대부분의 세포에서 세포 무게의 약 70~80%를 차지하는 것이 물이다. 약 7%는 무기이온(inorganic ions)과 뉴클레오타이드(nucleotide), 아미노산(amino acid)과 같은 작은 분자들이 차지 한다. 이런 작은 분자들은 실험실 내에서 화학적으로 합성되기도 한다.
DNA, RNA, protein과 같은 거대분자(macromolecules)도 일반적인 화학의 법칙을 따르며, 화학적으로 합성될 수 있다. 분자 세포 생물학에서는 거대분자를 이루는 작은 분자들의 특징을 통해 개체와 세포의 기능과 구조를 설명하여 이해를 돕고자 한다.
처음에는 분자 내에서 원자를 연결시켜 주는 공유결합(covalent bonds)을 소개하고, 그 다음으로 보다 큰 분자 내의 원자와 서로 다른 분자사이에 작용하는 안정화하려는 힘인 비공유 결합(noncovalent bonds)에 대해 논의하고자 한다. 비공유결합에는 수소결합(hydrogen bonds), 이온결합(ion interactions), 반데르발스의 힘(van der Waals interactions), 그리고 소수성결합(hydrophobic bonds), 이렇게 네 가지 종류가 있다. 본문에서는 각 결합의 특징과 역할에 대해 알아보고자 한다.
공유 결합
각 분자에 있는 원자(atom)를 붙잡아서 원자 바깥쪽 궤도(orbital)에서 전자를 공유하도록 형성되는 것을 공유결합(covalent bond)이라고 한다. 여기에서, 공유하는 전자와 공유하지 않는 전자의 분포가 분자의 삼차원적 구조와 화학적 기능을 결정한다. 어떤 물질(주로 단백질)의 구조는 그 기능과 다른 분자들과의 상호관계에 매우 큰 영향을 미치기 때문이다. 여기에서는 공유 결합의 특징과 작은 분자의 형태가 결합에 의해 어떻게 결정되는지 탄수화물(carbohydrate)의 구조를 예로 들어 논의하려 한다.
이러한 원자들은 홀로 존재하지 못하고 다른 원자와 공유결합을 함으로써 존재한다. 결국 각 원자는 공유결합의 수가 정해져 있어 이로 인해 각각 다른 형태로 결합,형성되게 된다. 예를 들면, 수소(H) 원자의 경우 외각(outer shell)에 전자가 하나 있으므로 단일 결합을 형성하게 된다. 그러면 외각이 두 개의 전자로 완전히 채워지는 것이다. 탄소(C) 원자의 경우 전자를 4개 갖고 있다. 그러므로 각 전자가 채워지기 위해서는 4개의 전자가 더 필요하게되며 4개의 결합을 형성하게 된다. 그 예가 메탄(methane, CH4)이다. 탄소원자가 수소원자와 전자를 공유하면서 연결되어 단일 결합을 형성한다.
1. 각 원자는 공유결합의 수가 정해져 있다.
전자(electron)는 원자(atom) 핵 주위를 궤도(orbital)를 따라 움직인다. 이 궤도(orbital)에는 에너지 레벨에 따른 일련의 껍질(shell)이 존재한다. 물론 안쪽의 껍질보다 바깥쪽의 껍질에 있는 전자가 더 많은 에너지를 갖고 있다. 각 껍질에는 보유할 수 있는 최대 전자수가 정해져 있다. 전자는 안쪽의 껍질부터 채워져 나간다. 모든 궤도에 전자가 다 채워져 있을 때, 원자는 가장 안정하다. 그리고 원자의 반응성은 가장 바깥쪽 궤도가 완전히 채워지기 위해서 몇 개의 전자가 필요한가에 달려 있다.
대부분의 경우에, 가장 바깥 궤도를 다 채우기 위해 이 궤도에 있는 전자는 다른 원자와 공유결합을 형성하게 된다. 그러므로 두 원자가 최외각 궤도에 있는 전자를 공유하기 때문에 서로 가까이 접해져서 공유결합을 형성하게 된다. 생태계에 있는 대부분의 분자들은 오로지 여섯 개의 다른 원자로 구성되어 있다. 수소(hydrogen), 탄소(carbon), 질소(nitrogen), 인(phosphorus), 산소(oxygen) 그리고 황(sulfur)이 그것이다. 각 원자는 각자의 최외각전자수가 정해져 있다 (점으로 표시된 것이 전자다).
질소(nitrogen)와 인(phosphorus)은 8개까지 수용할 수 있는 바깥 껍질에 각각 5개의 전자를 가지고 있다. 질소원자는 공유결합을 4개까지 할 수 있다. 암모니아(ammonia, NH3)에서는 3개의 공유결합을 형성하는데, 원자 주위의 한쌍의 전자(오른쪽의 두 점)는 궤도(orbital)에는 있지만 공유결합에 연관되어 있지는 않다.
그러나 암모늄 이온(ammonium ion, NH4+)에서 질소원자는 4개의 공유결합을 형성한다.
인(phosphorus)은 인산(phosphoric acid, H3PO4)에서 보이는 것처럼 공유결합을 5개까지 만들 수 있다. 인산분자는 실제로 한 쌍의 점으로 보이는 비결합 전자가 산소원자의 두 전자와 이중결합을 하여 형성된 구조다. 이를 resonance hybrid(공명구조)라 한다.
공명구조(resonance hybrid)의 오른쪽 그림에서는, P=O의 이중결합에서 나온 전자 하나가 산소(O)원자 주위에 축적되어 음전하(negative charge)를 띠게 하고 인(P)원자에는 양전하(positive charge)를 띠게 한다. 왼쪽 그림에서는 인(P) 원자가 최대 5개의 공유결합을 하고 있으며 전하를 띠지 않는다. 인산(phosphoric acid)의 에스테르(ester)는 핵산(nucleic acid)의 골격을 이루는데 이용된다.
