Arrenius Equation: Ea = -RTln(k/A)

  -> 활성화에너지는 특정 반응의 반응 속도를 표현하는 척도: 활성화 에너지가 크면 반응 속도는 느림

- 촉매는 활성화에너지를 낮추어서 반응 속도를 더 빠르게 하지만, 평형 상수나 표준 자유에너지 변화에는 영향을 주지 않으며, 줄 수도 없음

3) 전이상태 (Transition State)

- 위의 활성화에너지 도표 (activation energy profile)에서 반응물과 생성물 사이에 가장 에너지가 높은 상태를 전이상태라고 함

- 활성화에너지는 반응물을 전이상태까지 끌어올리기에 필요한 에너지의 양이라고도 말할 수 있음

- 전이상태 유사체는 효소 촉매 반응의 메커니즘 연구에 도움이 됨

- 효소 반응에서는 기질과 효소가 완전한 complex를 형성한 지점을 전이상태라고 말하며, 이때 필요한 에너지는 효소의 3차원적 구조를 기질과 완전히 fit하게 맞추기 위해 변형할 때 필요한 에너지

4) 온도와 효소 반응의 관계

- 일반적인 반응 메커니즘에서는 온도의 증가는 활성화에너지로 사용될 수 있는 에너지의 양을 더 증가시키는 역할을 하기에 더 높은 온도에서는 더 빠른 반응이 진행됨

- 다만 생화학에서는 단백질이 반응에 관여하기 때문에 어느 정도의 온도 상승만 반응 속도를 상승시키지, 지나치게 높은 온도는 단백질(효소)의 변성을 일으키고, 이는 반응 속도를 낮추는 역할을 함

- 어느 지점에서 활성화가 최대가 되는 지는 효소(또는 효소를 포함하고 있는 유기체)에서 추출한 물질의 활성도를 조사해야 함

  e.g. 고생물의 효소에서 추출한 물질이 고온에서 활성화가 잘 되면, 이를 갖고 있던 효소도 고온에서 활성화 정도가 최대

cf) 촉매도 단백질이기 때문에 온도와 pH의 영향을 많이 받으며, 조사한 정보에 따라서 최대 활성화 조건을 잘 맞춰주는 것이 중요

1. 단백질의 구조와 기능 (Proteins Structures and Function)

1) Intro

- 단백질은 천연형 입체구조(native conformation)을 갖고 있음

  -> 수많은 구조들 중 생물학적 활성(biology activity)을 보이는 몇 안 되는 구조

- 전체적으로 보면 무작위 구조(random structure)으로 보일 수 있으나, 단백질을 구성하고 있는 subunit의 구조는 규칙적임

2) 단계별 단백질의 구조

① 1차 구조 (primary structure)

- 단백질의 가장 기본적인 단위를 말함

- 공유결합에 의해 서로 일렬로 연결되어 있는 아미노산의 서열

② 2차 구조 (secondary structure)

- 펩타이드 골격에 있는 원자들의 공간적인 배열

  - 아마이드의 N-H와 펩타이드 골격의 카보닐기 C=O가 서로 수소결합으로 연결되어 있음

- alpha-나선(helix)구조와 beta-병풍(sheet)구조

- 도메인(domain)/초2차구조(supersecondary structure): 단백질에서 결합이 독립적으로 일어난 부분

  - grouping을 하면서 고유의 구조를 가짐

  e.g. alpha - alpha / alpha - beta - alpha / …

③ 3차 구조 (tertiary structure)

- 단백질에 포함되어 있는 모든 원자의 3차원적 배열을 말함

- 보결분자단(prosthetic group, 아미노산 X 원자단) 사이의 배열(상호작용)도 포함

  e.g. 이황화결합

④ 4차 구조 (Quaternary structure)

- 소단위체(subunit)들의 서로에 대한 배열

  : 단백질을 구성하는 폴리펩타이드 사슬

- subunit 사이의 수소결합, 정전기적 상호작용, 소수성 상호작용 등으로 매개

2. 단백질의 1차 구조 (Primary Structure of Proteins)

1) 1차 구조(아미노산 서열) 식별의 중요성

- 단백질의 1차 구조를 따라 3차 구조가 결정되고, 이는 단백질의 성질을 결정함

- 단백질이 올바른 기능을 하려면 올바른 3차 구조가 필요함 (biology activity는 3D structure dependent)

2) 단백질의 아미노산 서열과 겸상적혈구빈혈증(sickle-cell anemia)

- 헤모글로빈의 단백질 구조의 돌연변이로 관찰되는 유전병 (헤모글로빈이 산소를 결합하지 못함)

- 적혈구의 모양이 낫 모양이기에 잘 안 흐르고 혈관 중간에 걸려서 혈액순환이 잘 발생하지 못함

① illustration

② 유전자 - 단백질 돌연변이 (Gene - Protein Mutation)

- 단백질의 정보는 유전자에 암호화 되어있으므로 유전자 차원에서 문제가 생겨서 단백질구조에 문제가 생기는 것

ⅰ) 유전자 돌연변이 (gene-scopic mutation)

- 정상적인 세포는 글루탐산(Glutamate, E)의 정보를 암호화하고 있음 (CTC -> GAG-> mRNA: GAG)

- Sickle 세포는 발린(Valine, V)의 정보를 암호화하고 있음 (CAC -> GTG -> mRNA: GUG)

ⅱ) 단백질 돌연변이

- 헤모글로빈은 16th 염색체의 alpha-alpha subunit과 11th 염색체의 beta-beta subunit으로 구성

- 겸상적혈구빈혈증의 경우 11th 염색체에 문제가 생긴 것

- normal cell HbA은 우성 유전자이며 sickle cell HbS는 열성 유전자

  -> 열성-열성 조합일 때 겸상열성적혈구 증후군이 나타나며 나머지 조합에 대해서는 나타나지는 않음

- Glu는 acidic amino acid이며 Val은 neutral amino acid이기에 정전기적 전하에 차이가 존재하고 이는 3차원적 구조의 차이에 영향을 미침

- 11th 염색체 중 6번재 아미노산에 돌연변이가 생기는 것

3) 1차 구조의 결정 및 관찰

- 부위지향성 돌연변이유발법(site-directed mutagenesis)을 이용해서 1차 단백질 변화와 단백질 기능의 차이를 비교함

  - 단백질의 임의의 아미노산에 변화를 주어 생물학적 활성 변화를 체크함

  -> 아미노산 치환 결과는 약간의 차이부터 막대한 차이까지 다양함

- 고전 생화학에서 단백질 아미노산의 결정은 일상적이지만 사소한 작업은 아니기에 조심스럽게 결정되어야 함

3. 단백질의 2차 구조 (Secondary Structure of Protein)

- 단백질의 2차 구조: 단백질 골격의, 폴리펩타이드 사슬의 수소결합 배열을 말함

  -> 펩타이드 구조에 포함된 펩타이드 결합이 결정적인 역할을 함

1) 펩타이드 결합의 구조

- 펩타이드 결합에서는 회전이 자유로운 부분과 그렇지 못한 부분으로 구분됨

① 회전이 자유롭지 못한 부분

- 펩타이드 결합: 공명구조(resonance)의 형성으로 인하여 다중결합과 같은 효과를 갖게 되어 회전으로부터 자유롭지 못함

-> 펩타이드 결합을 포함하여 최대 6개의 원자(카르보닐기 + 아미노기 + 2 alpha carbon)가 한 평면위에 올 수 있는데, 이를 아마이드 평면(amide plane)이라고 부름

② 화전이 자유로운 부분 (-180° ~ 180°, 라마찬드란 각)

- 기준이 되는 R - alpha C - H에 대해 양 옆의 결합은 화전이 자유로움

  i.e. R이 연결된 alpha C와 amide plane을 연결하는 결합은 회전이 자유로움

ⅰ) 파이 회전 (phi rotation, Φ): alpha C와 amino group의 N 사이의 결합이 회전하여 생기는 각

ⅱ) 프사이 회전 (psi rotation, Ψ): alpha C와 carbonyl group의 C 사이의 결합이 회전하여 생기는 각

-> 규칙적인 2차 구조는 Φ와 Ψ의 값이 각각 같은 값으로 반복이 됨

2) α-나선 (α-helix)

① 한 아미노산의 카보닐기(C=O)와 다른 아미노산의 아미노기(N-H)와 수소결합을 형성

② counting 기준

  - peptide group(amide plane) 기준: n번째 C=O와 (n+3)번째의 N-H

  - alpha carbon 기준: m번째 C 오른쪽의 C=O와 (m+4)번째 왼쪽의 N-H

  - 앞으로 말할 아미노산 1개는 연두색으로 표현한 N - alpha C - carbonyl C를 기준으로 논의할 것

③ 단위

- 옴스트롱 (1A): 1A = 10-8cm = 10-10m = 10nm = 1000pm

④ 기하적 정보

- 나선 한 바퀴에는 아미노산 3.6개가 포함되어 있으며, 이 길이는 0.54nm (5.4A)

  - 이 회전은 C=O와 N-H가 나선 축에 평행하고 일직선으로 수소결합을 유지하기 때문에 안정한 형태를 유지할 수 있음

- 곁사슬 R은 나선으로부터 outward하게 배향을 하고 있음

  - 한 아미노산에는 하나의 R을 포함하고 있기 때문에 나선 한 바퀴에는 3.6개의 R이 포함되어 있음

⑤ 예시

- 단백질 내에서 alpha helix의 함량은 0% ~ 100%까지 매우 다양함

- alpha helix의 함량이 높은 단백질의 예시

ⅰ) beta - 헤모글로빈 소단위체 (beta hemoglobin subunit)

- 척추동물 속에 있는 헤모글로빈

- 헤모글로빈의 subunit이며 각 subunit에는 ‘Hem’이 포함되어 있어 산소를 저장하고 운반할 수 있음

ⅱ) 마이오헴에리스린 (myohemerythrin)

- 무척추동물 속에 있는 헤모글로빈

⑥ alpha helix의 파괴: 예시와 원리를 같이 기억하기

- 지금까지는 정상 alpha 나선구조를 살펴봤으며, 지금은 파괴될 수 있는 구조를 살펴보자

- 즉, alpha helix 구조가 거의 존재하지 않는 단백질에 대해 논의할 것

- alpha 나선구조가 파괴될 수 있는 요인에는 여러가지가 있음

ⅰ) 고리구조 (cyclo-structure)

- 프롤린 (proline, Pro, P)

- 곁사슬이 고리 구조이며 아미노기 N을 포함하고 있기 때문에 기본적인 골격이 굽은 형태이기에 아래의 이유로 alpha helix구조에 적합하지 못함

a) 파이 회전(Φ)이 발생할 수 없음

b) 아미노기의 N이 수소결합에 참여할 수 없음

ⅱ) 정전기적 반발력 (electrostatic repulsion)

- 동일한 부호의 전하를 띤 작용기가 포함된 아미노산들이 서로 인접할 때 발생

- 극성을 띠는 아미노산 중 전하를 갖는 산/염기 아미노산에 대해 이 현상이 주로 관찰

  e.g. 산 아미노산 사이의 반발력: 아스파트 산 (Asp, D) & 글루탐산 (Glu, E)

  e.g. 염기 아미노산 사이의 반발력: 라이신 (Lys, K) & 이르지닌 (Arg, R)

ⅲ) 입체장애 (steric effect)

- 앞서 언급했듯이 곁사슬 R들은 outward하게 단백질 구조를 형성하기 때문에 곁사슬의 크기가 큰 아미노산이 서로 인접할 때 발생

- R에 포함된 beta carbon에 결합된 원자들 중 2개가 수소가 아닌 다른 원자인 경우 R의 부피가 매우 켜지기에 입체장애가 발생할 수 있음

  e.g. 발린 (Val), 아이소류신 (Ile), 트레오닌 (Thr)

3) β-병풍 (beta - sheet)

① 펩타이드 골격이 거의 펼쳐져 있는 형태로 존재함

② 수소 결합의 종류

- 마찬가지로 C=O와 N-H 사이의 수소 결합을 통해서 결합을 이룸

ⅰ) 사슬 내 결합 (intrachain bond)

- 한 사슬 내에서 다른 두 부분이 서로 인접하여 형성되는 수소결합

ⅱ) 사슬 간 결합 (interchain bond)

- 한 사슬과 다른 사슬 사이에 형성되는 수소 결합

③ 구조의 종류

ⅰ) 평행형 병풍 구조 (parallel pleated sheet)

- 모든 사슬이 N 말단 -> C 말단 방향일 때

ⅱ) 역평행 병풍 구조 (antiparallel pleated sheet)

- 사슬이 N 말단 -> C말단과 C 말단 -> N 말단이 혼합되어 있을 때

- C=O와 N-H가 일직선에 배치될 수 있기 때문에 강한 수소결합을 보여 더 안정화된 구조를 가짐

- 단백질의 사슬 방향과 수직하게 수소결합이 형성

4) 규칙적인 구조 내의 불규칙성 (Irregularities in regular structures)

- alpha 나선 구조와 beta 병풍 구조를 제외하고도 단백질 내에서는 다른 나선구조도 발견됨

- 이들은 아예 무작위해 보일 수 있지만 사실 alpha 나선 구조와 beta 병풍 구조의 규칙적인 성질이 파괴된 구조임

① 310 나선

- 한번 회전에 아미노산이 3개가 있으며 원자 10개가 포함되어 있는 구조

  cf) alpha 나선구조: 한번 회전에 아미노산이 3.6개 원자가 11개 포함되어 있는 구조

- 이와 비슷하게 27, 416 등이 있음

② β-부푼구조 (β-bugle structure)

- 역평행 beta sheet 구조에서 발견되는 구조이며, 반복적이지 않은 불규칙 구조

- 원래는 사슬 간의 아미노산은 1대 1로 수소 결합을 형성하는데, 부푼 구조의 경우 한 사슬의 아미노산 2개와 다른 사슬의 1개가 결합에 관여하여 2대 1 수소 결합을 보임

-  G-1 부푼 구조는 분자 내 수소결합이 형성된 것이고 넓은 부푼 구조는 기본 부푼 구조에 비해 결합에 관여하지 못한 아미노산이 더 넓은 수소결합 사이에 배치된 형태를 말함

 ③ 역선회 (reverse turn)

