물, 생명의 용매

 

2.1 수성 시스템에서의 약한 상호 작용

 

“수소 결합과 이온, 소수성 및 판데르 발스 상호 작용은 개별적으로 약하지만, 집합적으로 단백질, 핵산, 다당류 및 막 지질의 3D 구조에 매우 큰 영향을 미칩니다.”

 

수소결합은 물이 특별한 성질을 갖게 한다. 물은 대부분의 다른 용매보다 녹는점, 끓는점, 기화열이 높다. 이러한 특별한 성질은 물 분자 간의 강한 인력으로 내부 응집력이 크기 때문이다.

 

수소 결합

 

물 분자의 산소 원자와 다른 물 분자의 수소 원자와의 사이에 생기는 정전기적 인력 수소결합의 강도 수소결합은 상대적으로 약하다. 수소결합은 결합궤도에서 중복되므로 약, 10% 공유결합이고, 90% 정전기적이다. 수소결합은 순간적이다. 액체 중의 대부분의 물 분자는 수소결합을 하고 있지만 수소결합은 1~20 피코초보다 작다. 한 수소결합이 깨지면 0.1 피코초 이내로 다른 수소결합이 형성된다. 형성된 수소결합의 수 액체에서, 각각의 H2O 분자는 연속적인 움직임으로 인해 평균 3.4개의 다른 분자와 수소 결합을 형성하고 있다. 얼음에서, 각각의 H2O 분자는 규칙적인 격자 구조를 만들기 위해 4개의 수소 결합을 형성하고 있다. 상대적으로 높은 물의 녹는점을 설명하는 수소결합. 녹을 때나 증발할 때, 반응계는 열을 빼앗아 가고, 수용액의 엔트로피는 증가한다: 실온에서, 용해와 증발은 자발적으로 발생한다.  ∆G = ∆H - T∆S – 자유에너지 변화(∆G) 반드시 음의 값이다.  ∆H가 양수이기 때문에(결합을 만들고 끊는 것에서 오는 엔탈피 변화), ∆S의 증가가 이러한 변화를 주도한다. (엔트로피 변화) 물은 극성용질과 수소결합을 한다. 수소결합은 어떤 전기음성 원자(보통은 전자 한 쌍만을 가진 산소나 질소 같은 수소 받개)와 같거나 다른 분자에 있는 전기음성도가 큰 원자(수소 주개)에 공유결합을 이룬 수소 원자와의 사이에서 쉽게 형성된다. 생물학적으로 중요한 수소 결합. 탄소 원자와 공유 결합한 수소 원자는 수소 결합하지 않는다. 탄소가 수소보다 약간 더 음의 값을 가지기 때문이다. 알코올, 알데하이드, 케톤 및 N—H 결합을 포함하는 화합물은 모두 물과 수소 결합을 형성한다. 수소 결합의 방향성 수용체 원자가 공여 원자와 H 사이의 공유 결합과 일직선에 있을 때 가장 최대가 된다. 정전기 상호 작용을 최대화함. 물은 정전기적으로 하전 된 용질과 결합한다.

 

 

친수성(hydrophilic)

 

물에 쉽게 녹는 화합물; 일반적으로 하전 되어 있거나 극성이 있는 화합물.

 

소수성(hydrophobic)

 

지질이나 왁스 같은 비극성 분자.

 

양친매성(amphipathic)

 

극지방(또는 대전된)과 극지방이 아닌 부위를 포함.

 

 

용매로서의 물 H2O는 이온을 수화 및 안정화하여 NaCl과 같은 염을 용해하고, 이들 사이의 정전기적 상호작용을 약화해 결정격자에서 결합하려는 경향을 상쇄시킨다. H2O는 정전기적 상호작용을 하여 소금과 하전 된 생체분자를 용해함. 반응계의 엔트로피 증가는 NaCl과 같은 염이 물에 쉽게 용해되도록 한다. 2.3 생물계의 pH 변화에 대한 완충작용 “거의 모든 생물학적인 과정은 pH에 의존하고 있으며, pH의 작은 변화가 과정의 반응속도에 큰 변화를 일으킨다” 완충액은 약산과 그 짝염기의 혼합물이다.