질소(nitrogen)와 인(phosphorus)은 똑같이 전자를 5개 가지고 있다. 그러나 질소는 공유결합을 4개 가질수 있지만 인은 5개를 가질 수 있다. 이렇게 결합형태가 다른 이유는 두 원자의 상태적 크기가 다르기 때문이다. 크기가 작은 질소는 결합이 이루어질 수 있는 공간이 작아 4개밖에 이루어지지 않고, 반면에 크기가 큰 인은 더 많은 전자쌍을 허용할 수 있으므로 공유결합을 5개나 할 수 있는 것이다. 산소(oxygen)와 황(sulfur)은 최외각(outermost orbital)에 전자를 6개 가지고 있다. 그러나 산소분자(O2)처럼 오로지 2개의 공유결합만 갖는다.
근본적으로 산소보다 황의 외각 궤도가 더 크기 때문에 적게는 2개부터 많게는 6개까지 공유결합이 가능하다.
황산(sulfuric acid)의 에스테르(ester)는 대부분의 동물세포를 둘러싸고 있는 세포외부기질(extracellular matrix) 구성성분중 하나인 당단백질(proteoglycan)을 이루는 중요한 요소다.
비공유 결합
탄수화물(carbohydrate)에서는 공유결합이 달라지면 그 역할도 달라진다. 그러나 비공유결합도 단백질이나 핵산과 같이 거대분자의 삼차원 구조에서 이와 같이 중요한 역할을 한다. 비공유결합은 거대분자가 서로 특이 결합하게 하여 생체 내에서 많은 역할을 하게 한다. 이러한 결합은 일시적이다. 비공유결합이 형성될 때 방출되는 에너지는 1~5kcal/mol이다. 이것은 단일 공유결합을 이룰 때의 에너지보다 훨씬 작은 값이다.
실온에서 분자의 평균 운동에너지 값이 0.6kcal/mol이기 때문에 많은 분자들이 비공유결합을 깨뜨릴 수 있다. 그래서 결합(bond)이라는 말 대신 상호작용(interaction)이라는 말을 쓰기도 한다. 비록 비공유결합이 약하고 일시적이지만 서로 다른 분자 사이에 비공유결합이 여러 개 있으면 매우 안정하다. 이번 부분에서는 비공유결합의 네 가지 종류와 각각의 특징에 대해 알아보고자 한다.
1. 수소결합은 물과 생체의 기초가 된다.
지구상에 존재하는 대부분의 세포에서 무게의 70~80%를 차지하는 물은 생명체에 있어서 매우 중요하기 때문에 물 분자 사이의 수소결합(hydrogen bond) 또한 중요성을 갖는다. 물 분자 사이에 서로 인력(attraction)이 있으면 액체 상태로 존재하지만, 인력이 없을 경우 즉, 100℃ 이상일 경우에는 기체 상태로 존재한다.
수소결합의 특징 일반적으로 수소원자는 오로지 하나의 원자와 공유결합을 이룬다. 하지만 원자D와 공유결합으로 연결된 수소원자에는 또다른 약한 힘이 생겨나서 원자A와 약하게 연결되어 있다. 이러한 약한 결합을 수소결합(hydrogen bond)이라 한다.
수소결합을 이루기 위해서는 수소와 공유결합하는 공여원자(donor atom, D)는 전기적 음성을 띠어야 D―H 공유결합이 극성(polar)이 된다. 또한 수용원자(acceptor atom, A)도 음성이고, 결합하지 않은 전자쌍이 있어야 수소원자의 양성에 이끌리게 된다. 보통 donor와 acceptor는 질소 또는 산소이고 특히 아미노기(―NH2)와 수산기(―OH)가 대표적이다. N―H와 O―H 결합은 극성을 띠지만 C―H 결합은 비극성이기 때문에 수소결합이 이루어지지 않는다.
물 분자는 수소결합의 전형적이 예로, 한 물 분자의 수소원자는 주변에 있는 분자의 산소원자가 가지고 있는 전자쌍에 이끌려 수소결합을 이루게 된다. 물 분자의 수소결합은 물 분자 사이에서만 일어나는 것이 아니라 다른 종류의 분자사이에서도 일어난다.
그러므로 메탄올 (methanol, CH3OH)이나 메틸아민(methylamine, CH3NH2)과 같이 수산기(―OH)와 아미노기(―NH2)를 가지고 있는 분자들은 물에 매우 잘 녹는 성질이 있다. 이처럼 물에 잘 녹는 성질을 친수성(hydrophilic)이라고 한다. 수산기와 아미노기를 제외하고 물과 잘 반응하는 결합은 펩타이드(peptide)결합과 에스테르(ester)결합이다.
대부분의 수소결합의 길이는 0.26-0.31nm로 같은 원자 사이의 공유결합 길이 보다 2배나 길다. 그리고 수소원자와 공유결합으로 연결된 원자 D(donor)와의 거리가 수소결합으로 연결된 원자 A(acceptor)보다 더 가깝다. 또한 acceptor가 수소원자를 잡아당기기 때문에 공유결합의 길이는 수소결합이 없을 때 더 짧아지게 된다.
거대분자를 안정화시키는 수소결합 가장 강한 수소결합은 donor, 수소, acceptor 원자가 일렬로 놓여 있는 구조다. 직선이 아닌 수소결합은 직선형보다 약하지만 여러 개가 있을 경우 단백질의 삼차원 구조를 안정화시키는 중요한 역할을 한다. 단백질과 핵산에서 수소결합의 강도는 1에서 2kcal/mol로 물 분자사이의 수소결합(1-5kcal/mol)보다 약하다.
댓글