- 단백질이 접하려면 펩타이드 골격과 2차 구조의 방향이 바뀔 수 있어야 함

- 때로는 이러한 전환이 발생할 때 기존의 2차 구조가 다른 2차 구조로 변형되고, 이를 역선회 구조라고 함

a) 제 1형 역선회: 잔기 3에서 곁사슬이 바깥에 놓여있어 어떠한 아미노산, 즉 임의의 곁사슬이 배치되어도 됨

b) 제 2형 역선회: 잔기 3에서 곁사슬이 180도 회전해서 안쪽에 놓여있게 되어 사슬의 방향이 바뀜. 이 자리에는 글라이신(gly, G)’만’ 배치될 수 있음 (나머지 곁사슬들은 steric effect가 너무 큼)

c) 제 2형 역선회: 잔기 2에서 프롤린(Pro, P)가 배치될 수 있고 잔기 3에는 글라이신이 배치되어있는 구조

5) 초 2차 구조와 도메인 (Supersecondary Structures and Domain)

a) beta - alpha - beta

b) alpha - alpha

c) beta meander

d) Greek key

- 모티프(motif): 초 2차 구조가 반복되어 나타난 구조

- 모티프는 비슷한 형태를 갖고 있더라도 다양한 기능을 가진 단백질 및 효소에 포함되어 있기 때문

- 도메인(domain): 단백질의 기능을 분류할 수 있는 최소 단위

  - 비슷한 기능을 하는 단백질은 아미노산의

6) 콜라겐 3중나선 (The collagen Triple Helix)

- 콜라겐: 뼈와 결합조직의 구성 성분이며 척추동물에 가장 풍부함

- 3개의 폴리 펩타이드 사슬이 반복되어 구성되어 있음

  - X - Pro - Gly // X - Hyp - Gly (more stable)

  - X: 임의의 아미노산 and Hyp: 하이드록시프롤린 (hydroxy-Pro)

 -  hyroxy-Pro: 아미노산이 서로 연결되어 아미노산이 연결되어 단백질이 된 후 수산화효소에 의해 변형이 되어 생성됨

- 위의 3차 helix 구조를 살펴보면 3번째 펩타이드의 곁사슬 R은 항상 안쪽으로 배향되어 있으며 만약 너무 큰 작용기가 붙으면 입체장애가 지나치게 큼 (역선회 구조)

  -> 3번째 펩타이드 서열에 항상 글라이신 Gly가 오는 것을 알 수 있음

- 위의 helix 구조는 alpha helix는 아니며 트로포콜라젠(tropocollagen)[[1]]으로 구성이 되어 있음

- 하이도록시프롤린과 하이드록시라이신 사이의 수소결합이 있으며 큰 덩어리의 분자량은 300,000정도 (-OH가 포함되어 있기 때문에 콜라겐을 더 안정하게 만들어 줄 수 있음)

- 콜라젠 속의 라이신 또는 히스티딘이 반응을 하면 새로운 공유 결합을 형성하기에 분자의 나이가 증가함에 따라 질겨지는 경향을 보임[[2]]

7) 두 종류의 단백질 입체구조 (Two Types of Protein Conformations)

① 섬유상 단백질 (fibrous protein)

- silk: beta sheet로 주로 구성이 되어 있음

- wool: alpha helical로 주로 구성이 되어 있음

② 구형 단백질 (globular protein)

- 골격 자체가 접혀져서 공 모양과 같은 형태를 하고 있음

- 수용성이고 촘촘한 구조

4. 단백질의 3차 구조 (Tertiary Structure of Proteins)

1) 3차 구조에 관여되어 있는 힘: noncovalent interactions

- 2차 구조에 비해 더 복잡한 구조를 갖고 있기에, 다른 추가적인 힘이 관여함. 그렇기에 더 안정하고 낮은 에너지를 보유할 수 있음

- 단백질을 구성하고 있는 subunit 사이의 수소결합에 ‘비공유성 상호작용’이 추가적으로 관여함

  e.g. 소수성 상호작용 (hydrophobic interaction), 정전기적 상호작용 (electrostatic attraction), 금속 이온 상호작용, 이황화결합 (Disulfide bond)[[1]] 등

- 특정 단백질에 위에서 언급한 모든 상호작용이 관여해야 한다는 것은 아니며, 해당 단백질에서 보여질 수 있는 모든 상호작용이 관여해서 3차 단백질을 형성한다는 것을 뜻함

  i.e. 위에서 언급한 상호작용의 조합을 통해서 상호작용이 형성

2) 단백질 3차 구조의 결정

① X선 결정학[[1]]

- 조건이 잘 조절되었다면 특정 단백질을 완벽한 형태의 결정을 얻어낼 수 있으며, 이때의 구조는 동일한 3차원 입체구조와 방향성을 갖고 있음

- 분자 내의 전자가 X선을 산란하면 사진판 및 방사능 측정기에 회절 패턴이 형성됨 (전자가 많을수록 산란의 정도가 증가함)

- 산란된 정보를 푸리에 급수를 통해 분석을 하고, 이 정보를 바탕으로 3차 구조를 추론할 수 있음

② 핵자기공명분광학 (2D-NMR)

- 많은 측정 자료를 얻고 이 자료를 컴퓨터로 분석해서 분자 구조를 얻어냄

- 수용액 상태의 시료를 사용해서 분석을 진행

3) 마이오글로빈 (Myoglobin)

- 마이로글로빈은 3차 단백질을 설명할 때 대표적으로 사용하는 구형 단백질

  : X ray 결정학 방법을 이용해서 구조를 결정한 첫 번째 단백질

① 구성

- 153개 아미노산 잔기 + 헴(heme, 보결분자단)

② 외부 단백질 골격

- 8개의 alpha helix(A~H)를 전체 75%만큼 갖고 있으며 beta sheet는 존재하지 않음

- 극성 곁사슬은 outward하며 단백질 내부는 단백질 inside에 배치

  cf) 히스타민(His)는 극성이지만 분자 내부에 존재하여[[1]] 헴과 상호작용을 함

③ 헴의 구조

- 헴 구조는 평평하기에 단백질 내부에 있는 소수성 공간에 꼭 들어맞을 수 있음 -> 소수성 상호작용(hydrophobic attraction)에 의해서 내부에 잘 결합할 수 있음

- 헴(heme) 작용기 = 금속이온 Fe(Ⅱ) + 프로토포르피린 Ⅸ (protoporphyrin Ⅸ)

  - 프로토포르필린과 Fe가 4개의 결합을 형성 (소수성 상호작용)

④ 헴과 히스티딘의 구조적 관계

ⅰ) 마이오글로빈은 산소를 흡/탈착 해서 근육 근처에 산소 등을 운반 및 저장할 수 있는 기능을 하는데, 이를 수행하는 구조가 헴 - 히스티딘 복합체

ⅱ) Fe의 남아있는 두 자리 중 한 공간에 F8 히스타딘이 결합하고 나머지 공간에 산소 및 일산화탄소가 연결될 수 있음

ⅲ) 나머지 H7 히스타딘은 프로토포르필린 고리 평면에 수직으로 존재하여, 산소 또는 일산화탄소와 헴 구조 사이의 결합각을 조정해서 기체가 마이오글로빈에 탈/부착되는 정도를 조정함

⑤ 헴 - 히스타딘 산소(일산화탄소) 탈/부착 세기 조정 메커니즘

- 일반적으로 일산화탄소의 헴 부착 정도가 산소에 비해 25,000배 더 강함

a) 더 잘 부착되는 일산화탄소가 E7 히스타딘의 방해 없이 헴 구조와 잘 결합을 유지하고 있음 -> 혈액 내 과도한 일산화탄소는 독극물로 작용하기에 중독을 유발하고, 뇌 손상으로 이어짐

b) His E7이 Heme 구조 위에 배치하기에 실제로는 결합각이 조정되어 일산화탄소가 헴 구조와 결합을 형성 -> 기존 보다 수백 배 결합력이 작아짐 -> 모든 헴 구조에 일산화탄소가 결합되지 않고 c)에서 보이는 것처럼 산소가 결합할 수 있는 가능성이 생겨 물질대사의 근거가 됨

c) 만약 산소가 헴 구조에 강하게 결합되어 있다면 흡착은 쉬워도 탈착이 어려울 수 있음 -> 마찬가지로 His E7이 산소와 헴 구조 사이의 결합력을 조정하여 흡착력을 약화하더라도 탈착도 더 잘 진행되도록 함 -> 산소가 더 잘 사용될 수 있도록 함

cf) 헴 구조가 단백질 내에 존재하지 않을 때 철이 산화한 형태로 존재할 수 있으며, 여기에는 산소가 붙을 수 없기에 단백질과 헴 구조 모두 존재해야 산소를 저장할 수 있는 기능을 비로소 실현함

4) 변성과 재접힘 (Denaturation and Refolding)

① 변성 (Denaturation)

- 3차원 구조를 유지하는 비공유성 상호작용의 세기가 약하기에 외부 조건에 의해서 쉽게 변화가 가능

- 단백질의 풀림을 변성이라고 말함

- 변성의 원인

  ⅰ) 열(heat): 분자 내 진동을 촉진해 Interaction을 파괴

  ⅱ) pH: pH의 조정으로 amino acid의 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 변화가 생기고, 이는 분자 사이의 interaction에 영향을 줄 수 있음

  ⅲ) 도데실 황산 나트륨 (Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)의 결합: 세제는 소수성 상호작용을 파괴해서 분자의 구조에 변형을 줌

  ⅳ) 특정 시약의 존재: 단백질과 강한 수소 결합을 형성하여 기존의 결함을 깨고, 변형을 줄 수 있음

      e.g. 요소(urea), 구아니딘 염산염 (guanidine hydrochloride) emd

  ⅴ) 이황화결합 (-S-S-)의 환원: -S-S- -> -SH로 환원함으로써 단백질 변성을 촉진함

② 재접힘 (refolding)

- 외부 조건의 자극을 조심스럽게 다시 돌려놓으면 변성된 단백질이 다시 회복될 수 있으며, 이때의 과정을 재접힘 과정이라 부름

- 이때에는 3차 단백질 결정 상호작용도 중요하지만, 1차 구조의 우위가 더 높음 (아미노산의 서열이 3차원 단백질의 정보를 갖고 있음)

- 머캅토에탄올과 요소를 제거하면 단백질의 변성이 다시 회복될 수 있음

- 하지만, refolding에 의해서 기존과 100% 동일하게 합성이 되는 것은 운에 맡겨야 하는 문제

  cf) 유전공학에서 세포에 있는 유전 정보를 이용해서 복제를 진해할 수 있음. 이때, 세포는 dense하기 때문에 aggregation이 자연스럽게 발생할 수 있기에 Cell을 깨서 denaturation을 한 후 다시 refolding을 하는 경우가 있음 (이때도 마찬가지로 완벽한 refolding이 진행되는 것은 운에 맡겨야 함)

5. 단백질의 4차 구조 (Quaternary Structure of Proteins)

- 2개 이상의 폴리펩타이드 사슬로 구성된 단백질이며, 각각의 폴리펩타이드 사슬을 소단위체(subunit)이라고 함

  e.g. 올리고머(oligomer): 2량체(dimer), 3량체(trimer), 4량체(tertramer)

- 기존의 단백질 구조와 마찬가지로 다양한 상호작용을 통해서 형성이 됨

- 알로스테릭(allosteric): 비공유성 상호작용으로 단백질의 한 부분이 미묘한 구조 변화가 발생하는데, 이 변화 때문에 다른 부분의 성질이 크게 변하는 것 (나비효과-like)

1) 헤모글로빈 (Hemoglobin)

- 맥스 퍼루츠와 존 캔드류가 처음으로 구조를 밝혀냈으며, 2번째로 구조가 밝혀진 단백질 (노벨상 수상, 1962)

- 혈액 속에서 단백질을 수송하는 역할을 함

① 구성

- 4개의 폴리 펩타이드 사슬[[1]] (2 alpha chain + 2 beta chain) + 헴 구조

② 외부 단백질 골격

- alpha chain의 정보는 16th 염색체에, beta chain의 정보는 11th 염색체에 암호화되어 있음

- 마이로글로빈의 알파 사슬과 베타 사슬과 매우 유사

  - 헤모글로빈 알파 사슬: 151개 잔기 & 베타 사슬: 146개 잔기 cf) 헤모글로빈: 잔기 153개

③ 마이로글로빈과 헤모글로빈의 산소 저장 용량

- 마이로글로빈은 하나의 산소 분자를 저장할 수 있는 반면 헤모글로빈은 4개의 산소 분자를 저장할 수 있음 (4단량체이므로 각 사슬에 하나의 산소 분자를 저장할 수 있기 때문)

  -> 산소 포화 정도는 마이로글로빈이 더 빨리 진행됨

- 헤모글로빈의 산소 결합은 양성적 협동성 (positive cooperativity)[[1]]를 보임

- 협동성 결합은 산소 결합의 경향성을 보이는 것이지 절대적 결합 정도를 보이는 것이 아님

  i.e. 마이로글로빈은 산소에 대해 양성적 협동성을 보이지는 않지만, 임의의 산소압에서 항상 헤모글로빈보다 포화도가 높은 것을 확인할 수 있음

④ 헤모글로빈 작동 메커니즘

- 헤모글로빈은 산소를 운반하는 것을 주 기능으로 함

  i.e. 산소와 단단히 결합할 수도 있어야 하지만, 때로는 산소를 쉽게 방출할 수 있어야 함

- 폐포(pO2=100)에서 헤모글로빈은 100% 포화되며 모세혈관(pO2=20)에서는 포화도가 50%보다 조금 낮음 -> 산소가 필요한 모세혈관에서는 헤모글로빈은 산소를 잘 내어놓음 -> 모세혈관에서 산소를 내어놓는 다는 것은 조직으로의 산소 전달이 용이함을 뜻함

⑤ 헤모글로빈의 기능에 수반되어 일어나는 입체 구조의 변화 (1): O2 흡착과 H+ 흡착 사이의 관계

ⅰ) 산소가 결합한 헤모글로빈(옥시헤모글로빈, oxyhemoglobin) vs 산소를 방출한 헤모글로빈(디옥시헤모글로빈, deoxyhemoglobin)

- 옥시헤모글로빈에서 beta 사슬의 거리가 디옥시헤모글로빈에서보다 더 가까움 (옥시헤모글로빈의 중앙 공간이 훨씬 좁음)

ⅱ) 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 pKa와 acidity

- 디옥시헤모글로빈 pKa = 7.8 (상대적 염기성) -> 혈액(pH=7.4)에서 H+와 결합하려 함

- 옥시헤모글로빈 pKa = 6.7 (상대적 산성) -> 혈액(pH=7.4)에서 H+를 내어놓으려 함

=> 헤모글로빈에 대해 O2 흡착과 H+ 흡착은 반비례 관계를 보이는 것을 알 수 있음

    e.g. 산소가 결합한 헤모글로빈은 수소 이온과 결합을 잘 유지하지 못함

=> H+ 농도의 증가는 헤모글로빈의 산소 친화력을 감소시킴 (i.e. 디옥시헤모글로빈이 H+와 결합을 해서 그 양을 감소시킴)

