Re: 레닌저 생화학.. 물의 용매 특성은 생물체 진화의 근원

[문형철]

은 대부분의 생물체에서 70% 이상의 무게를 차지

물의 용매특성은 생물체 진화를 형성

핵산과 단백질, 대부분의 작은 대사 중간생성물들은 물에 용해됨.

세포 내부의 모든 과정을 촉매하는 효소는

거의 중성 pH 상태에서 최적으로 기능하도록 진화함. 

물의 물리, 화학적 성질 설명

물분자간의 수소결합은 물을 실온에서 액체를 만들고, 냉온에서 얼음의 특징인 극단적인 질서구조를 갖게하는데 편리한 응집력을 갖게 함. 

극성이 큰 생체분자는 물에 쉽게 용해.

이들 생체분자는 물-물 결합을 에너지 면에서 더 유리한 물-용질 결합으로 대치하기 때문.

비극성 생체분자는 물-물 결합을 방해하므로 물과 용질간 결합을 형성할 수 없어 물에 녹기 어려움. 

수용액에서 비극성 분자는 서로 뭉치는 경향.

공유결합  길이 0.0965nm

수소결합  길이 0.177nm

산소의 원자핵은

수소의 원자핵(양성자)보다 강하게 전자를 끌어당기므로

음전하를 띠고 전기 음성도가 높음. 

그 결과 물분자의 산소원자와 다른 물 분자의 수소원자 사이에 생기는 정전기적 인력때문에 '수소결합'이 형성됨. 

O-H 공유결합력 470 kj/mol

C-C 공유결합력 350 kj/mol

수소결합력은 약 23 kj/mol

당과같이 전하는 없으나 극성이 있는 물질은 물에 쉽게 용해

알콜, 알데하이드, 케톤, N-H결합이 있는 화합물은

모두 물분자와 수소결합을 형성하므로 물에 쉽게 용해

비극성 기체는 물에 잘 녹지 않는다

CO2, O2, N2는 비극성.

그래서 물에 잘 녹지 않음.

그래서

이산화탄소 CO2는 수용액중에서 탄산 H2CO3을 형성하고,

중탄산염 HCO3- 이온으로서 운반되는데

물에 용해되든지 헤모글로빈에 결합되어 운반됨. 

NH3, NO, H2S는 극성이 있고 쉽게 물에 녹아 이온화됨.

비극성 화합물 

벤젠

벤젠과 헥세인과 같은 비극성 화합물은 소수성.

물분자와 에너지 면에서 유리한 상호작용을 할 수 없고,

물 분자간의 수소결합 형성을 방해함. 

수용액에서 비극성 분자는 서로 뭉치는 경향.

반데르발스 상호작용 '원자간의 약한 인력'

2개의 전하가 없는 원자가 매우 근접해 있을 때, 

이들 주변의 전자구름은 서로에게 영향을 주고. 약한 인력 '반데르발스 결합'을 함.

이온결합

양이온과 음이온이 정전기전 인력으로 결합하여 생기는 화학 결합

소수성 결합

지금까지 기술한

비공유결합성 상호작용(수소결합, 이온결합, 소수성 결합, 반데르발스 상호작용)은

공유결합보다 훨씬 약함.

1몰의 C-C 단일결합을 파괴하는데 약 350kJ 

1몰의 C-H 결합을 파괴하는데 약 410kJ의 에너지가 필요

1몰의 반데르발스 상호작용을 파괴하는데 약 4kJ 정도의 에너지로 충분

이들 4가지 결합은 개별적으로는 공유결합에 비하면 약하지만

그 수가 많아서 단백질과 핵산에 미치는 영향력이 매우 큼. 

응축용질은 삼투압을 생성

용액에서 해리되는 NaCl은

포도당과 같은 해리되지 않은 용질의 같은 몰수보다 삼투압이 2배.

삼투압의 차이로 인해

반투막을 통과하는 물이 이동인 삼투압은

세포에서 매우 중요

세포막은 대부분 작은 분자, 이온, 그리고 거대분자보다 물에 더 투과적.

이 삼투압은 부분적으로 지질 이중층을 통과하는 물의 단순 확산에 기인하고

부분적으로는 물의 통과를 선별적으로 허용하는 막에서의 단백질 통로에 기인

등장액 isotonic

고장액 hypertonic - 세포는 물이 흘러나감으로써 쪼그라든다

저장액 hypotonic - 세포안으로 물이 유입되어 세포는 부풀어 터진다

물, 약산 그리고 약염기의 이온화

적은 양이지만 물은 이온화하여

수소이온(H+)과 하이드록실 이온(OH-)으로 된다.

물의 이온화는 평형상수로 나타냄

25도에서 순수한 물은 10 9승 분자중에서 약 2분자만 이온화 됨.

pH값은 H+와 OH-의 농도를 나타냄.

pH값은 산술적이 아니라 대수적이라는 점에 주의

콜라(pH 3), 붉은 포도주(pH 3.7)는 혈액(pH 7.4)보다 약 1만배나 H+농도가 높음.

위액 1.5 

레몬주스 2.0

콜라, 식초 3.0

레드 와인 3.7

맥주 4.2

블랙 커피 5

우유, 침 6.5

사람 혈액, 눈물 7.4

바닷물, 계란 흰자 7.8

베이킹 소다 9

가정용 표백제 13

혈액이나 소변의 pH 측정은 질병의 진단에 흔히 사용

중증 당뇨병 환자의 혈장 pH는 혈액 7.4보다 흔히 낮음. 이를 Acidosis 산증이라고 함. 

완충액 buffer

소량의 산(H+) 또는 염기(OH-)가 첨가되었을 때, pH변화에 저항하는 경향을 가진 수용액

포유류에서 세포외액과 세포액은

6.9~7.4 범위의 pH를 가짐.

과도한 운동으로 젖산 생성 --> 산성도 증가

과호흡 이산화탄소 유출로 알카리화 pH 7.45이상 --> 두통, 현기증, 신체약화, 졸도 등의 증상

종이 봉투의 공기 호흡 --> 이산화탄소 증가..

심한 당뇨병

혈장의 pH를 7.35미만으로 떨어뜨려 산증 유발

포도당 사용 장애, 지방산을 에너지로 사용 --> 베타하이드로뷰티레이트, 아세트산이 축적

금식과 기아

마찬가지 현상으로 베타하이드로뷰티레이트, 아세트산..

다른 점은? 

금식과 기아 상태에서는 BHB가 무한대로 오르지 않음.