식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 2. 물

 

 2강. 물

 

▶ 물
• 세포의 주성분으로 약 70~85% 차지함
• 분자 구조에 의한 독특한 성질을 가짐
▶ 물의 역할
• 대사 반응의 용매로 작용함
• 세포가 일정한 온도와 pH를 유지하도록 작용함
• 생화학 반응에서 직접 반응물로 작용함 (예: 소화 작용)
1. 물의 분자 구조
• 물(H2O) : 한 개의 산소원자와 두 개의 수소 원자가 결합된 형태

H-O-H 결합각은 104.5도
1) 물의 극성 공유결합

• 산소와 수소 사이의 결합 → 공유결합 (극성)
- 전기음성도 : 산소 > 수소 따라서 산소 δ-, 수소 δ+를 가짐
※ 전기음성도 : 전자를 끌어당기는 힘
• 쌍극자 모멘트 : 산소분자의 구부러진 구조 특징 때문

- 이산화탄소의 경우 O=C=O 형태이므로 물과 달리 직선상으로 배치 → 비극성 성질을 띰
※ 극성 : 전자의 분포가 비대칭적으로 분산되어 있는 현상

2) 물의 수소결합

• 수소결합 : 인접 물 분자와의 결합
• 한 물 분자의 산소와 인접한 물 분자의 수소 사이의 끌림
• 핵산, 단백질 등 다수 생체 분자에서도 나타남(수소와 C, N, S 등)
• 결합에너지 : 비공유결합물 간 결합 < 수소결합 < 공유결합
결합을 끊는데 필요한 에너지
• 수소결합 : 0.5~10 kcal/mol
• 공유결합 : 60~120 kcal/mol

 

2. 물의 특성
1) 물의 일반적인 특성

• 수소결합을 하므로 분자량이 비슷한 다른 분자들보다 끓는점, 녹는점, 증발열, 열용량이 높음(타 분자는 상
온에서 기체)
• 한 분자의 물 → 4개의 물 분자와 수소결합
• 결합을 끊는데 많은 에너지가 필요함
• 액체 상태로 존재 → 생물체에서 중요한 용매로 작용 가능

2) 물의 용매 성질

• 친수성(Hydrophilic) 용질
※ 친수성 : 그리스어로 hydro-는 물을 지칭하고, philic은 좋아하는 성질을 뜻하여, 물에 잘 녹는 성질을
말함
- 극성으로 인해 이온화합물, 극성화합물을 쉽게 용해시킴
- 이온 화합물: Na+, K+, Cl-
- 이온-쌍극자 상호작용(이온수화 → 이온간 인력 감소)
• 극성화합물 : 알코올(ROH로 수산기(-OH)를 갖는 물질), 아민(NH3, 유도물질로서 하나 이상의 -H 대신에
알킬기로 치환한 것, 즉 RNH2, R1R2NH, R1R2R3N 등을 지칭함), 카르복실산(RCOOH로 카그복실기(-COOH)
를 갖고 있는 물질) 등 (N, C 보유)
- 쌍극자-쌍극자 상호작용(수소결합)
• 소수성(Hydrophobic) 용질
※ 소수성 : 그리스어로 hydro-는 물을 지칭하며, phobic은 좋아하지 않는, 두려워하는 것을 의미
- 전기음성도가 비슷한 탄소-수소로 구성된 물질들 → 비극성
예) 핵산(C6H12), 벤젠(C6H6)
- 물과 수소결합이 어려움 → 물에 용해되지 않음
- 이온화합물, 극성화합물 용해시키지 못함

• 클래스레이트 구조
• 양쪽성(Amphiphilic) 용질
- 극성그룹과 비극성 그룹을 모두 갖는 물질
예) 지방산 금속염(RCOOK, RCOONa)
- 탄화수소 R기 : 소수성
- 카르복실산 COO-, Na+, K+ : 친수성
• 미셸 : 물과 양쪽성 물질의 혼합 시 형성되는 구조
예) 스테아르산 나트륨
- 극성머리 : 소디움카르복실산 → 친수성 → 외부 (물)
- 비극성꼬리 : 탄화수소 → 소수성 → 내부