⑥ 헤모글로빈의 기능에 수반되어 일어나는 입체 구조의 변화 (2): CO2 흡착과 H+ 흡착 사이의 관계

- H+ 농도의 변화는 O2 뿐 아니라 CO2의 흡착 여부에도 영향을 미침: 보어 효과 (Bohr effect)

ⅰ) H+ 농도에 따른 CO2 조정 메커니즘

- @ 근육 조직, 젖산의 증가로 H+ 농도 증가 -> 헤모글로빈 산소 친화력 감소 (디옥시헤모글로빈의 양 증가) & 양성자의 결합 (알파 사슬의 N 말단 or 베타 사슬의 His146) -> (+) 전하를 띤 디옥시헤모글로빈은 Asp94와 염교를 형성하면서 안정화

  (즉, 근육조직은 acid environment이기 때문에 여기에 과량으로 존재하는 수소 이온과 옥시헤모글로빈이 반응을 해서 디옥시헤모글로빈으로 전환됨)

=> system의 H+ 농도와 CO2 흡착 정도는 비례 (산성일수록 디옥시헤모글로빈으로 존재 경향 증가)

- pH가 낮은 system에 존재하는 헤모글로빈일수록 디옥시헤모글로빈 형태를 선호하기 때문에 산소 포화도 정도가 감소하며, 이를 위의 그래프에 요약함

ⅱ) CO2의 완충효과

- 헤모글로빈 사이의 전환으로 대사산물로 CO2가 형성되는 사실을 알 수 있음

a) 이산화탄소의 이온화에 의한 효과

- 혈액 내의 CO2는 탄산(H2CO3) 형태로 존재할 수 있음 (CH 2 호흡 메커니즘에서 언급)

- 이를 정량적으로 살펴보면 혈중 CO2의 약 90% 정도가 탄산으로 전환되어 존재 (HH equation)

i.e. CO2로부터 형성된 탄산의 90%가 이온화되는 것을 뜻하고, 이는 결국 CO2의 90%가 탄산이온의 형태로 존재하여 H+를 내어놓는데 기여하는 것을 뜻함

  : 이때 내어놓은 H+가 옥시헤모글로빈을 디옥시헤모글로빈으로 전환하게 됨 (산소 포화도의 감소)

b) 이온화되지 않은 이산화탄소의 효과

- 이온화되지 않은 CO2는 헤모글로빈과 결합되어 운반될 수 있음

- 이산화탄소와 유리되어 있는 alpha amino acid와 결합을 해서 카밤산염(carbamate)을 생성

  - 이 반응은 alpha 아미노 말단이 음이온으로 전환이 되며, 이는 디옥시헤모글로빈의 alpha 사슬에 있는 Arg141과 정전기적 상호작용을 일으켜 안정하게 존재할 수 있도록 함

=> CO2는 a)와 b) 메커니즘을 통해서 서로 다른 2가지 효과를 갖고 있음 (입체구조 전환 & 안정화)

=> 결과적으로 헤모글로빈의 산소 운송과 H+ CO2 사이의 관계성을 통해서 pH와 체내 산소/이산화탄소의 농도를 조정할 수 있게 됨

⑦ 헤모글로빈과 BPG(2,3 - BisPhosphoGlycerate) 사이의 상호작용

- BPG의 존재와 헤모글로빈 산소 수용 능력의 변화

- BPG는 자체적으로 음전하를 갖고 있으며, 단백질이가 갖고 있는 양전하와 정전기적 상호작용을 일으켜 헤모글로빈의 입체 구조에 변형을 가져옴

- 산소가 결합해야 할 자자리에 BPG가 배치됨으로써 헤모글로빈의 상대적인 산소 수용 능력이 감소하여 더 적은 산소 분압에서도 헤모글로빈이 포화될 수 있음

  i.e. BPG가 없다면 모세혈관(pO2=20)에서도 헤모글로빈이 거의 포화된 상태로 존재할 수 있기 때문에 조직으로 산소를 잘 전달하지 못하게 됨

⑧ 태아의 산소 수용 능력

- 태아의 해모글로빈 (HbF, α2γ2)은 성인의 헤모글로빈 (HbA, α2β2) 보다 산소를 잘 수용할 수 있음

- 이유

ⅰ) 서로 다른 2가지 폴리펩타이드 사슬이 존재

- 성인의 헤모글로빈 α2β2 vs 태아의 헤모글로빈 α2γ2

ⅱ) Hb F가 Hb A보다 BPG와 덜 강하게 결합을 함

- beta 사슬의 His143(Basic)가 BPG와 상호작용 형성

- gamma 사슬은 His143이 Ser143(Neutral)로 바뀌어 BPG와 상호작용을 형성

  -> 전기적으로 중성이 상호작용에 관여하게 되므로 BPG와 결합정도가 감소할 수밖에 없음

  -> BPG가 더 적게 결합되어 있으면, 그 자리를 산소가 차지할 수 있게 되므로 작은 분압에서도 포화가 잘 일어남 (태아 헤모글로빈의 산소 포화도 상승)

6. 단백질 접힘의 역학 (Protein Folding Dynamic)

1) 생물정보학 (Bioinformatics)

- 생화학에서 많은 양의 정보를 처리하기 위해 컴퓨터 방식을 이용하는 것

- 이를 이용해서 단백질 구조를 예측할 수 있음

  cf) 핵산의 정보를 연구할 수도 있으며, 결국 핵산으로부터 정보 전달이 시작되기에 중요함

2) 단백질 구조의 예측 알고리즘

- 상동성(homology): 두가지 아미노산 서열 사이의 유사성을 말하며, 단량체의 순서가 유사하면 해당 아미노산은 서로 상동성을 갖는다고 말할 수 있음

- 드노브 예측법: 기존의 데이터베이스와 비교하지 않고 처음부터 독자적으로 구조를 예측

- Database들은 공식 인터넷 사이트 등에 잘 제시되어 있음

3) 소수성 상호작용: 열역학에서의 사례 연구 (Hydrophobic Interactions: A Case Study in Thermodynamics)

- 소수성 상호작용은 긴 분자배열을 갖는 단백질들이 분자 구조를 결정하는데 중요한 영향을 갖고 있음

① 인지질 이중막

- 인지질: 양친매성 분자 -> 수용액에 인지질에 들어가면 친수성 부분으로 표면이 형성되며, 소수성 부분이 내부로 배향되어 이중막 구조를 형성함

  -> 리포솜(liposome)이라는 3차원 구조를 형성함: 이 구조는 약물 전달에 중요하게 사용되는 구조

- 이중막에 있는 단백질도 소수성 부분에 포함되어 있기 때문에 소수성 상호작용의 일례

② 사이토크롬 C 단백질의 3차원 구조

- 소수성 상호작용은 단백질 내부를 향하여, 배치되고, 친수성 상호작용은 단백질 외부를 향하여 배치됨

③ 소수성 상호작용이 잘 발생하도록 하는 요인

- 소수성 상호작용은 자발적이며, 이 상호작용이 발생할 때 우주의 엔트로피는 증가함

e.g. 헥세인과 물의 혼합: 잘 발생하지 않음

- 비극성 용매인 헥세인을 둘러싸고 있는 물은 서로 수소작용을 할 수 있는데, 비극성용매를 둘러싸면 물끼리 수소 결합을 해서 엔트로피가 감소하게 됨

- 만약에 용해가 잘 되면 지나치게 엔트로피 감소폭이 커지게 되어 열역학 제 2법칙에 반하고, 실제로 잘 진행되지 않음 (오히려 비극성 용매의 상호작용으로 비극성 용매와 극성 용매끼리 분리됨)

e.g. 아미노산의 소수성 상호작용

- 아미노산끼리 상호작용을 하는 것을 우선으로 생각하지만, 엔트로피의 감소를 막기 위해서 물이 아미노산을 수화하지 않아 밀려난 아미노산이 결합을 하는 것으로 생각하면 더 편함

4) 올바른 접힘의 중요성

- 세포 내부는 protein-dense environment이기 때문에 단백질이 올바르게 생성되지 못하고 과도하게 뭉치는 경우가 있음 (aggregation)

- aggregation 형태의 단백질은 올바르게 접힐 수 있는 단백질도 aggregative하게 만들어버림

a) 부분적으로 접혀 있는 단백질은 정상적인 환경에서는 적당히 상호작용을 해서 올바르게 접힐 수 있음

b) dense한 상황에서는 aggregation이 발생할 수 있으며, 이는 다른 단백질과 상호작용을 해서 단백질 침전을 일으킴

  e.g. 신경퇴행성 질병 (알츠하이머, 파킨슨, 헌팅턴, 프라이온 질병)

5) 단백질 - 접힘 샤프론

- 생체 내에서 단백질이 올바르고 적절한 시기에 접촉이 되도록 도움 (모든 생물체 내부에 존재)

  e.g. 잘못된 단백질과 상호작용을 하지 못하도록 or 부적절한 방향으로 단백질이 형성되는 것을 방지

- 샤프론의 예: hsp70[[1]] (heat-shock protein)

- alpha 사슬과 beta 사슬은 각각 16th, 11th 염색체에 암호화되어 있기 때문에 발현 조절이 복잡함

- alpha 사슬 2개당 beta 사슬 하나가 존재하기 때문에 항상 alpha 사슬이 과량으로 존재함

  -> 이는 단백질의 aggregation이 형성될 수 있는 조건

- If aggregation이 제거되지 못하면 alpha 사슬의 침전이 진행되며, 적혈구가 운반할 수 있는 산소의 양이 감소한 것을 의미함

  -> 이를 지중해성 빈혈(thalassemia)라고 함

- 이를 방지하기 위해서 alpha 헤모글로빈 안정화 단백질 (AHSP)가 alpha 사슬끼리 침전이 안되도록 조절해주어 정상적인 헤모글로빈 생성을 도움 (or beta 사슬로 alpha 사슬을 전달)

7. 프라이온 (Prion): 2차 단백질 접합의 중요성

1) 프라이온 개념

- 스탠리 프루지너가 처음 발견해 1997년 노벨의학상 수상

① 신경조직의 세포막에서 발견되는 크기가 작은 천연 당단백질 (조혈 줄기세포의 세포막에서도 발견)

② 프라이온의 정상 구조와 돌연변이 구조

ⅰ) 정상구조 (PrP)

- alpha helix rich: 한 번의 회전에 210개의 아미노산이 있음

- 23,100g/mol amino acid + 11,000g/mol 당지질

ⅱ) 비정상구조 (PrPSC)

- 정상구조와 분자량, 구성이 모두 동일하나 alpha helix가 beta sheet 구조로 변함

- 인접한 정상 단백질까지 변형을 시켜서 장애를 유발

2) 광우병 (TSE, Transition Spongiform Encephalopathy)

- 프라이온의 변형으로 생기는 대표적인 질환 중 하나

- 뇌 섬유화가 진행되어 신경세포들이 퇴화하기 때문에 개체가 미쳐가고 결국 죽게 되는 질환

① 광우병의 분류: 개체마다 명명이 조금 다름

- 소 (BSE, Bovine Spongiform Encephalopathy)

- 사슴/엘크 (CWD, Chronic Wasting Disease)

- 양 (Scrapie)

- 사람 (vCJD, Creutzfeldt)

② 발현 매커니즘

- 구체적으로 발현 매커니즘이 규명되어 있지 않지만, 프라이온 질환은 유전적이며 감염 인자에 의해 전파가 가능하기에 뇌에 critical한 영향을 미침

③ 문제점

- 프라이온은 살아있는 개체에 대해 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에 증상을 보고 광우병이라고 유추하는 것

- 백신도 따로 없으며, 실제로 예방하기도 불가능

④ 검사방법

- 살아있는 개체에 대해 검사를 진행하는 것이 매우 힘듦

  e.g. 뇌 조직을 추출해서 측정하는 것이 대표적이나 생(生)물의 뇌조직 추출에는 어려움 ㅇㅆ음

  e.g. 광우병에 걸린 사람의 혈액을 측정해보니까 비정상 프라이온 PrPSC의 분자 개수가 103~104개 이며 이를 농도로 바꿔 표현하면 10-18정도 -> 매우 낮은 농도이기 때문에 측정에 어려움이 분명히 있으며 microscopic scale의 신호를 잘 감지할 수 있는 biosensor의 제작이 요구됨

- 그럼에도 불구하고 측정을 한다면, 기본적으로는 ELISA (Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay) 방법을 이용함 (~pM)

1. 입체적 구조를 갖는 아미노산 (Amino Acids and Peptides)

1) 아미노산의 개수

- 아미노산은 ‘20개’만 존재 (20개의 아미노산을 암기할 수 있어야 함)

2) 아미노산의 구조

- 아미노산은 탄소 C에 아미노기(amino group) + 카복실기(carboxyl group) + 곁사슬(R) + 수소(H)

  - R에 의해서 아미노산의 종류가 결정됨 (즉, 20종류의 R이 존재함)

  - 중성 용액에서는 카복실기와 아미노기가 각각 음이온과 양이온의 형태로 존재함

    (COOH pKa < 7: 수소 이온 잃은 형태 선호, NH2 pKa > 7: 수소 이온 결합 형태 선호)

  - 해당 작용기를 모두 갖고 있는 아미노산의 중심 탄소를 alpha 탄소라고 함

3) 아미노산의 입체화학 (stereochemistry)

① 카이럴성(chiral)과 비카이럴성(achiral)

- 한 원자에 대해서 서로 다른 4개의 작용기가 결합되어 거울 이성질체를 갖는 물질

  - 아미노산의 경우 4개의 결합을 가질 수 있는 탄소에 나타나며, 글라이신을 제외하면 모든 아미노산은 alpha - 탄소에 대해서 카이럴성을 보임

  cf) 글라이신(R=H): alpha 탄소에 대해서 서로 같은 원소 H가 2개 존재하기에 거울 이성질체가 존재하지 않음 -> 비카이럴성 (achiral)

② 입체화학의 표기법: L - amino acid & D - amino acid

- 글라이신을 제외한 아미노산은 모두 카이럴성을 갖기 때문에 아미노산의 입체 이성질체 정보를 표현하는 것이 중요하며, 이를 L과 D로 표현함

- COOH - alpha C - R을 세로로 그리고 오른쪽에 H가 위치하면 이를 L-아미노산(L-amino acid)라고 하며, H가 왼쪽에 위치하면 이를 D-아미노산(D-amino acid)라고 함

- 대부분 생체 내의 단백질은 L-아미오산이며, 박테리아의 세포벽과 몇몇 항생제에서만 D-아미노산이 관찰됨

  e.g. D-당분자는 달며 L-당분자는 씀

- L-아미노산과 D-아미노산은 R의 종류에 따라 다를 수는 있으나, 유기화학에서 우선 순위를 고려하면 R(clockwise)과 S(counterclockwise)가 다르기에 서로 입체 이성질체 관계에 놓여있음

cf) 탄수화물의 경우 CHO - C - CH2OH 골격을 기준으로 하면 H와 OH만 남는 사실을 이용하며, 마찬가지로 H가 오른쪽에 오면 L-탄수화물, H가 왼쪽에 오면 D-탄수화물이라고 함

