비공유결합
화합물의 결합은 크게 공유결합과 비공유결합으로 구분할 수 있다. 공유결합이란 원자들이 전자를 공유하여 분자를 형성하는 결합이고, 비공유결합이란 전자를 공유하지 않는 형태의 결합들로 주로 분자간의 결합 형태이다.
1. 생체고분자에서 비공유결합의 중요성
생체고분자들은 탄소화합물로서 탄소가 최대한 네 개의 다른 원자와 공유결합을 이루고 있다. 그리고 그 결합은 무작위적 배열이 아니라 체계적 조직을 이루고 있다.
생체고분자 간에는 주로 비공유결합이 이루어진다. 비공유결합은 매우 중요하다. 비공유결합은 약하기 때문에 낮은 열, 대기압, 중성 pH와 같은 제한된 환경에서 가역적 (동적인) 상호작용을 가능케 한다. 생물학적 기능은 구조적 상보성과 약한 힘에 근거하고 있다. 따라서 생물체는 제한된 환경에만 존재할 수 밖에 없기 때문에, 화학반응에서와는 달리 생체고분자의 대사작용은 효소반응을 통해 이루어진다.
2. 생체고분자에 있어서 중요한 4가지의 비공유결합
이온결합 |
이온과 이온 간의 결합을 의미한다. |
Van der waals force |
비이온 간의 결합으로 극성과 극성, 극성과 비극성, 비극성과 비극성 간의 결합에 해당한다. 비극성인 분자간에 생기는 결합은 London dispersion force라고 불린다. |
수소결합 |
수소를 매개로 한 결합으로 dipole-dipole interaction의 특수한 예에 해당된다 |
소수성 효과 또는 상호작용 |
분자 간의 친화력에 의한 것이 아니라 비극성분자들이 물에 존재할 때 생기는 열역학적 요인에 의해 발생하는 힘 |
ionic & nonionic
ionic compounds: 이온들에 의해 유지되는 분자들 (NaCl)
nonionic compounds: 공유결합에 의해 유지되는 분자들 (대부분의 유기화합물)
이온화합물들의 경우 비이온 화합물들보다 강력한 분자상호간 힘을 유지한다. 소금과 메탄가스를 생각해보라.
nonionic은 다시 극성 (polar)와 비극성 (nonpolar)로 구분될 수 있다. 따라서 ion과 polar, 그리고 nonpolar 간에는 가능한 모든 조합의 결합이 가능하다 (ion-ion, ion-polar, ion-nonpolar, polar-polar, polar-nonpolar, nonpolar-nonpolar). 이러한 결합들에 의해 4가지 형태의 비공유결합이 이루어진다. 극성이란 분자를 이루는 원자 간에 전자의 밀도가 균일하지 않아 생기는 것으로 쌍극자 (dipole)이라 부른다. 왜냐하면 한쪽에는 전자가 밀집하여 음전하 다른 한쪽은 양전하를 띠기 때문이다 (이 경우 영구쌍극자 (permenant dipole)이라 부른다). 비극성의 경우도 쌍극자를 형성할 수 있다. 순간적인 전자밀도의 차이에서 발생하는 쌍극자로서 이것은 순간쌍극자 (momentary dipole)라 부른다. 이웃하는 쌍극자나 이온에 의해 발생하는 쌍극자는 유도쌍극자 (induced dipole)이라 부른다.
1-1. Ionic bond
HCl과 NaCl 비교; the energy necessary to extract the valence electron from Na is much smaller than from H (5.14 eV/atom: 13.6 eV/atom).
따라서 H와 Cl은 electron sharing, Na와 Cl은 ionic bonding
이온결합의 세기: F = q1 x q2/r2D
1-2. Van der Waals Force: Intermolecular forces
Helium은 원자가 2로서 안정한 화학적 결합을 형성하지 않는다. 그렇다면 He는 모든 온도조건 하에서 기체상태로 존재할 것이라고 기대할 수 있는데 실제로는 4K에서 액체상태로, 25 atm, 1K에서 고체상태로 존재한다. 그 이유는 분자간에 약한 힘이 존재하기 때문이다. What kind of force can do this ?
A. Instantaneous and induced dipoles; In speaking of the electronic structure of an atom or molecule we refer to the probability of an electron being in a certain region at a given instant of time. One event that may occur is suggested by figure below-an instantaneous displacement of electrons toward one region of an atom or molecule. This displacement causes a normally nonpolar species to become polar; an instantaneous dipole is formed.