 

3. 물의 이온화
• 양성자(H+)와 수산화(OH-) 이온으로 해리
• H+ 이온은 물과 반응하여 H3O+형성 → 편의상 H+ 사용
• 질량작용법칙
- 생성물 농도들의 곱을 반응물의 농도 곱으로 나눈 값이 일정함

- 농도 : 용액 1L 당 그 분자 몇 몰이 있는 지를 뜻함
- 물의 농도 구하기 : 1,000g/L ÷ 18g/mol = 55.5M

- Kw : 물의 이온적
- 25oC 물의 평형상수 Keq는 1.8 × 10-16 M

• 물 한 분자 → H+, OH- 한 분자씩 해리
- [H+] = [OH-] = 1.0 × 10-7 M
- 즉, 25oC 물의 수소이온 농도는 1.0 × 10-7 M 임

 

4. pH
• 물의 수소이온 농도 활용의 어려움(1.0 × 10-7 M) 때문 → pH 도입
• pH = -log [H+] = - log 1.0 × 10-7 = 7.0
• 보통 수소이온 농도 : 100 ~ 10-14 M → pH는 0~14까지 가능
• pH 5의 용액은 pH 6의 용액보다 수소이온 10배를 가짐
• [H+][OH-] = 1.0 × 10-14 이므로 모든 수용액에서 pH와 pOH의 합은 14임

 

5. 산과 염기
1) 산과 염기의 정의
• 산 : 수소이온을 내 줄 수 있는 물질
• 염기 : 수소이온을 받아들이는 물질
• HA(산) → H+ + A-
- HA는 수소이온을 내주므로 산
- A-는 역반응에서 수소이온을 받아들이므로 염기
- 서로 짝산-짝염기의 관계로 정의

2) 산의 해리상수
• 산의 강도 : 수소이온을 내줄 수 있는 정도(해리상수 Ka)

3) pKa

• pKa = - log Ka, 일반적으로 2~14
• 다양성자산 : 두 개 이상의 수소이온을 내어줄 수 있는 산
- 탄산, 인산, 시트르산, 숙신산 등
- 단계적으로 수소이온 방출, pKa1, pKa2, pKa3 등

• 인산(H3PO4)의 수소이온 방출과정
- 1번째 해리반응 : H3PO4 산, H2PO4- 짝염기, pKa = 2.14
- 2번째 해리반응 : H2PO4- 산, HPO42- 짝염기, pKa = 7.20
- 3번째 해리반응 : HPO42- 산, PO43- 짝염기, pKa = 12.4

 

6. 헨더슨-하셀발흐 방정식
• pH와 pKa 사이의 관계 방정식
- 이로부터 우리는 다음을 알 수 있음
- 일정한 pH하에서 용액의 약산과 그 짝염기의 비율
- 약산과 그 짝염기 농도에 따른 용액의 pH

 

7. 적정곡선과 pKa 값
• 적정 : 농도를 아는 용액을 사용하여 미지 용액의 농도를 결정하는 방법
• 적정곡선의 변곡점 → 산의 pKa 값

⋅아세트산 100ml를 수산화나트륨으로 적정
⋅수산화나트륨 50ml 첨가시
- CH3COO- : CH3COOH = 5:5

8. 완충용액
1) 완충용액의 정의
• 산이나 알칼리를 첨가해도 pH의 변화가 작음 : 완충작용
• 완충작용을 할 수 있는 용액 : 완충용액
• 사람의 정상 혈액의 pH : 7.4 ± 0.05
• pH < 7.35 : 산독증
• pH > 7.45 : 알칼리혈증
• 생체는 완충용액 시스템을 가지고 있음 → 보통 약산과 그 짝염기로 구성
2) 완충용액의 능력
• 완충용액능력을 결정짓는 요소
- 약산과 그 짝염기의 몰 농도의 합(농도) → 합이 클수록 큼
- 약산과 그 짝염기의 비율 → 1:1일 때 완충능력이 가장 큼
• 효과적인 완충 범위
- 각 산의 pKa ± 1 범위
- 아세트산과 아세트산염으로 이루어진 완충용액의 경우 : pKa가 4.76이므로 3.76~5.76 범위가 효과적임