2. 아미노산의 구조와 성질 (Individual Amino Acids: Their Structures and Properties)

- 아미노산의 구조 및 성질은 그들을 특정 짓는 R의 종류와 구조에 영향을 받음

  - R의 극성/비극성 -> 극성 작용기 중 산성(H를 내어놓을 수 있는가?)/염기성(N이 있는가?)를 기준

  - 20개의 아미노산의 이름, 3약어, 1약어를 모두 암기하고, 필수아미노산을 구분할 수 있어야 함

  cf) 필수 아미노산: 체내에서 합성이 불가능해서 직접 섭취를 해야 하는 아미노산 (8가지)

      - IWF/VLM//T//K

* color 처리가 되어있는 아미노산은 ‘필수 아미노산’

* Bold 처리가 되어있는 아미노산은 신경전달과 관련한 아미노산

- 지방족(aliphatic): 벤젠 고리와 그의 유도체가 없는 물질

- 방향족(Aromatic): 벤젠 고리와 그의 유도체가 있는 물질

  -> 분자 구조를 통해서 분류할 수만 있으면 됨

1) 비극성 아미노산 (IWF/VLM/GAP, 9)

① 프롤린 (Pro, P)

  - 지방족 고리구조: rotation이 어려움 (불리한 구조)

  - N에 대해 C 2개가 연결: 2차 아민 (imino acid)

② 메티오닌 (Met, M)

  - R에 들어있는 S가 활성산소를 제거하는 역할을 함

  - 닭사료의 주 성분으로 시장성이 높은 아미노산

③ 트립토판 (Try, W)

  - 진정작용을 할 수 있는 신경물질인 세로토닌(serotonin)의 전도체 (Transport)

④ 페닐알라닌 (Phe, F)

  - 도파민/에피네프린의 전구체로 기능

2) 극성, 전하 X 아미노산 (SYNQ/CT)

- 글라이신을 이 그룹에 포함시하기도 함

- 전하를 띠지 않는다는 것은 ‘중성’상황에서 말하는 것이며 pH가 변하면 이온화가 되어 작용기가 전하를 띨 수 있음

  e.g. 높은 pH에서는 -OH를 갖고 있는 세린(Ser, S)과 트레오닌(Thr, T)은 양성자를 잃음

① 세린 (Ser, S)와 트레오닌 (Thr, T)

-  -OH가 곁사슬에 포함되어 있어서 높은 pH(염기성 상황)에서는 H+를 잃어서 이온 형태를 띰

② 타이로신 (Tyr, Y)

- 곁사실이 페놀이기 때문에 -OH보다 더 강산이고 적당한 pH 하에서도 H+를 잃을 수 있음

- 신경전달물질(도파민, 에피네프린)의 전구체

③ 시스테인 (Cyc, C)

- 곁사슬에 싸이올 작용기 (thiol, -SH)이 있으며, 수용액 내에서 다른 시스테인과 반응하여 이황화결합(S-S 결합)을 형성할 수 있음

- S-S 결합은 금과 결합을 할 수 있는 특성을 갖고 있으며 3D 구조에도 유효한 영향을 미침

④ 글루타민 (Gln, Q)과 아스파라진(Asn, N)

- 곁사슬에 아미노기를 갖고 있으며, 각각 글루탐산과 아스파트산의 유도체임

3) 산성 아미노산 (DE)

- alpha carbon에 연결되어 있는 카복실기를 제외하고, 곁사슬 R에도 추가적인 카복실기가 들어있음

  e.g. 아스파트산(Asp, D), 글루탐산(Glu, E)

- 수용액에서 양성자를 잃은 형태(음전하)로 존재하기에 특별히 아스파트산염(aspartate)와 글루탐산염(glutamate)라고 함

- 글루탐사니 MSG의 주 성분(염이 혀에 관여해서 감칠맛을 돋구어줌), 신경전단물질의 전구체

4) 염기성 아미노산 (RKH)

- 곁사슬에 N이 포함되어 있으며 이는 비공유 전자쌍 제공을 할 수 있음. 즉 수용액 상태에서도 아미노산이 양성자-결합 형태를 선호하며 실제로 양전하를 띠고 있음

  e.g. 아르지닌(Arg, R), 라이신(Lys, K), 히스티딘(His, H)

① 아르지닌 (Arg, R)

- 구아니디노(guanidino)가 곁사슬에서 염기성 작용기로

② 히스티딘 (His, H)

- 이미디졸(imidazole, 오각형)이 염기성 작용기이며, pKa가 6.0 (생리적 pH인 7.4정도로 유사)

- 수소 결합 형태(양성자화, protonated)와 수소 탈착 형태(탈양성자화, unprotonated)

- nano structure을 이용할 때 니켈(Ni)과 특이적인 결합성을 보이는 물질

5) 드문 아미노산

- 일부 단백질에서 발견이 되나 모든 단백질에서 발견되는 것은 아님

- 앞으로 제시할 아미노산은 일반적인 아미노산의 번역 후 변형 과정을 통해서 생성 (아미노산 유도체)

① -OH를 포함하고 있는 아미노산: 하이드록시프린(hydroxyproline), 하이드록라이신(hydroxylysine)

- 프롤린과 라이신에서 유도가 되었으나 프롤린과 라이신에는 -OH 가 없음

- 콜라겐 같은 결합조직 단백질에서 발견

② 타이록신 (Thyroxine)

- 타이로신과 달리 곁사슬에 요오드가 달려있음

- 갑상선 작용 중 처음 방출하는 호르몬에 포함된 단백질 중 하나로, 히스타민의 전구체

3. 산-염기로 동시에 작용할 수 있는 아미노산 (Amino Acids can Act as Both Acids and Bases)

1) 쌍극성이온(zwitter-ion)

- 아미노산은 pH = 7에서 카복실기는 음전하를 띠고 아미노기는 양전하를 띠고 있어서 알짜 전하를 띠고 있지 않음

- 이처럼 양전하와 음전하가 공존하고 있는 이온을 쌍극성이온(zwitterion)이라고 함

2) 아미노산의 적정

- 아미노산은 그 이름에서 나타나듯이 산, 염기로 작용할 수 있으며 이를 적정을 통해서 산/염기의 강도를 알아낼 수 있음

- 카복실기와 아미노기가 산-염기 반응에 관여하면서 발생하는 현상

  - 카복실기의 pKa low -> 산처럼 관여 & 아미노기의 pKa high -> 염기처럼 관여

① 아미노산의 산-염기 반응 (2양성자산-like, 알라닌)

- 중성 상태에서는 아미노기와 카복실기가 각각 양이온과 음이온의 형태로 존재함

- 매우 낮은 pH에서는 카복실기는 양성자화 되어있어 COOH로 존재하고, 아미노기도 양성자화 되어있어서 NH3+형태로 존재함 (산성 용액에서의 아미노산 거동)

  -> 이 상황에서 아미노산의 알짜 전하는 +1

- 매우 높은 pH에서는 카복실기도 탈양성자화 상태여서 COO−형태로 존재하고, 아미노기도 탈양성자화 되어있어 NH2형태로 존재함 (염기성 용액에서의 아미노산 거동)

  -> 이 상황에서 아미노산의 알짜 전하는 -1

② 알라닌의 적정 곡선 형태

ⅰ) 산성 수용액 하에 존재하는 아미노산에 대해 think

- NH3+와 COOH에서 H가 나올 수 있으므로, 아미노산을 2양성자산으로 간주할 수 있음

ⅱ) NH3+와 COOH 중 어느 작용기에서 먼저 탈양성자화 반응이 진행될 것인지를 생각

- 이를 위해서 pKa를 비교해야 하며, COOH의 값이 NH3+ 보다 작기에 더 산성을 보임 -> 먼저 탈양성자화 반응을 진행할 수 있음 (COOH의 pKa = 2.34)

ⅲ) 어느 정도 pH가 더 증가하면 중성 상황에서 추가적으로 탈양성자화 반응이 진행됨

- 이때는 남아있던 작용기 NH3+에서 탈양성자화 반응이 진행 (NH3+의 pKa = 9.69)

ⅳ) 적정 곡선의 그래프: 2양성자산에서의 적정곡선과 마찬가지로 해석하면 됨

- 1차 적정 구간: COOH에 의해 적정이 진행됨 (완충효과 O)

- 1차 중화반응 완료 지점 pI = (pKa1+ pKa2)/2

- 2차 적정 구간: NH3+에 의해서 적정이 진행됨 (완충효과 O)

③ 아미노산의 산-염기 반응 (다양성자산-like, 히스티딘)

- 히스티딘과 같이 곁사슬에 적정이 가능한 작용기가 포함이 되어 있는 아미노산은 다양성자산으로 생각해서 해석할 수 있음 (히스티딘의 경우 이미다졸 곁사슬에서 적정 가능한 N이 있음)

  e.g. 시스테인(Cys), 타이로신(Tyr) + 작용기가 산성/염기성인 아미노산

- 위의 상황과 비슷하게 염기를 가하여 pH를 증가시켰다고 하자

ⅰ) pH가 매우 낮은 상황에서의 아미노산에 대해 think

- NH3+, COOH 그리고 R-NH+에서 H가 나올 수 있으므로, 아미노산을 3양성자산으로 간주

ⅱ) - NH3+, COOH 그리고 NH+ 중 어느 것이 먼저 양성자화 될 것인지에 대해 판단해야 함

- 가장 처음으로는 pKa가 제일 낮은 COOH에서 탈양성자화가 진행

ⅲ) 어느 정도 OH-의 농도가 더 높아지면 2번째 탈양성자화 진행: NH3+ vs R-NH+

- Asp, Glu, His, Cys의 경우는 R-NH+가 먼저

- Tyr, Lys, Arg의 경우는 NH3+가 먼저  

ⅳ) 최종적으로 3번째 탈양성자화 진행

- 2번째 탈양성자화 진행 후 남아있는 작용기 혹은 곁사슬기에서 진행

  - Asp, Glu, His, Cys의 경우는 NH3+가 마지막으로 탈양성자화

  - Tyr, Lys, Arg의 경우는 R-NH+가 마지막으로 탈양성자화

④ 히스타딘의 적정 곡선 형태

- 3양성자산이 갖고 있는 적정 곡선의 형태를 그래도 따르기에 해석 방법도 동일함

- n차 당량점에 도달하기 위해 거치는 구간들은 완충 작용이 보여질 수 있음

⑤ 펩타이드 결합 내에서의 아미노산의 적정

- 아미노산이 펩타이드 및 단백질 내에 삽입이 되어있다고 하더라도 적정은 가능함

- 다만, 화학적 변화가 진행되었기 때문에 같은 종류의 아미노산이더라도 고유한 상태의 pKa와 subunit으로 기능할 때의 pKa는 다를 수 있음 (때로는 매우 다름)

- 아미노산, 펩타이드, 그리고 단백질 내의 pKa 값이 서로 다르다는 사실은 동일한 pH 내에서도 서로 다른 전하를 가질 수 있음을 의미함

  -> pH 내에서 net charge가 차이가 날 수 있음

  -> 이 특성은 단백질 정제 방법 중 하나인 전기영동(electrophoresis)에 잘 사용됨

3) 아미노산의 등전점 pI (isoelectric point)

① 등전점

- 분자의 알짜 전하가 0인 상태에서 보이는 지점

- 해당 지점에서는 수용액에 전압을 가하더라도 아미노산이 이동하지 않음

② 등전 pH (isoelectric pH)

ⅰ) 대부분의 아미노산 (2양성자산-like)

pI = (pKa1+ pKa2)/2

ⅱ) 몇몇 아미노산 (3양성자산-like)

pI = (pKa2+ pKa3)/2

- 위의 경우와 달리 약간의 추가적인 논의가 필요함 (올바른 pKa 선정 필요)

- 사용해야 하는 pKa 값은 등전 상태에 도달지점을 기준으로 전/후 단계의 pKa를 선정해야 함

4. 펩타이드 결합 (Peptide Bond)

1) 형성 원리 및 구조

- 펩타이드 결합: 한 alpha carbon의 카복실기 + 다른 alpha carbon의 아미노기 -> 이 과정에서 물을 방출하고, 이 특성을 따라 해당 펩타이드 결합을 탈수축합 반응이라고 부름

- 펩타이드 결합이 연속적으로 형성되더라도, 그 결합의 수가 유한하다면 복합체의 첫 부분과 마지막 부분은 결합에 관여하지 않은 카복실기와 아미노기가 각각 하나씩 존재함

  - > 이처럼 남아있는 작용기를 잔기(residue)라고 함

2) 폴리펩타이드 사슬(polypeptide chain)

- 펩타이드 결합이 여러 번 생성되어 생기는 화합물

- 때로는 아마이드 (amide)라고 부름

3) 펩타이드 결합의 화학적 특성: 공명구조 (resonance structure)

- 펩타이드 결합 주변의 카르보닐기와 산소에 의한 공명안정화 때문에 이중결합의 성질을 가지며 안정

- 펩타이드 결합을 기준으로 아마이드 평면 형성

5. 생리활성이 있는 작은 펩타이드 (Small Peptides with Physiological Activity)

1) 다이펩타이드 (Dipeptide)

- 아미노산 2개가 결합하여 하나의 분자 형태를 유지하는 물질

e.g. 카르노신 (Carnosine)

- 근육 조직에서 발견되는 항산화제(산화제를 환원시켜 산화 작용을 억제)

- bata 알라닌과 히스티딘 사이의 결합을 갖고 있음

e.g. 아스파탐 (aspartame)

- L 아프파틸과 L 페닐랄라닌이 결합하여 형성 (L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester)

- phenyl기를 분해하지 못하면 다른 형태로 축적이 되며, 정신지체 및 뇌질환의 원인 (페닐케톤증)

2) 트라이펩타이드 (Tripeptide)

- 아미노산 3개가 결합하여 하나의 분자 형태를 유지하는 물질

e.g. 글루타치온 (Glutathione)

- 항산화제

- gamma 글루타민 + L 시스테인 + 글라이신 (gamma-glutamyl-L-cycteinylglycine)

- 시스테인이 이황화결합을 형성하면서 (thiol기를 제거하면서) 산화가 됨

3) 펜타펩타이드 (Pentapeptide)

e.g. 엔케팔린 (enkephalin)

- Leucine enkephalin: Tyr(T) - Gly(G) - Gly(G) - Phe(F) - Leu(L)

