원자, 이온 및 화학결합 (3)

산, 염기 및 pH 척도

물 분자가 이온화되면 OH-(하이드록실 이온)와 H+(양성자)가 됩니다. 이온화된 양성자 H+는 물 분자의 산소와 결합하여 하이드로늄 이온(hydronium ion)을 형성합니다. 물 분자의 이온화는 동일한 양의 OH- 와 H+를 만드는데, 이때 각 이온의 농도는 동일하게 10-7M입니다. H+와 OH-농도가 동일하기 때문에 물은 중성(neutral)입니다.

 

물보다 더 높은 농도의 H+를 가진 용액은 산성(acidic)이고 더 낮은 농도의 H+를 가진 용액은 염기성(basic)입니다. 산(acid)은 양성자(H+)를 용액에 방출시키는 분자, 즉 '양성자 공여체(proton donor)이며, 염기(base)는 음이온이나 음이온을 만드는 분자로 H+와 결합하여 H+를 제거하는 분자, 즉 '양성자 수용체(proton acceptor)입니다. 강한 염기는 OH-를 방출하고 H+와 결합하여 물 분자를 형성하는 동시에 H+ 농도를 감소시킵니다.

 

pH

용액의 pH는 수소 농도 역수의 대수(logarithm)입니다.

pH = log 1/[H+]

 

여기서 (H+)는 H+의 몰농도(M)입니다. 순수한 물은 25°C에서 107M의 H+를 갖고 있어 pH는 7(중성)이 됩니다. 높은 농도의 H+를 갖는 용액은 낮은 pH를 갖게 되고 낮은 H+ 농도는 반대로 높은 pH를 갖게 됩니다.

 

즉, 10M의 H+를 갖는 용액은 pH가 2가 되지만 10-10M의 H를 갖는 용액의 pH는 10입니다. 따라서 산성용액(acidic solution)의 pH는 7보다 작고 염기성 용액(alkaline solution)의 pH는 7과 14 사이입니다.

 

완충용액

완충용액(buffer)은 H+ 농도의 변화를 막아 용액의 pH를 안정화하는 분자와 이온의 계(system) 입니다. 예를 들어 혈장에서 pH는 중탄산염(bicarbonate, HCO3)과 탄산 (H2CO3)을 포함하는 반응에 의해 안정화됩니다.

HCO3- + H+ ⇌ Н2СО3

 

위 반응은 분자와 이온의 농도에 달렸는데, H+ 농도가 증가하면 아래 반응식에서 보는 것처럼 반응의 평형을 오른쪽으로 촉진합니다.

HCO3- + H2CO3

 

 

혈액 pH

젖산과 다른 유기산들은 세포에 의해 만들어져 혈액으로 분비됩니다. 이러한 유기산들에 의한 H+ 방출에도 불구하고 동맥 혈액 pH는 감소하지 않고 항상 pH 7.4 ± 0.05를 유지합니다. 이러한 불변성은 중탄산염의 완충작용에 의해 부분적으로 일어납니다.

 

조건에 따라 pH가 반대로 변할 수도 있습니다. 예를 들어 위산의 손실을 일으킬 수 있는 과다 구토는 혈액 속의 유리(free) H+농도를 감소시켜 혈액 pH가 증가할 수 있습니다. 이 경우 반응식은 반대가 됩니다.

H2CO3→H+ + HCO3

 

탄산의 해리는 유리 H+를 만들어 pH의 증가를 막습니다. 중탄산염과 탄산은 pH의 감소나 증가를 막기 위해 각각 완충용액 쌍 (buffer pair) 작용합니다. 이러한 완충작용 때문에 혈액 pH는 7.35~7.45 사이의 좁은 범위 내에서 유지됩니다.

 

동맥혈의 pH가 7.35 이하로 떨어질 경우 이를 산증(acidosis)이라고 합니다. 예를 들어 pH7.2는 산중을 나타내며, 산증 혈액은 산성일 필요가 없음을 주목해야 합니다. 반대로 혈액 pH가 7.45 이상일 경우 이를 알칼리증(alkalosis)이라고 합니다. 산증과 알칼리증은 보통 중탄산염 및 탄산의 완충 용액 쌍과 허파 및 콩팥 기능에 의해 예방될 수 있습니다.

 

유기 분자

유기 분자(organic molecule)는 탄소와 수소를 포함하는 분자입니다. 몸속 대부분의 유기 분자는 탄소에 결합한 다른 원자뿐만 아니라 탄화수소 사슬과 고리를 갖고 있습니다. 2개의 탄소 원자가 한 쌍의 전자를 공유할 경우 이는 단일 공유 결합입니다. 그리고 만약 두 쌍의 전자를 공유하면, 이중 공유 결합입니다.

 

어떤 탄화수소는 그 끝이 서로 연결되어 고리를 형성하는데, 벤젠과 관련된 분자들은 이중결합을 교대로 가진 육각형 방향족 분자(aromatic molecule)입니다. 세포 내 탄수화물, 지방, 단백질과 핵산(DNA와 RNA) 등은 이 유기 분자들 안에 결합한 반응성 있는 화학 군 사이의 상호작용을 통해 합성되고 분해됩니다. 이처럼 세포 내 화학반응에 연관된 유기 분자들의 구성성분으로서 반응성 있는 원자 또는 반응기의 원자들을 작용기(functional group)라 합니다.

 

생체분자에서 발견되는 작용기에는 하이드록시기 또는 히드록시기(hydroxy group), 카보닐기(carbonyl group), 카복실기(carboxy group), 아미노기(amino group), 인산기(phosphate group), 설포하이드릴기(sulfhydryl group)와 에스터기(ester group) 등이 있습니다.

 

입체이성질체

두 분자가 정확히 같은 서열로 같은 원자를 갖고 있으나 주요한 기능기의 공간 위치에 대해 서로 다른 경우 이 분자들을 입체이성질체(stereoisomer)라고 합니다. 입체이성질체는 2개의 작용기가 분자의 같은 쪽에 있으면 시스(cis) 또는 분자 내에서 서로 가로질러 반대쪽에 있으면 트랜스(trans)라 합니다.

 

글리세르알데하이드(glyceraldehyde)를 기준물질로 했을 때, 주요한 기능기가 분자에 대해 어떤 방향에 있는가에 따라 D-이성질체(D-isomer) 또는 L-이성질체(L-1somer)로 나뉩니다. 서로 겹칠 수 없는 거울상인 2개의 입체이성질체를 거울상 이성질체(enantiomer)라 합니다. 마치 오른손과 왼손 장갑처럼 D-와 L-이성질체는 서로 위에 포개 놓을 수 없으며 사소한 구조적 차이가 생물학적으로는 큰 의미를 가집니다. 효소는 기질과 반응할 때 입체 특이적으로 결합하고 세포의 효소는 L-아미노산과 L-당(L-sugar)와 결합하며 반응합니다.