 

3) 혈액 및 세포 내액의 완충용액

• 세포 내액의 완충용액
- 인산이 주요 완충제 역할을 함
- 인산의 pKa2 = 7.20, H2PO4-, HPO42- 쌍이 약산과 짝염기
• 혈액의 완충용액
- 탄산이 주요 완충제 역할을 함
- H2CO3/HCO3- 쌍이 약산과 짝염기(탄산/중탄산염)
• 탄산의 pKa1 = 6.37 → 완충용액 범위에 겨우 들어감
• HCO3-와 H2CO3의 비율은 약 20:1 → 효율성이 떨어짐
• 따라서, 폐에서 CO2를 매개로 완충능력을 나타냄
• 체내 산 증가 시 HCO3-가 작용 → 폐에서 CO2 내보냄 → pH 증가
• 체내 염기 증가 시 HCO3-가 작용 → CO2가 혈액에 녹아 들어감 → pH 감소

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<확인문제>

문제1. 산과 그 짝염기의 농도 비율이 같은 경우 산의 해리상수가 용액의 pH와 같다는 것을 나타내는 공식
은 다음 중 무엇인가?
① 미카엘리스-멘텐 방정식
② 라인웨버-버크 방정식
③ 핸더슨-하셀발흐 방정식
④ 위 ①②③ 중 답이 없음
정답 ③

 

문제2. 소금이 물에 잘 녹는 이유로 가장 적절한 것은 무엇인가?
① 물분자가 소금의 양이온과 음이온에 수소결합을 하기 때문이다.
② 물분자가 소금의 양이온과 비극성 공유결합을 하기 때문이다.
③ 물분자가 소금 이온의 주위를 둘러싸 이온간 인력이 감소하기 때문이다.
④ 물분자가 극성 공유결합을 하기 위해 소금이온과 전자를 공유하기 때문이다.
정답 ③

 

문제3. 어떤 용액의 pH가 7이라면 수소이온의 농도는 어떻게 표현되는가?
① 7
② 7 × 10-7
③ 7 × 10-1
④ 1 × 10-7
정답 ④

 

문제4. 완충용액의 능력은 다음 중 어느 요인에 영향을 받는가?
① 약산과 그 짝염기의 몰 농도의 합
② 약산과 그 짝염기의 비율
③ 위 ①② 모두
④ 주변의 온도
정답 ③

 

문제5. 수소결합과 친수성 상호작용에 대한 설명으로 옳은 것은?
① 분자 내 원자들 간의 약한 화학 결합
② 분자 내 원자들 간의 강한 화학 결합
③ 서로 다른 분자들 간의 약한 화학 결합
④ 서로 다른 분자들 간의 강한 화학 결합
정답 ③

 

문제6. pH가 5인 용액은 pH가 7인 용액에 비해서 어떻다고 이야기 할 수 있는가?
① 2배 더 염기성이다
② 10배 더 염기성이다
③ 10배 더 산성이다
④ 100배 더 산성이다
정답 ④

 

문제7 약산의 해리상수에 대한 설명으로 옳은 것은?
① 값은 보통 1보다 작다
② 일반적으로 2보다 크다
③ 생체 내에서 거의 발견되지 않는다
④ 완충용액과 관련이 없다
정답 ②

 

문제8 산과 염기의 가장 큰 차이를 잘 설명한 것은?
① 염기는 극성분자인데 반해 산은 그렇지 않다
② 산은 극성분자인데 반해 염기는 그렇지 않다
③ 염기는 수소이온을 공여하고 산은 수소이온을 받는다
④ 산은 수소이온을 공여하고 염기는 수소이온을 받은다
정답 ④