- Methionine enkephalin: Tyr(T) - Gly(G) - Gly(G) - Phe(F) - Met(M)

4) 고리형펩타이드 (cyclicepptide)

① 1.6-이황화결합(S-S bond)에 의해서 고리형이 유지됨

- 9개의 아미노산으로 구성됨

e.g. 옥시토신 (Oxytocin): 3Ile(아이소류신) 8Leu(류신)

- 임산부의 출산을 유도하며, 자궁 근육의 수축 조절

- 모유를 생성

 e.g. 바소프레신 (Vasopressin): 3Phe(페닐알라닌) 8Arg(아르지닌)

- 혈압을 조절

② 분자 내부의 결합으로 형성

e.g. 항생제

- Ornithine (Orn)

- Gramicidin S

- Tyrocidine A

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

1. 기본 주제 (Basic Themes)

1) 생화학과 생명

- 생명체는 동일한 유형의 생체 분자를 사용하며, 이들은 에너지를 사용함

  -> 생체분자를 원자 단위로 분리하면 C, H, O, N, S, P 등으로 구성이 되어 있음

- 생화학은 생명+화학이기에 다양한 분야의 지식이 사용

  - 결국에는 화학적 구조, 성질 및 이들의 물질대사에 대해 주목함

  - 복잡함을 설명하기 위해서 방대한 양의 용어가 필요하므로, 이들을 새롭게 배우는 데 주목함

2) 지구상의 생명의 기원

- 단순한 구조인 원자부터, 이들의 조합인 분자, 거대분자, 소기관, 세포 등으로 복잡한 정도를 증가

원자(atom) > 분자(molecule) > 거대분자(macromolecule) > 소기관(organelle) > 세포(cell)

> 조직(tissue) > 기관(organ) > 생체 시스템 (body system of organism)

cf) 바이오 칩(bio-chip)의 발달 단계도 인체의 구조가 구성되는 단계를 따르고 있음

- bottom-up development

- 동물에게 효능을 검사하는 전임상 단계와 실제 사람 사이에서 효능을 체크하는 임상 단계 사이에서 주로 활용됨

2. 생화학의 화학적 본질 (chemical foundations of biochemistry)

1) 들어가며

- 생명체의 세포기관은 탄소화합물로 구성되어 있기에, 해당 물질을 공부하는 유기화학이 많이 사용됨

-  생명력(Vital Force) vs 유기화학(organic chemistry)

- 생명력은 생물 내에만 존재하는 힘으로 여겨져, 생명체 내의 화합물은 합성될 수 없다고 주장

- Friedrich Wohler(프리드리히 뷜러)가 사이안산 암모늄염(ammonium cyanate, 무생물)에서 세포 내 발생 물질인 요소(urea)를 합성하는 데 성공

- 이는 무기물으로부터 orientation 등 환경을 잘 조성한다면 생체 내 분자를 합성할 수 있음을 의미

2) 세포 내의 분자

- 세포 내의 분자는 아미노산, 탄수화물, 뉴클레오타이드, 지질, 암모니아가 있음

① 아미노산 (amino acid)

- 한 탄소에 아미노기와 카복실기, 수소, 작용기 R이 연결됨

  - 생리적 조건에서 두 작용기는 모두 이온화된 형태로 존재

  - R기의 종류에 따라 아미노산의 종류를 구분할 수 있음

② 탄수화물 (carbohydrate)

- C, H, O로 구성: (CH2O)n으로 표현 (n > 2)

- 단당류(포도당, 과당, 갈락토오스), 이당류 (엿당, 설탕, 젖당), 다당류(녹말, 글리코젠, 셀룰로오스)

- 사슬구조로 많이 표현하나, 용액 내에서는 고리 구조로 존재

③ 뉴클레오타이드(nucleotide)

- 5탄당, 염기(질소 포함 고리), 인산으로 구성

- 유전물질 (DNA, RNA)의 기본단위

- ATP 형성 (염기 아데닌 + 라이보오스 + 3개의 인산)

④ 지질 (lipid)

- 물에 잘 녹지 않으며 종류가 다양함 (∵긴 탄화수소 사슬로 구성)

3) 작용기(functional group)

- 생체 내 분자들의 반응은 그 분자들의 작용기 반응에 근거한 것

- 일단, 각 작용기가 할 수 있는 반응들을 공부하기 보다는 작용기의 구조와 명명에 대해서 우선적으로 공부하기 (암기)

- 대부분의 작용기는 O, N을 포함하며, 전기음성도가 큰 원소임을 확인 가능

  -> 이로 인해 작용기들은 극성을 보이며, 이 현상이 반응성에 관여

- 인산의 탄소-함유 유도체: 인산의 에스터와 무수물은 생화학에서 매우 중요

① 인산 + 수산화기(-OH) -> 인산 에스터 (P-O-R) 형성 (탈수 축합 반응)

② 인산 + 인산 -> 인산 무수물 (P-O-P) 형성

③ ATP = 염기 아데노신 + 5탄당 + 3인산

- 5탄상과 제 1인산 사이는 인산 에스터 형태로

3. 생물학의 시작

1) 지구와 그 나이

- 우주의 기원: 빅뱅(big bang)으로 보고 있음

- 초기의 우주는 한정된 공간 안에서 밀집

- 대폭발이 발생했으며, 온도가 150억K에 도달

- 온도의 하강으로 별, 행성 등이 형성

- 우주의 조성이 단순: H2, He, Li

- 나머지 원소들은 아래의 방법으로 형성되었다고 알려짐

- 별에서 일어나는 열핵반응

- 별의 폭발

- 별 외부의 우주선의 작용

-> C, H, O, N, S, P는 1세대 별의 핵반응에 의해 형성된 원소이며, 매우 안정된 핵을 갖고 있음

2) 지구 대기의 조성 변화

① 원시지구

- O2가 거의 없었음

- O3가 거의 없어서 자외선에 지속적으로 노출되었으며, 간단한 생체 분자가 형성

- NH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2, H2O 등으로 구성

- 이로부터 생체분자가 형성됨

- 특히 CO2에서 유래한 탄산염은 탄소의 유래

- 대기 중 N2는 핵산과 단백질 형성에 필요한 질소원

② 현대지구

- N2 O2 H2 H2O 등으로 구성

3) 생체분자

- 원시지구의 조건 하에서 원시대기의 물질(무생물적)들로 생물학적으로 중요한 물질들을 생성 가능성

① 밀러-유리(Miller-Urey) 실험

- 폐쇄된 시스템에 H2O, H2, CH4, NH3 포함 (원시대기 조성)

- 해당 시스템에 전기 방전을 가함 (태양계의 에너지가 대기의 상쇄 없이 들어올 수 있음을 모델링)

- 10가지 이상의 아미노산, 포름알데하이더(HCHO), 사이안화수소(HCN)이 생성 (간단한 유기분자)

- 초기 바다에서 진행

- 초기 지구의 흙 입자 표면에서 진행

② 유전 분자의 창발: 단백질 보다는 RNA부터 시작

- 특정 경로를 통해 간단한 분자에서 뉴클레오타이드 합성 가능성 입증

- 당 + 염기(C or U) -> 2-아미노옥사졸 (휘발성이 높아, 증발 후 응축 시 순수 물질 저장 공간 형성)

- 인산 + 2-아미노옥사졸 -> 뉴클레오타이드

- 현재의 RNA 구성 뉴클레오타이드는 아님 (자외선에 의한 붕괴 후 현재의 뉴클레오타이드 형태)

③ 생물을 구성하는 거대분자의 형성

- 거대분자(중합체, polymer) = 단량체(monomer)의 연결체

                                            ex) 아미노산, 뉴클레오타이드, 단당류 (탄소의 혼성화로 인한 4가 원소)

- 단량체가 머리/꼬리를 갖고 있어서 방향성이 있음 ex) DNA에서 제 5탄소 시작 -> 제 3탄소 종결

ⅰ) 단백질 (protein)

- 원시지구 조건 하에서 진행된 아미노산 중합 실험 (무생물적 중합반응)이 비교적 잘 발생

- 탈수 중합 반응

- 아미노산의 서열이 단백질의 종류 결정

- 단백질은 효소로 많이 사용되어 촉매 활성을 나타냄

ⅱ) 핵산 (nucleotide)

- 뉴클레오타이드의 서열을 통해서 유전 정보를 암호화함

- 핵산의 서열이 단백질을 구성하는 아미노산의 서열 결정

ⅲ) 다댱류

- 단량체의 중합 순서가 특별히 중요하지는 않음 + 유전적 정보 X

4. 가장 큰 생물학적 차이점 - 원핵생물과 진핵생물

1) 원핵생물과 진핵생물의 차이점

① 원핵생물(prokaryote)

- 핵 이전의 생물: 핵 등을 갖고 있지 않음

e.g. 박테리아, 사이아노박테리아(남조류)

- 단세포 생물

② 진핵생물(eukaryote)

- 핵을 갖고 있는 생물

e.g. 효모, 짚신벌레

- 단세포 or 다세포

③ 차이점

- 원핵세포는 막성 소기관을 갖고 있지 않음: 염색체/중심립/인(핵 내부)/리보솜을 갖고 있음

- 원핵세포는 핵이 없으며 염색체가 세포질에 풀어진 형태로 존재

2) 원핵세포 (prokaryote)

① 유전 물질

- 원핵 세포에서는 DNA가 closed-circle 형태로 존재함 (플라스미드, plasmid)

- 플라스미드가 세포막에 부착되어 있음

  - 세포 분열 시: 1st DNA 복제 -> 2nd 원형질막에 부착 -> 3rd 원형질막이 분리되면서 DNA 분리

② 리보솜 (ribosome)

- RNA + 단백질로 구성: 리보핵단백질 입자(ribonucleoprotein particle)

- 생명체에서 단백질을 합성하는 장소

③ 세포막 (cell membrane)

- 인지질 + 단백질로 구성

- 세포의 외부 세계와 내부를 구분 및 세포 소기관을 보호

④ 세포벽 (cell wall)

- ‘박테리아’의 경우 다당류로 구성된 세포벽을 세포막 밖에 갖고 있음’

3) 진핵세포(eukaryote)

① 핵 (nucleus)

- 이중막구조 (핵막)

- 핵인(nucleolus): rRNA가 풍부함

- 유전물질 DNA를 주형으로 RNA가 만들어지며, 이는 핵공을 통해 나가서 리보솜으로 전달됨

- 염색질(chromatin): DNA + 단백질 -> 염색체(chromosome): 현미경으로 관찰 가능

② 미토콘드리아 (mitochondrion)

- 이중막구조: 외막 + 내막(크리스티, cristae)

- 매트릭스(matrix): 내막 안쪽의 공간으로, 여기서 물질대사가 진행

- 고유한 DNA와 리보솜이 있어서 자체적으로 복제가 가능함

③ 소포체 (ER)

- 단일막구조이며, 세포막, 핵막에 붙어있

- 조면소포체(거친 면 소포체, rER): 소포체 + 리보솜

- 활면소포체(매끈 면 소포체, sER): 소포체 only

④ 엽록체 (chloroplast)

- 이중막구조

- 그라나(grana)에서 광합성을 하는 소기관이며, 녹색식물 및 조류에서 관찰

- 고유한 DNA와 리보솜이 있어서 자체적으로 복제가 가능함

⑤ 골지체 (Golgi apparatus)

- 단일막구조

- 활면소포체 근처에서 주로 발견되며, (단백질)분비를 담당함

- 당과 단백질이 결합하는 장소이기도 함

[-some: 효소 포함 series]

⑥ 리소좀 (lysosome)

- 단일막구조

- 가수분해 효소를 갖고 있어 지질, 단백질, 핵산을 분해할 수 있음 -> 가수분해를 통해서 영양분 가공

⑦ 퍼옥시솜 (peroxisome)

- 단일막구조

- 과산화수소의 분해에 관여하는 효소, 카탈레이스(catalase)를 갖고 있음

⑧ 글라이옥시솜 (glyoxysome)

- 식물세포에서만 발견

- 지질 -> 글라이옥실산 -> 탄수화물 경로 촉진 효소 존재

⑨ 사이토솔 (cytosol)

- 세포질을 말하며 세포 소기관들이 존재하는 장소

- 약간의 내부 구조물이 발견되기도 함

⑩ 세포골격 (cytoskeleton)

- 미세기둥형 격자로, 모든 소기관들에 연결

⑪ 세포막

- 단일막구조, 인지질 + 단백질로 구성

- 세포와 외부 환경을 구분

- 물질 전달을 조절

⑫ 세포벽 (cell wall)

- 식물세포에만 존재

- 셀룰로오스가 주 성분

⑬ 액포 (vacuole)

- 단일막구조

- 식물세포에서 매우 발달됨

- 세포가 노화됨에 따라 수와 크기가 증가

- 노폐물을 세포 내부에 저장하여 삼투압을 조정

5. 원핵생물과 진핵생물을 분류하는 방법

1) 오늘날 과학자들이 생명체를 분류하는 방법

① 5계 분류 시스템 (five kingdoms)

- 원핵생물/진핵생물/동물/식물/동물 및 식물 X 진핵생물로 분류

ⅰ) 원핵생물계(Monera)

- 원핵생물(prokaryotic organisms)로만 구성

e.g. 박테리아(bacteria)/녹조류(cyanobacteria)

  cf) 녹조류: 광합성이 가능하지만, 독성도 있기에 4대강 사업에서 주요 연구대상으로 여겨짐

ⅱ) 원생생물계(Protista)

- 단세포 진핵생물로 구성

e.g. 연두벌레(Euglena)/볼복스(Volvox)/아메바(Ameoba)/짚신벌레(Paramecium)

cf) 일부 원생생물은 다세포 (조류 등)

cf) Volvox와 보톡스는 개념이 다름: 보톡스는 특정 박테리아의 분비물 중 근육 성분을 마비하는 물질을 의미

나머지는 다세포 진핵생물에 대해서 분류한 것

원핵생물에서 진핵생물로의 발달을 진화에서 주요한 변화로 여김

ⅲ) 균계(Fungi)

e.g. 효모/곰팡이/버섯 등

ⅳ) 동물계(Animal)

ⅴ) 식물계(Plants)

② 3영역 분류 시스템 (Three Domains)

- 생물이 다른 형태로 분기되는 시점에서 보는 관점: 각 종의 rRNA 염기 서열 이용

- 2개의 원핵생물 영역(박테리아/아키아)과 1개의 진핵생물 영역(모든 진핵생물)로 분류

ⅰ) 박테리아(Eubacteria)

- 그냥 박테리아

ⅱ) 고세균(Archaebacteria/Archaea/Extremophile)[[1]]

- 극한 환경에서 발견

- 뚜렷한 핵이 없는 생명체

ⅲ) 진핵생물(Eukarya/Eukaryotes)