 

완충액

 

소량의 산(H+) 또는 염기(OH–)가 첨가되었을 때 pH 변화에 저항하는 경향을 가진 수용액. 완충계는 약산(양성자 주개)과 그의 짝염기(양성자 받개)로 이루어진다. 완충 영역 = 적정곡선에서 평탄한 영역. 완충 영역의 중간 점에서 양성자 주개인 아세트산과 양성자 박개인 아세트산 이온의 농도가 정확히 같아지며, 이 반응계의 완충능력이 최대가 된다. 즉, H+ 또는 OH–을 조금 증가시켜도 그 pH의 변화는 최소가 된다. 아세트산의 이 적정곡선에서 이 중간 점의 pH는 PAK과 같다. 완충계로서 아세트산-아세트산 이온 쌍 양성자 주개인 아세트산(HAC)은 반응계에 첨가되는 OH- 을 중화하여 H2O를 생성하기 위하여 방출할 수 있는 예비 H+을 포함하고 있다. 마찬가지로 짝염기 Ac-은 반응계에 가해진 H+ 이온과 반응하여 또다시 이 2가지의 이온화 반응이 동시에 평형에 도달하게 된다. 이처럼 해서 아세트산과 아세트산 이온과 같은 짝산-염기쌍은 소량의 산 또는 염기를 가했을 때 pH의 변화에 저항하는 경향을 가지게 된다. 완충 작용은 단지 2가지의 가역 반응이 동시에 일어나고 평형상수 Kw와 Ka에 의해 지배되면서 그들의 평형점에 도달한다. 헨더슨-하 셀 바흐식은 pH, pKa, 그리고 완충재 농도의 관계를 나타낸다.

 

 

헨더슨-하실 바흐식

 

모든 약산의 적정곡선의 형태를 표현 약산 또는 약염기는 pH 변화에 대해서 세포와 조직에 완충 작용한다. His(His의 곁사슬은 PAK이 6.0) 전기를 가진 PTN은 중성 pH 부근에서 효과적으로 완충작용을 한다. 인산염 완충계 인산염 완충계는 모든 세포의 세포질에서 작용한다: 양성자 주교로서 H2PO4-, 양성자 받개로서 HPO4-로 구성. 인산염 완충계는 H2PO4- 의 pKa 6.86에 가까운 pH에서 최대의 완충능력을 나타낸다. pH가 5.9 ~ 7.9의 범위에서 완충능력 발휘. 포유류에서 세포외액과 대부분의 세포액은 6.9 ~ 7.4 범위의 pH를 가지고 있다. 중탄산염 완충계 혈장의 주요한 완충계: 양성자 주개인 탄산(H2CO3)과 양성자 박개인 중탄산염(HCO3-)으로 구성됨. 완충계는 pH 7.4 근처에서 효과적인 생리작용을 갖는데, 혈장의 H2CO3는 폐의 공기 지역에서 이산화탄소의 커다란 예비용량과 평형을 이루기 때문이다. 중탄산염 완충계는 3 가역 평형을 포함. 호흡률 혹은 호흡 빈도(뇌간에서 조절되며, 혈중 pCO2 증가 혹은 혈중 pH 감소가 감지되면 깊고 잦은 호흡을 촉진함)는 혈액 pH를 평형을 이루기 위해 빠르게 조정 작용한다. 과호흡, 때때로 스트레스나 불안에 의해 유발되는 급격한 호흡으로, 들이켜는 산소와 내쉬는 이산화탄소의 정상적인 균형에 이상을 초래하여 과도한 CO2 유출로 인하여 혈액 pH를 7.45 이상으로 높인다. 이 알칼리증은 현기증, 두통, 신체 약화 및 졸도로 이어질 수 있다. 세 가지 약산의 적정곡선 비교 아세트산, 이 수소 인산, 암모늄 이온의 적정곡선은 같은 모양을 하고 있지만, 산성도가 서로 다르므로 동일한 pH 축을 따라 평행이동 되고 있다. acetic acid, 아세트산은 3개의 산 중에서 Ka가 제일 높으므로 (PAK은 최저) 가장 강한 산이고, 그 양성자를 쉽게 OH-에 빼앗긴다; 아세트산은 pH 4.76에서 이미 절반이 해리되어 있다.