아미노산의 완충 구간과 등전점
아미노산은 위와 같은 구조를 가지고 있으며, 곁사슬 R의 구조는 아미노산의 종류에 따라 서로 다른 고유한 분자식을 가지고 있습니다.
완충 구간이란 산 또는 염기를 추가해도 pH가 잘 변하지 않는 구간을 의미하며,
작용기의 산 형태와 염기 형태가 절반씩 존재할 때가 가장 뛰어난 완충 구간입니다.
아미노산에는 COOH, R, NH2의 각 작용기에 해당하는 완충 구간이 있습니다.
pK1은 carboxyl group이 COO- + H+로 해리되는 구간입니다.
pKR은 곁사슬 구조에 의한 완충작용이 일어나는 지점입니다. (중성 아미노산은 pKR이 없음)
pK2는 amino group이 NH3+ -> NH2 + H+으로 해리하는 구간입니다.
등전점은 분자 전체의 전하가 0이 되는 지점을 말하며,
중성 아미노산은 (pK1 + pK2)/2, 산성 아미노산은 (pK1+pKR)/2, 염기성 아미노산은 (pKR+pK2)/2으로 구합니다.
아미노산 용액 염기 적정 그래프 분석
아미노산들 중 가장 간단한 형태인 글리신(H2NCH2COOH) 용액을 염기 NaOH로 적정하는 과정에 대해 생각해봅시다.
(위의 그래프가 글리신의 염기 적정 그래프입니다.)
pH가 가장 낮은 구간에서 글리신은 위와 같이 형식 전하가 +1인 형태에서, NaOH가 추가될수록 수소가 하나씩 떨어지는 형태를 가집니다.
pK1 (pH = 2) 구간에서는 절반 정도의 글리신 분자가 카르복실기 COOH에서 H+를 내놓고 COO-가 됩니다.
등전점 (pH = (2+10)/2 = 6) 구간에서는 대부분의 카르복실기는 수소를 내놓고 COO- 형태를 띠며,
대부분의 아미노기는 아직 산화 안한 상태로 NH3+ 꼴을 가지고 있을 것입니다.
(즉, 이 지점에서 전체 전하가 0이 되는 등전점이 되는 것입니다.)
pK2 (pH = 10) 구간에서는 절반 정도의 글리신 분자가 아미노기 NH3+에서 H+를 내놓고 NH2가 됩니다.
헨더슨-하셀바흐 식
헨더슨-하셀바흐 식은 pH = pKa + log([A-]/[HA])이며, A-의 농도와 HA의 농도가 같을 때 pH = pKa입니다.
위의 그래프에서 예시를 하나 들어보기 위해, pH 11에서 헨더슨-하셀바흐 식을 사용해보겠습니다.
|
11 = 10 + log([A-]/[HA]) |
pH 11에서 A- 꼴의 분자가 HA 꼴의 분자보다 10배 더 많다는 의미가 됩니다.
따라서 순전하가 -1인 분자의 수가 순전하가 0인 분자의 수보다 10배 많습니다.
(pK1에서 카르복실기가 산화되었으므로 그것까지 고려해야합니다.)
* 아미노산이 이온화되면 단백질이 변성되었다는 의미이므로 단백질은 정상적인 기능을 수행할 수 없습니다.
* 산 염기 반응의 HA, A- form은 가끔 배위 결합을 통해 HA+, A form의 두 가지를 형성하기도 합니다.
이 경우에도 마찬가지로 상대적으로 +의 전하를 띠는 물질과 -의 전하를 띠는 물질을 구분하여 적용하면 됩니다.
히스티딘(His)의 완충
아미노산 중 히스티딘은 pKR 값이 6.0으로 세포 내부의 pH 환경과 가장 비슷한 pKR을 가지는 아미노산이기 때문에,
세포 내에서 완충 작용을 수행합니다. (위에서 언급한 중성 아미노산은 곁사슬 구조로 완충이 불가능합니다.)
이온화도 및 체내 산염기 응용
이온화도는 HA꼴의 분자가 (H+와) A- 형태로 해리된 비율을 말합니다.
이온화도 그래프에서 이온화된 비율이 가장 높은 구간의 pH가 완충작용이 가장 잘 일어나는 구간이므로 pKa입니다.
세포막은 인지질이중층으로 이루어져 있기 때문에 전하를 띠는 물질은 통과되기 힘들고,
따라서 일반적으로 전하를 띠지 않는 중성의 HA 형태의 분자만이 세포막을 통해 확산됩니다.
"HA 형태의 분자가 체내로 잘 흡수된다"라는 문장도 같은 맥락에서 해석하면 됩니다.
아스피린도 HA 형태와 해리된 A- 형태를 둘 다 가집니다.
세포를 통해 확산되는 경우 전하를 띠지 않는 HA의 형태로 확산됩니다.
당연히 산, 염기 반응을 하므로 주위 환경의 산성도에 따라 해리된 정도인 이온화도가 달라집니다.
(ex : 세포의 정단면 vs 기저면 부근 / 흡수되기 전 위 vs 흡수 된 후 혈액 : 각각 이온화도가 다릅니다.)
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