2) 진핵생물의 기원 (Common Ground for All Cells)

- 진핵생물의 기원을 설명하기 위해서는 ‘공생(Symbiosis)’에 대해서 살펴볼 필요가 있음

① 상리공생(Mutualism)

- 두 종 모두 도움을 받는 관계

e.g. 지의류(lichem)

- 균류: 조류를 보호하며 물을 공급

- 조류: 광합성을 통해 두 생명체에 영양분 공급

e.g. 뿌리혹 시스템(root-nodule system)

- 질소 고정 박테리아(혐기성): 질소화합물을 합성해서 식물에 공급

- 식물의 뿌리: 산소를 소비하여 산소 환경에 불리한 박테리아 생존을 도움

e.g. 사람과 박테리아 (E. coli)

- 사람: 대장균에 영양분을 공급하고 주변 환경으로부터 보호

- 대장균: 소화과정에 도움을 줌 + 사람이 합성할 수 없는 특정 단백질 공급

② 기생(Parasitic symbiosis)

- 한 종은 이득을 보지만 나머지 한 종은 손해를 보는 관계

③ 내공생(Endosymbiosis)

- 작은 생명체가 자신보다 훨씬 큰 생명체의 내부에 완전히 포함되어 있는 공생관계

  - 유전적 공생: 크기가 더 큰 숙주세포가 더 작은 생명체를 유전적으로 결정된 개수만큼 포함

e.g. 사이아노박테리아(Cyanobacteria) -> 엽록체(chloroplasts)

- 사이아노박테리아: 호기성 원핵생물 -> 광합성을 통해 영양분 제공

- 진핵세포(숙주세포): 박테리아를 보호 및 광합성 환경 제공

- 점차 사이아노박테리아가 퇴화하며 독립적 기능을 상실했으며, 세포내 소기관으로 전환

e.g. 미토콘드리아(mitochondria)

- 호기성 박테리아: 산소를 공급받아 영양물을 생성하며, 숙주세포가 더 많은 에너지를 사용하도록

- 혐기성 숙주세포: 박테리아에 생존 환경 제공

- 점차 둘 사이의 경계가 무너져 진화된 형태의 독립 개체로 전환

- 엽록체 모델과 미토콘드리아 모델의 공통점

- 미토콘드리아와 엽록체가 고유한 DNA를 갖고 있어 개별적으로 RNA와 단백질을 합성할 수 있음

- 큰 숙주세포는 작은 생물에게 서식지와 영양분을 제공함

- 작은 생물들은 에너지(영양분)를 제공해서 큰 숙주세포의 효율적인 물질대사를 도움

- 큰 숙주세포에 여러 개의 작은 생물들이 들어가서 형성된 모델

6. 생화학 에너지론 (Biological Energetics)

1) 생명현상을 유지하는 과정에서의 에너지원

- 이산화탄소와 물을 탄소화합물로 전환하는 데에는 많은 (태양)에너지가 필요함

  e.g. 광합성: 빛에너지를 이용해서 위의 과정을 진행: 환원(reduction)

- 생명체들은 탄소화합물을 소비해서 자신의 에너지원으로 이용 (ATP 활용 등)

  e.g. 호흡: 세포 내 미토콘드리아에서 탄소/질소화합물을 연소하여 에너지원 획득: 산화(oxidation)

cf) 이산화탄소는 기후변화의 주요 물질이기에 국가단위의 연구가 많이 진행

cf) 사람에게 탄소화합물은 중요한 물질이기에 이에 대한 연구 또한 많이 진행중

2) 열역학 법칙

- 열역학(thermodynamics)는 반응이 잘 진행될 수 있는지를 따지는 학문

  e.g. 화학결합의 형성/파괴, 분자사이의 상호작용 발생/방해 등

- 열역학에서의 에너지 변화 ∆H는 에너지의 initial state와 final state를 기준으로만 표현됨 (상태함수)

-> 이를 기반으로 반응의 자발성(spontaneousness)를 판단함: G = H - TS

- 흡열 반응과 발열 반응

  - ∆H > 0: 흡열반응(endothermic reaction) -> 반응이 일어날 확률 비교적 작음

  - ∆H < 0: 발열반응(exothermic reaction) -> 반응이 일어날 확률 비교적 높음

  ex) ATP -> ADP + P: ∆H = -30.5kJ/mol < 0

- 생물학적 시스템에서의 에너지 변환 예시

(1) 전기가오리(electric ray): 화학에너지 -> 전기에너지

(2) 파이로디늄(pyrodinium, 생물발광 박테리아): 화학에너지 -> 빛에너지

3) 에너지변화

- 생체 분자의 생성과 분해에는 화학에너지의 변환이 개입되어 있음

e.g. 기존 공유결합의 분해와 새 결합이 형성되는 화학반응

e.g. 단백질 folding에 의해 특정 3차 구조가 형성될 때 관여하는 수소결합/소수성 상호작용 형성

4) 생화학 반응에서의 자발성 판단 (Spontaneity in Biochemical Reaction)

① 자발적 반응 (spontaneous reaction)

- 에너지 관점에서 우호적인 반응을 뜻함 (energetically favorable)

- 반응속도가 빠른 것을 뜻하지는 않음

② 이를 예측하는 기준: 자유에너지(free energy, G)

- 일정한 온도와 압력 조건 하에서 생화학 반응이 진행되었다고 예측

- 절대적인 수치를 구할 수 없으며 ‘변화량’을 측정함

③ 자유에너지 변화의 부호와 자발성

  - ∆G < 0: 에너지 방출성 (exergonic), 자발적  -> 에너지가 방출됨

  - ∆G > 0: 에너지 흡수성 (endogonic), 비자발적 -> 에너지를 가해야 함

  - ∆G = 0: 평형상태 (equilibrium)

  e.g. 자발적 반응 - 호흡: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O, ∆G < 0

  e.g. 비자발적 반응 - ATP 합성 반응: ADP + PO4H2- -> ATP + H2O, ∆G > 0

 5) 생명과 열역학

- 생명체의 존재는 열역학 제 2법칙을 위배한다??

- 위의 질문에 답하기 위해서는 앞에서 말한 G = H - TS의 식을 구체적으로 설명할 필요가 있음

∆G =∆H - T∆S

① 깁스에너지와 열역학 제 1법칙

- 열역학 제 1법칙: 반응계에서 에너지는 보존됨

  - 에너지 전환 시 100% 이상의 효율은 안 나옴

- ∆H에 주목하여 설명

② 깁스에너지와 열역학 제 2법칙

- 열역학 제 2법칙: 엔트로피의 총량은 항상 증가하는 방향으로 반응이 진행됨

- 열역학 제 1법칙에서 설명하지 못한 반응의 방향성을 설명해줌

- 가역 반응의 엔트로피는 일정하나 실생활에서는 가역반응이 없기에 엔트로피의 총량은 증가

  - 그렇기에 에너지 전환의 효율은 100%가 절대 될 수 없음을 뜻함 (클라지우스 부등식)

- ∆S에 주목하여 설명

③ Remind: 생명체의 존재는 열역학 제 2법칙을 위배하는가?

- universe의 자연스러운 변화 방향은 엔트로피가 더 증가한 상태 (에너지 분산 정도가 증가한 상태)

- 생명체는 이 질서를 거스르며 질서를 유지하는데 많은 에너지를 사용 (에너지의 낭비 발생)

  e.g. 세포들은 구조를 유지하기 위해서 많은 에너지를 사용

- 생명체는 하나의 system에 불과하기에 각 개체에서의 엔트로피 감소가 발생하더라도 surrounding의 엔트로피가 충분히 증가한다면 생명체 존재가 부정당하는 것은 아님

e.g. 단백질 접힙의 에너지론 설명

cf) 통계학적 관점에서 바라본 엔트로피 S

- 엔트로피에 대한 볼츠만 방정식: S = klnW

- 분자들이 잘 분산이 되어 있어야 엔트로피가 더 크다는 것을 알 수 있음

- 즉, system에서의 에너지 분산 정도를 엔트로피로 설명할 수 있음

[[1]] 고세균은 메탄생성미생물(Methanogen), 호염균(halophile), 그리고 호열호산성 미생물(thermoacidophile)로 분류된다.

[[1]] 메탄생성미생물: 절대혐기성 미생물/이산화탄소 + 수소 -> 메테인

[[1]] 호염균: 생장시 높은 농도의 염 필요 (사해 등에서 발견)

[[1]] 호열호산성 미생물: 초기지구 조건과 비슷한 고온과 산성 조건에서 생장 (80℃~90℃ & pH 2)

    고세균의 효소는 진정세균과 진핵생물의 효소와 달리 안정한 성질을 보인다. 이는 공학 조건에서 많이 활용된다.

                                                                                                                                            (Taq 중합효소 -> PCR 기술)

Ⅰ. Title

유기합성 (Grignard Reaction)

Ⅱ. Purpose

1. Grignard 시약을 제조하고, 이를 Ketone과 반응시켜 Alcohol을 합성한다.

2. 생성된 물질을 적외선 분광법 (Infrared Spectroscopy)을 통해 잘 이루어졌는지 확인한다.

Ⅲ. Theory

1. 친핵체와 친전자체의 분류

1) 유기반응과 전자의 이동

유기 반응은 여러 반응물의 결합 사이의 전자 이동을 바탕으로 진행된다. sigma bond는 원자핵사이에 있기에 편재성이 강해 이동하지 못하기에, 유기 반응에서는 특히 pi bond에 있는 전자의 이동에 의해 진행된다. 전자는 홀로 공여될 수 없기에, 반응물들 사이에서 어떠한 물질이 전자를 주고, 어떠한 물질이 전자를 받는지를 아는 것이 중요하다.

2) 친핵체와 친전자체

① 친핵체(nucleophile, Nu)

화학결합을 형성할 때 전자쌍을 주는 물질들을 친핵체로 분류한다. 대표적으로 pi 결합을 형성하는 물질 또는 비공유전자쌍을 갖고 있는 물질들을 말한다. 이러한 특성 때문에 친핵체는 루이스 염기에 해당한다.

② 친전자체(electrophile)

친핵체와 반대로 화학결합 형성 시 전자쌍을 받는 물질을 친전자체라고 한다. 붕소처럼 축소된 옥텟을 갖고 있거나 상대적으로 양전하를 띠고 있는 물질들을 예로 든다. 전자를 받는 물질이기에 친전자체는 루이스 산을 말한다.

친핵체와 친전자체는 절대적이지 않으며, 각 반응 조건에서 반응물의 acidity 등을 고려하여 판단해야 한다.

2. 친핵성 첨가반응과 친전자성 첨가반응

유기 반응은 크게 첨가, 치환, 제거반응이 있다. 그 중에서 친핵체와 친전자체를 중요하게 언급하는 반응은 첨가반응(Addition Reaction)이기에, 이를 간단히 살펴보자. 첨가반응은 Markovnikov 규칙을 따르도록 진행되거나, 때에 따라서는 이에 반하는 반응 메커니즘을 갖는다. 그 중에서도 이번 실험에서 직접적으로 사용되는 친핵성 첨가반응에 대해 설명하겠다. 탄소 C에 전기음성도가 큰 O와 N이 연결되면 상대적으로 탄소가 (+) 전하를 띨 수 있다. 유기 반응 시 이 탄소는 친핵체로부터 공격을 받아 sigma bond를 형성할 수 있다. 이 반응을 친핵성 첨가반응이라고 한다. 친핵성 첨가반응은 C=O, C=N과 같은 결합을 갖고 있는 물질에서 잘 관찰되며 그 예로는 알데하이드와 케톤이 있다.

3. Grignard reagent의 제법과 Grignard Reaction

1) Girgnard reagent

다중결합이 포함되어 있는 탄소에 대해서 새로운 탄소를 결합하는 것은 크게 어렵지 않다. 반면 탄소 사이에 sigma 결합만 존재한다면, 새로운 탄소를 결합하는 데에는 어려움이 존재한다. 이는 유기급속 화합물을 이용해서 해결할 수 있다. 유기 금속 화합물은 Organolithium(R-Li), Grignard Reagent(R-MgBr), 그리고 Gilman Reagent(R-Cu + R-Li)가 있다. 그 중에서도 Grignard Reagent는 좋은 친핵성을 보이기에 많이 사용된다. Grignard Reagent는 알킬 할라이드를 이용해서 합성할 수 있다. (여기서 말하는 할라이드는 F를 제외한 17족 원소 Cl, Br, I를 말한다.) Grignard Reagent는 강한 염기성을 보이며(강한 친핵체) 그렇기에 산-염기 반응이 쉽게 진행된다.

2) Grignard Reaction

① reaction에서 사용하는 용매

Grignard Reagent가 system에 포함된, 즉 Grignard Reagent를 합성하거나, Grignard Reagent를 이용해서 친핵성 반응을 진행하거나 모두 용매를 물로 사용하면 안된다. 산-염기 반응에 의해서 원하지 않던 물질이 생성되기 때문이다. 대표적으로 사용하는 용매는 ether이며, diethyl ether와 THF 등이 있다. 뿐만 아니라 ether는 Grignard Reagent를 안정하게 만들 수 있기에 사용된다. ether 가운데에 있는 산소의 비공유전자쌍이 마그네슘과 결합해서 배위화합물을 형성할 수 있기 때문이다.

② Grignard Reaction

Grignard reaction은 염기성 상황에서 진행되는 대표적인 친핵성 첨가반응 중 하나다. 친핵체는 Grignard Reagent에 연결되어 있는 알킬기인 탄소음이(Carbanion)이며, 상대적으로 (+) 전하를 띠는 카르보닐기에 연결된 탄소 C를 공격한다. 반응 도중 알콕시화 마그네슘 중간체가 형성된다.

Ether 용매 조건 하에서 알데하이드랑 반응하면 2차 알코올을 형성할 수 있으며 ketone과 반응을 하면 3차 알코올을 형성할 수 있다.

4. IR Spectroscopy

1) 분자의 에너지와 IR Spectroscopy의 개념

분자의 에너지는 양자화되어 있으며, 전자에너지 준위, 진동에너지 준위, 회전에너지 준위의 합으로 구성된다. 전자에너지 준위가 가장 크며, 회전에너지 준위가 가장 낮다. IR Spectroscopy(이하 IR)는 적외선을 광원으로 삼아 미지 시료의 정보를 추론하는 분광 분석법이다. 적외선 영역의 빛의 에너지는 크기 않기에 분자 결합의 진동에너지에만 영향을 줄 수 있다. 즉 IR을 통해서 분자 결합의 에너지 측정을 목표로 하고, 분자 결합의 종류는 peak가 나타나는 에너지의 범위를 통해 추론한다.

2) 측정원리 및 해석방법

IR에서 적외선의 경로는 광원 -> 간섭계 -> 시료 -> 검출기를 따른다. 이때 첫 측정은 Background로만 진행으로 하며, 두 번째에는 미지 시료와 Background(KBr 등)의 혼합물을 시료로 삼아 분석을 한다. 두 실험 결과에 나타난 파장에 대해 Sample / Background의 비율을 IR의 실험 결과로 얻으며, 여기서 나타나는 peak가 속한 에너지 범위와 reference를 비교하여 시료가 갖고 있는 결합을 추론한다. 이를 통해 IR은 분석의 범위가 한정적이기 때문에 정보를 어느 정도 알고 있는 시료에 대해 분석하는 것이 유리한 것을 알 수 있다. 예를 들어 정제 과정 후 목표한 물질을 잘 분리했는지, 순물질에 대해 어느 정도 물질이 벗어났는지를 확인하는 데 유리하다. 이번 실험을 통해 얻은 물질은 Triphenyl Methanol이며, 해당 물질의 분자구조와 IR 스펙트럼은 아래와 같다.

Ⅳ. Chemicals & Apparatus

1. Chemicals

2. Apparatus

syringe(주사기), septa, vial(공병), reflux condenser, N2 balloon, dropping funnel(분액 깔때기), beaker, torch, FT-IR, 3-neck round bottom flask(3-neck RB), stirring bar, rotary evaporator, aspirator

Ⅴ. Procedure

1. Grignard reagent (Phenylmagnesium Bromide) 제조

1) 3-neck RB에 마그네슘 200mg과 stirring bar를 넣은 뒤, septa로 밀봉하여 reflux condenser에 clip을 사용하여 연결한다.

2) torch로 flame drying을 진행하고 잠시 상온에서 식힌다.

3) syringe로 anhydrous diethyl ether 3mL를 넣고 10분 이상 stirring한다. (에테르를 뽐을 시 질소 purging법을 따라 진행한다.)

4) 이어서 syringe를 이용하여 dried bromobenzene 0.9mL와 anhydrous diethyl ether 3mL를 순서대로 천천히 3-neck RB에 넣어준다.

5) 미지근한 물을 비커에 담아 RB에 열을 전달한다.

6) 발열반응이 진행되며 자연적으로 ehter가 reflux가 된다. (약 1시간 정도 소요)

2. Triphenyl methanol 제조

1) 1에서 만든 Grignard reagent를 식힌다.

2) Benzophenone 1.5g을 ether 3mL에 녹여서 3-neck RB에 넣어준다.

3) 찬 물로 RB를 식히고 saturated ammonium chloride solution (실험실에 비치된 것은 가루(염)형태이므로 Solubility를 확인하여 수돗물로 제조 후 사용

4) Ether(non-hydrous, solvent용)를 더 넣은 후 solid(creamy-white)가 사라질 때까지 흔들어준다.

5) Dropping funnel에 생산물을 옮겨 담고 물 층을 제거한 뒤, NaCl 용액으로 씻어준다.

6) 다시 물 층을 분리한 후 anhydrous magnesium sulfate(고체)를 넣어 drying한다.

7) 거름종이를 활용하여 drying agent를 제거하고 Rotary evaporator를 이용해 Ehter를 날린다.

8) Hexane 10mL를 넣고 재결정시킨다. (잘 되지 않으면 2-propanol을 소량 넣어준다.)

9) 재결정을 통해 얻은 수득물을 하루정도 말려준다.

3. FT-IR 분석

1) 시료와 KBr을 1:1 비율로 섞은 후, 막자사볼로 간다. (실험 결과가 잘 안 나오면 KBr의 비율을 늘린다.)

2) Disc kit에 시료를 고르게 담는다. 이때 벌어지는 공간은 종이 등으로 채워준다.

3) 가압프레스로 압축하여 투명한 디스크를 만든다.

4) FT-IR 기기를 작동시키고, 컴퓨터에서 OMNIC 프로그램을 켠다.

5) 투과모드로 Background를 먼저 찍고, 시료 홀더에 디스크를 고정시켜 IR 스펙트럼을 얻어낸다.

Ⅵ. Data & Result

1. 시약의 색 변화

유기 합성 과정에서 반응 단계에 따라서 색 변화가 나타났으며, 구체적으로는 아래와 같았다.

2. IR spectrum 관찰 결과

1) IR에서 관찰된 시료의 peak와 해당 peak에 대응하는 원자사이의 결합은 아래와 같다.

2) Reference Data와 비교해봤을 때 다른 wavenumber에 대해서는 거의 동일한 경향성을 보이지만, 1397.77과 1384.66지점은 reference에는 나타나지 않은 peak임을 알 수 있다. 그렇기에 우리가 얻은 시료는 순수한 triphenylmethanol이 아니라 다른 물질이 혼합되어 있음을 알 수 있다.

Ⅶ. Discussion

이번 실험은 Grignard Reagent를 이용해서 Triphenylmethanol을 합성하고, 이를 IR을 이용해서 잘 합성되었는지 확인하는 것을 목표로 한다. 알려져 있는 유기물을 합성하려면 반응 메커니즘 등을 고려해서 실험환경을 잘 조성하는 것이 중요하다.

1. Triphenylmethanol synthesis의 정성적 해석

위의 메커니즘을 살펴보면서 이번 실험이 어떻게 진행되었는지, 주의할 점은 무엇이었으며 이를 최대한 어떻게 해결하려 했는지를 살펴보자. 이번 실험은 크게 2가지 반응단계를 거친다. 첫 단계인 Grignard reagent synthesis 과정에 대해서 살펴보자.

위에서 제시한 반응이 잘 진행된다면 좋겠지만, 발생할 수 있는 문제점들이 존재한다. 이는 대개 만들어진 Grignard reagent가 매우 강한 base이기 때문에 높은 반응성을 보이는 것으로부터 기인한다. 첫 번째로는 산-염기 반응의 진행에 따라서 girgnard reagent가 추가적인 반응을 보일 수 있다. girnard reagent보다 상대적으로 acidic한, 대표적으로 물, phenol derivatives, -SH, -NH 등과 반응을 할 수 있다. 이번 실험의 경우에는 기기 중의 수분, 공기 중의 수분 등이 synthesis 과정에 개입을 할 수 있으며, 이 반응은 벤젠과 MgBr(OH)를 생성한다. 이를 요약해서 아래에 나타냈다.

MgBr(OH)는 ether에 대해 낮은 용해도를 보인다. 그렇기에 반응이 진행되는 Mg의 표면 근처에서 앙금의 형태로 남을 수 있다. 이는 Mg와 Bromobenzene의 접촉 빈도를 낮추어 기대하던 것보다 Grignard reagent가 덜 생성될 수 있다. 이를 예방하기 위해서 이번 실험에서 flame drying을 진행해서 기기 안에 남아있는 수분을 최대한 제거하고 anhydrous diethyl ether와 dried bromobenzene을 사용해서 반응에 수분이 개입되지 않도록 했다. 두 번째로는 girnard reagent가 생성되면, 미처 반응하지 못한 반응물 bromobenzene과 반응을 추가적으로 진행하여 byproduct인 biphenyl을 형성할 수 있으며 이 반응을 요약해서 아래에 표현하였다.

이는 준비했던 reactant가 원하는 생성물이 아닌 부산물이 생성되도록 함으로써 기대했던 양보다 grignard reagent가 더 적게 생성되도록 한다. 이 추가 반응은 system의 온도가 충분히 높거나 bromobenzene의 유입 속도가 너무 빠름 등 반응 속도가 빨라질 때 생길 수 있는 문제점이다. 이를 예방하기 위해서 bromobenzene을 dropwise하게 system에 유입하도록 해야 하고, 이를 위해서 N2 balloon을 사용했다. 문제점들을 잘 고려해서 반응을 진행했다면 반응이 진행되고 있는 혼합물 용액의 색이 변하는 것을 관찰할 수 있다. 직접 실행을 진행하지 않아 정확한 색을 구분할 수는 없었으나, 무색에서 어두운 녹색 계열로 이동한 것을 알 수 있다. 유기물의 색 변화는 mixture의 conjugation bond의 정도가 달라짐에 따라 변하며, 용액의 색이 변한 것을 통해서 물질 사이의 전환이 잘 발생했음을 확인할 수 있었다. 또한 실험을 직접 진행하지 않아 뚜렷한 관찰은 할 수 없었지만, 해당 반응이 잘 진행되었다면 system이 boiling하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Grignard reagent synthesis가 발열반응이기에 열을 방출하기 때문이며, 이 열이 용매로 전달되었기에 발생하는 현상이다. 실제로 boiling으로 지나치게 ether가 기화되는 것을 방지하기 위해서 reflux condenser를 설치했다.

두 번째 단계로, 우리가 실제 목적으로 했던 Triphenylmethanol synthesis에 대해 생각해보자. 이 반응은 girgnard reagent를 이용한 친핵성 첨가반응 과정을 거쳐 진행된다. 친핵성 첨가반응 메커니즘을 거쳐 진행되는 반응을 요약하여 아래에 표현했다.

ketone인 benzophenone에서 상대적으로 음전하를 띠는 carbon에 Grignard reagent에서 electron이 상대적으로 rich한 phenyl이 공격을 하면서 triphenylmethanolate가 형성된다. 이는 우리가 얻으려고 했던 생성물의 음이온 형태로, 목표했던 생성물을 얻으려면 여기에 추가적으로 protonation 과정이 필요하다. 이를 위해서 포화 NH4Cl 수용액을 사용한다. 이 수용액은 NH4+가 상대적으로 산성을 보이는 특성을 이용한다. NH4+ -> NH3 + H+ 반응이 발생할 수 있으며, 여기서 나온 H+으로 triphenylmethanolate를 protonation을 하면 triphenylmethanol을 얻을 수 있으며, 이를 요약하면 아래와 같다.

이 과정은 acid-base reaction이기 때문에 반응이 비교적 잘 진행된다. 한편, 포화용액을 사용하는 것은 이온 - 물 사이의 상호작용을 최대로 하여 물이 girgnard reagent 등 system에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다. 위의 반응을 거치면서 마찬가지로 용액의 색이 변하는 것을 관찰할 수 있다. 최종적으로 진행된 반응의 %수율은 100%가 아니다. 이상적으로 반응이 진행되었을 때 첫 번째 단계에서 2개의 elementary reaction을 가지며 각각의 수율은 70%이며, 두 번째 단계에서 nucleophilic reaction과 acid-base reaction의 수율도 마찬가지로 70%다. 즉, 전체 반응의 수율은 약 24%정도이다. 정량적 수치에 대한 해석은 추후에 하도록 하며, 지금은 수율이 100%가 아닌 사실에 대한 의미를 살펴보자. 수율이 100%가 아니라는 것은 해당 system에 우리가 원했던 main product인 triphenylmethanol과 반응에 참여하지 못한 반응물들이 혼합된 형태일 것이다. 최대한 정제된 물질을 얻기 위해서 main product의 손실을 감수하고 재결정을 진행했다. 현재 혼합물에서 용매로 작용하는 물질은 물과 ether이다. triphenylmethanol은 alcohol이지만 phenyl의 steric effect로 인하여 ether에서 더 잘 용해된다. (다만, 물에 의한 용해효과가 미미하지만 발생하긴 한다.) 그렇기에 물의 밀도가 더 큰 사실을 이용해서 물을 먼저 분리해낸다. 그 다음으로는 불순물을 제거하기 위해서 반응성이 낮은 이온을 포함한 NaCl 수용액을 이용해서 다시 세척을 진행하고 물을 제거한다. 마지막으로 물과 alcohol의 -OH의 상호작용 등으로 ether 속에 포함되어 있는 물을 제거하기 위해서 drying agent로 사용되는 anhydrous MgSO4를 이용하고 filtering을 통해 제거한다. (필요에 의하면 drying agent의 전, 후 질량을 측정해서 ether에 포함되어 있던 수분의 양을 측정할 수도 있다.) 마지막으로 바로 evaporator를 이용해서 crude triphenylmethanol을 얻을 수 있으며 경우에 따라 hexane을 이용해서 보다 정제된 triphenylmethanol을 얻을 수 있다. 마지막으로 얻어낸 triphenylmethanol이 실제로 맞는지를 확인하기 위해서 IR spectrum을 측정했다. reference table에 비해서 실제 spectrum이 아래로 shift된 것을 보아 상대적으로 분자사이의 결합이 강하게 나타났음을 생각해볼 수 있다. 1397.77과 1384.66지점은 reference에는 나타나지 않은 peak가 발견되었으며, reference table을 따르면 해당 지점은 phenol류로 판단이 된다. 이번 반응 메커니즘에서 phenol이 합성될 수 있는 반응은 보이지는 않으나, 우연에 의해 진행이 되었을 수도 있으며 측정이 잘못되었을 수도 있다. 이처럼 IR 분석이 갖고 있는 한계가 있기 때문에 최근에는 NMR 기법 등을 이용해서 보다 정밀한 분석을 진행할 수 있다.

3. Triphenylmethanol synthesis의 정량적 해석과 impurity

산업측면에서 stochiometric relationship은 매우 중요하다. 그 이유는 크게 2가지이다. 첫 번째로, 준비한 반응물에 대해 얻고자 하는 생성물이 어느 정도 생성되었는 지를 추측할 수 있다. 두 번째로는 필요한 생성물의 양이 있을 때 반응물이 어느정도 필요한지를 역으로 계산해낼 수 있다. 이번 실험을 예로 들면 최종 생성물인 Triphenylmethanol을 합성하기 위해서 필요한 마그네슘, bromobenzene, benzophenone, diethyl ether의 양을 추측할 수 있다. 이번 실험은 유기 합성을 ‘진행’하는 것을 목표로 하기 때문에 준비된 반응물에 대해서 이론적으로 어느 정도의 triphenylmethanol이 생성될 것인지를 살펴보자. grignard reagent synthesis와 triphenylmethanol synthesis에서 관찰되는 반응계수는 모두 1:1로 동일하기에 이를 이용해서 계산을 진행하였다.

1) Grignard reagent synthesis

reaction Ph + MgBr -> Ph-MgBr은 실제로 2단계의 반응 메커니즘을 가지며, 구체적인 정량적 해석을 위해서 살펴보자. 각 단계에서 반응한 정도는 rate of extend ξ로 표기했다.

2) Triphenylmethanol Synthesis

즉 정상적으로 합성이 진행되었다면 이번 실험을 통해 얻은 Triphenylmethanol의 질량은 0.513g이여야 한다. 실험 과정에 포함되어 있지는 않았지만 얻은 물질의 purity를 아는 것도 중요하다. IR spectrum의 경우 impurity를 측정하기에는 어려움이 있기에 대표적인 impurity 측정 방법에 대해 소개하려 한다. 가장 보편적인 방법은 시료의 질량과 이론상 생성된 질량의 비율을 구하는 것이다. 반응의 불충분 진행, 물질의 손실, 불순물 포함 등으로 인해서 질량이 다르게 측정되는 경우가 많으며, 둘의 오차율을 구하는 방법이다. 또 다른 방법으로는 TLC 크로마토그래피를 이용한 측정 방법이 있다. 크로마토그래피를 이용한 정제 방법은 이동상의 종류에 대한 물질의 이동 정도가 잘 알려져 있다. 그렇기에 이를 reference로 삼아 실제 얻은 product의 이동 정도와 비교하여 오차율을 구하면 impurity를 알 수 있다.

4. Triphenylmethanol synthesis의 개선

특정 유기 화합물의 합성 메커니즘이 발견되었다면, 이를 개선하는 것도 중요하다. ‘개선’의 범위는 매우 넓으며, 반응 속도가 빨라지는 것 등이 포함된다. 이번에 synthesis를 어떻게 하면 더 잘 진행되도록 할 수 있는지 생각해보자. 우선 Mg를 활성화하는 것을 한 예로 들 수 있다. Grignard reagent 합성 과정에서 Mg가 반응을 위해 활성화되기 위해서 오랜 시간이 필요하다. Mg를 grinding하거나 스크래치를 낸다면 접촉면이 늘어나서 반응이 더 잘 진행될 수 있다. 또한 Grignard reagent 합성 진행 전에 iodine chip을 같이 넣어 반응을 진행하면 반응이 더 잘 진행된다. 또한 반응물을 바꿈으로써 반응 정도 변화에 영향을 줄 수 있다. 이번 실험에서 사용하는 benzophenone에 포함되어 있는 phenyl기는 1,3축 상호작용으로 측정하는 A-value의 값이 3.0 정도로 꽤 큰 편이며 첨가하는 탄화수소도 Phenyl이기 때문에 합성 시 불리할 수 있다. 그렇기에 초기 반응물을 benzophenone이 아닌 methyl benzoate를 사용하는 방법이 있다. metyl의 A-value는 0.7 정도로 phenyl에 비하면 매우 작기에 gridnard reagent가 더 잘 접근할 수 있으며, 이 물질을 이용한 반응 메커니즘을 요약하면 아래와 같다.

Ⅷ. Reference

1. Tangjie Zhang, The grignard synthesis of triphenylmethanol, Organic Chemistry, 2015, 288-292

2. Timothy S. Eckert, An Improved preparation of a Grignard reagent, Journal of Chemical Education 1987 64 (2), 179, DOI: 10.1021/ed064p179

Ⅰ. Title

증기압 측정

Ⅱ. Purpose

1. 증기압과 동적 평형 상태에 대해서 이해한다.

2. 상평형 그림에 대해서 이해하고, 그 중에서도 증기압곡선에 대한 지식을 습득하여 압력과 끓는 점 사이의 관계를 이해한다.

3. 온도에 따른 증기압 변화를 나타내는 식인 Clausius-Clapeyron 식을 유도해본다.

4. 실험을 통해 그래프를 plot하여 물이 증발할 때의 엔탈피 변화를 구해본다.

Ⅲ. Theory

1. 동적평형 (dynamic equilibrium)

가열 등 특정 물질에 변화를 가할 때 거시적으로 물질에서의 변화가 관찰되지 않는 순간이 존재한다. 즉, 특별한 driving force가 존재하지 않는 이 상황을 놓고 변화를 가한 system이 ‘동적 평형’ 상태에 놓여있다고 말한다. 한편, 동적 평형 상태 system은 미시적으로는 항상 움직이고 있다. 예를 들어 phase transition이 진행되는 system이 동적 평형에 놓였을 때, boundary를 통해서 미시적으로는 항상 분자들의 transition이 발생하고 있다. 다만, 전환/역전환의 비율이 같아 변화가 없어 보인다.

2. 증기압 (vapor pressure)

증기압은 액체 및 고체가 증발할 수 있는 압력을 뜻한다. 이는 증기가 고체 또는 액체와 동적평형을 이루고 있을 때의 포화증기압의 크기를 뜻한다. 이 상황을 이용하기 위해서는 증발(evaporation)와 응축(condensation)에 대한 이해가 필요하다. 액체 및 고체의 분자사이의 인력은 기체에 비해 매우 크다. 그렇기에 상대적으로 인력이 약한 표면으로부터 증발이 발생한다. 다만, 증발된 기체상의 물질은 표면에 충분한 에너지를 갖고 충돌하면 다시 응축되어 액체 또는 고체 상태로 돌아간다. 증발하는 물질의 양이 많을수록 응축이 되는 정도도 증가하기에 특정 시점이 되면 증발 정도와 응축 정도가 일치한다. 이때 해당 system은 동적 평형을 형성하며, 이때 표면 근처에서 측정한 기체의 압력을 증기압이라고 한다. 증기압의 측정을 위해서는 증발한 물질이 system 주변에 잔류해야 한다. 이를 위해서 측정은 보통 closed system에서 진행한다.

3. 상 변화 (phase transition)

1) 상 변화의 정의

특정 상황에 놓여있는 물질의 화학적 조성 및 물리적 상태를 상(phase)라고 한다. 보통 분자 사이의 거리를 기준으로 그 거리가 가까운 순으로 고체, 액체, 기체라고 분류하지만, 특정 지점에서의 특성이 이 셋과는 구별되는 경우에는 새로운 phase로 정의하여 물질의 특성을 설명한다.

2) phase stability의 기준과 상 변화 진행 이유

물질들이 갖고 있는 에너지를 gibbs energy G로 표현할 수 있다. 이는 extensive property이기 때문에 비교를 위해서 intensive property인 molar gibbs energy Gm을 chemical potential μ로 정의한다. chemical potential의 크기가 낮을수록 해당 물질이 더 안정한 상태에 놓여있다고 한다.

물질들의 변화 가능성은 ‘해당 물질이 특정 phase에서 가장 안정한 상태에 놓여있는가’를 기준으로 파악한다. gibbs energy는 state function이기에 exact derivative를 따라 infinitesimal gibbs energy를 표현할 수 있다.

dG = Vdp - SdT

maxwell relationship을 이용하면 다음과 같은 표현을 얻을 수 있다.

∂μ∂Tp=-Sm  & ∂μ∂pT=Vm

이때 phase transition이 대개 등압조건에서 진행하는 것을 목표로 하기에 왼쪽의 식을 이용하면 phase transition이 진행되는 이유를 알 수 있다.

Sm은 모든 온도 범위에서 항상 양수이기에 μ 는 항상 음수이며, Sm(g)>Sm(l)>Sm(s) 의 크기관계를 갖는다. 이를 고려하여 μ-T  그래프를 얻을 수 있으며 그림 1로 표현했다.

특정 온도구간에서 물질들은 하나의 phase를 가지려 하며, 가장 낮은 μ 를 유지하려 한다. 이를 위해 system의 온도가 높아질수록 분자 사이의 거리를 늘려 안정한 상태를 유지하려 한다. 그렇기에 특정 온도를 기준으로 phase transition이 발생하며, 이 현상이 관찰되는 온도를 상 변화 온도(transition temperature)이라고 한다.

3) 상변화의 분류 (The Ehrenfest classification of phase transitions)

한편, chemical potential이 변화하는 경향을 기준으로 phase transition을 분류할 수 있는데, 이를 Ehrenfest classification이라고 하며, 그림 2처럼 표현한다.

이는 transition temperature에서 μ 의 변화 경향성을 기준으로 분류한다. 만약 해당 지점에서 μ 가 미분가능하게 연결되어 있다면 Second Order transition이라고 한다. 이 변화에서는 maxwell relationship을 이용했을 때 Vm과 Hm이 연속인 것을 알 수 있다. 반면, μ 가 미분 불가능하게 연속이라면 First Order transition이라고 한다. 이때에는 transition point에서 Vm과 Hm이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

4. 상평형 곡선 (phase equilibrium diagram)

Theory 3에서 살펴본 순수한 물질에 대한 phase transition을 p-T의 관계를 통해서 살펴볼 수 있으며 이를 그래프로 표현한 것을 상평형 곡선(phase equilibrium diagram)이라 했다.

특히 phase boundary는 상변환이 진행되는 지점으로 두 다른 phase가 동적평형을 이루고 있다. 그림 3의 오른쪽 상평형 곡선을 기준으로 AT를 승화곡선, BT를 융해곡선, CT를 증기압력곡선이라고 하며 각각 고체, 액체, 기체의 증기압력을 표현한 것이다. 물의 융해곡선은 다른 물질과 달리 음의 기울기를 갖는데 이는 물의 밀도 변화 경향성이 다른 물질과 그 특성을 달리하기 때문이다. 추가적으로 T는 고체, 액체, 기체가 동시에 존재하는 삼중점이며, C는 임계점으로 증기압력곡선의 최대값이 형성되는 점을 말한다. 그림 3의 phase diagram은 순물질에 대한 것으로 정확한 수치를 얻으려면 system을 한 물질로 빈틈없이 채운 후 p와 T를 조정하면서 나오는 특성들을 측정해야 한다.

5. Clausius-Clapeyron equation

액체의 아래 첨자를 1, 증기의 아래 첨자를 2라고 하자.

상 변화 과정에서 동적 평형을 이루고 있으므로 (가정)

dμ1=dμ2⋯①

이때 G = H - TS, H = U + pV 이므로 이 수치들을 infinitesimal scale에 대해 표현하고 chemical potential을 표현하기 위해 단위 몰 당 수치를 얻으면
dμ=Vmdp-SmdT⋯②

①, ②를 이용해서 식을 정리하면

Vm,1dp-Sm,1dT=Vm,2dp-Sm,2dT⇒dpdT=∆Sm∆Vm⋯③

VLE에서는 온도 변화가 없으므로 G = H - TS를 통해서 ∆S=∆H/T 임을 얻을 수 있으며 상 변화 중  ∆Vm=Vmg-Vml 이지만, 기체의 몰 부피가 액체에 비해 매우 크기에 무시하면 (가정)

dpdT=∆HmTVmg⋯④

infinitesimal property에 대해 macroscopic property로 전환하기 위해서 적분을 진행해야 한다. 이때 생성되는 기체를 이상적이라 하고 (가정), 상 변화 중 필요한 열의 양이 온도에 대해 독립적이라고 하면 (가정)

Vmg=RTp⇒lnpP0=-∆HmR1T+C⋯⑤

이 식을 Clausius-Clapeyron equation이라고 하며, lnp와 1/T에 대해 plot해서 얻은 그래프의 기울기를 이용하면 해당 phase transition에서의 필요한 열의 양(엔탈피)를 얻을 수 있다. P0 은 log의 진수 부분에는 무차원수를 사용해야 하기 때문에 붙여준 수치이며 실험에서 사용한 단위를 따른다. C는 plot된 그래프에 의해서 정해지는 상수다. 이를 무시하고 싶으면 두 상태에 대해 Clausius-Clapeyron equation를 적용한 아래의 식을 이용하면 된다.

lnpapb=-∆HmR1pa-1pb

6. 기체의 상태 표현

1) 이상기체 상태 방정식

기체분자운동론을 만족하는 기체를 이상기체(ideal/perfect gas)라고 하며, 몇 가지 property에 대한 아래의 관계식이 성립한다.

pV=nRT

(p: 기체의 압력, V: 부피, n: 기체의 몰수, R: 기체 상수, T: 기체의 온도)

2) 실제 기체 방정식

하지만 실제 기체는 이상기체와 달리 고유의 부피를 갖고 있으며, 분자 사이의 상호작용이 존재한다. 이처럼 이상기체 방정식에서 실제 기체가 보이는 거동성을 반영하여 이상기체 상태방정식을 기반으로 modeling한 여러 식이 있는데, 대표적인 몇 가지에 대해 살펴보겠다.

① Viral Coefficients와 Compressibility factor

이상기체 상태 방정식을 power series형태로 expansion하여 실제 기체의 거동성을 수학적으로 해석할 수 있도록 만든 식이다.

pVm=RT1+BVm+CVm2+⋯

여기서 표현되는 B와 C를 Viral Coefficient라고 한다. 다만, C는 B의 비해 매우 작은 경우가 많기에 편의를 위해서 계산 시 C에 대해 무시하고 계산하는 경우가 많다. Virial Coefficient는 온도에 의한 함수 B(T), C(T) 등으로 표현된다.

식의 길이가 길어지는 것을 방지하기 위해 이상 기체의 몰 부피에 대한 실제 기체의 몰 부피의 비율을 compressibility factor Z로 정의하고, 이를 이상기체 방정식에 적용한다.

pVm=ZRT

(Vm: 실제 기체의 몰부피, Z: compressibility factor)

한편, 위의 두 식을 p, V, T에 대해 정리하여 표현하면 Viral Coefficient와 Compressibility factor 사이의 관계성을 확인할 수 있다. C를 무시하면,

Z=pVmRT=1+BVm+CVm2+⋯⇒ Z=1+BpRT

② Vander Woals Equation과 reduced property

이상기체와 실제 기체 사이의 거동성의 차이 중 기체 자체의 부피 및 기체 사이의 상호작용을 주요 차이점으로 두고 이상기체 식을 개선한 것을 Vander Woals Equation이라고 한다.

p=RTVm-b-aVm2

원래는 a와 b는 기체의 종류마다 다른데, critical point에 대한 현재 상태의 비율을 통해 얻은 reduced property를 이용하면 이 방정식을 기체의 종류와 관계없이 적용할 수 있게 된다.

Ⅳ. Apparatus & Chemicals

Chemicals

표  SEQ 표 \* ARABIC 1 실험에서 사용하는 물질의 정보

Ⅴ. Procedure

1. Round-bottom flask에 증류수 100mL를 넣는다.

2. 냉각기와 Reflux condenser를 연결한다,

3. 냉각기의 스위치를 켜고 냉각수의 온도가 15℃ 이하가 될 때까지 기다린다.

4. Vacuum pump를 작동시켜 manometer의 눈금이 200mbar가 될 때까지 감압한다.

5. Heating mantle의 전원을 켜고 온도를 천천히 증가시킨다.

6. 물이 끓을 때까지 기다린다.

7. 물이 끓었을 때의 manometer와 온도계의 압력과 온도를 측정하여 기록한다.

8. Stopcock를 열고 공기를 주입하여 manometer의 눈금을 상승시킨다.

9. 200mbar부터 1013mbar까지 5 point 이상 압력조건에서 물이 끓을 때의 온도를 측정한다.

10. 실험을 2회 반복한다. 실험을 종료한 후 장갑을 끼고 round-bottom flask를 정리한다.

Ⅵ. Data & Result

1. 실험 1

2. 실험 2