Following this, electrons in a neighboring atom or molecule may be displaced, also leading to a dipole. This is a process of induction, and the newly formed dipole is called an induced dipole.
The intermolecular forces (dipole-dipole interaction) described in this section are the forces that cause a gas to depart from ideal gas behavior. The Van der Waals equation of state takes these forces into account, and, collectively, these forces are called Van der Waals forces.
B. Dipole-dipole interactions. In a polar substance molecules tend to become oriented with the positive end of one dipole directed toward the negative ends of neighboring dipoles. This additional partial ordering of molecules can cause a substance to persist as a solid or liquid at temperatures higher than otherwise expected. For example, compare normal butane, C4H10, and acetone(dimethyl ketone), (CH3)2CO, two substances with the same molecular weight.
C4H10 MW=58mp= -138.3 bp= -0.5
(CH3)2CO MW=58mp= -94.8 bp= 56.2
1-3. Hydrogen bonds: 매우 강력한 dipole-dipole interaction의 경우에 해당
수소가 전기음성도가 큰 원자들과 공유결합을 이루면 부분적인 양전하를 띠게되어 또다른 전기음성인 원자들의 비공유전자들과 상호작용을 하게된다.
* highly polarized and it causes an electrostatic attraction between molecules: 수소결합 때문에 butanol의 b.p는 117 C, 반면 butane의 b.p는 - 0.5 C.
* highly directional--- colinear array
수소결합은 Van der Waals 결합보다 강하고 공유결합보다는 약하다 (결합 길이는 강도에 반비례한다). 따라서 그 길이는 각각의 중간에 해당된다.
수소결합은 생체고분자에서 매우 중요하다 (주로 O, N, 또는 S와 결합한 H). DNA, 단백질, 탄수화물
1-4. Hydrophobic interactions (=hydrophobic attractions)
비극성인 분자들은 물에서 자기들끼리 뭉치는 경향이 있다. 이것을 소수성 상호작용이라 한다. 가령 hexane 분자들이 물에 들어가면 물 내에 cavity가 형성되면서 일시적으로 물분자들 사이의 수소결합을 파괴시키고 이에 따라 재배열된 물분자들은 최대한의 새로운 수소결합을 형성하게 된다. 이러한 과정에는 비용이 드는데 hexane 주위의 water cage 내에서 수소결합을 이룰 수 있는 가능한 방법 또는 수는 순수한 물에서보다 적어진다는 것이다. 즉 hexane molecule 주위의 water molecule 들은 다른 부위에서보다 훨씬 질서있는 상태로 되고 이 때문에 다른 hexane 분자가 들어오게 되면 hexane 분자들끼리 결합함으로써 분리된 상태일 때보다 적은 수준의 정돈된 상태의 물분자를 필요로 하는 것이다. 즉 hydrophobic interaction의 기본은 released water molecules들의 enhanced freedom 때문인 것이다. Nonpolar solute molecules are driven together in water not primarily because they have a high affinity for each other but because water bonds together strongly to itself. (2 명의 죄수를 지키는데 따로 따로 가둬놓고 10 명씩 20 명의 경찰관이 지키는 것 보다는 한군데에 가두어놓고 10 명의 경찰관이 지키는 것이 energy 면에서 보다 효율적인 것과 비교될 수 있다)
3. Water: 물분자 간의 수소결합
두가지의 중요한 특성
polarity: triangular, asymmetrical distribution of charges
극성분자이다 (polarity: triangular, asymmetrical distribution of charges): 극성분자란 전기음성도가 다른 원자들간의 결합으로 전자들의 분포가 불균일하게 존재하는 분자이다. 때문에 물분자는 휘어진 모양을 가지면서 전자들이 산소원자에 더 밀집하여 쌍극자를 이루게 된다.
H-bond capability: highly cohesive
물분자간의 수소결합을 이룬다 (H-bond capability: 2개의 donor와 2개의 acceptor로 작용하는 4개의 결합이 가능). 때문에 큰 응집력을 가진다.
3-1. 용매로서의 작용: 물분자의 극성이 용매로서의 성질을 결정한다.
excellent solvent for polar molecules; the reason is that water greatly weakens electrostatic forces and hydrogen bonding between molecules by competing for their attractions.
때문에 물은 정전기적 인력을 약화시킨다. (물은 극성과 이온 주위에 oriented solvent shell을 형성하기 떄문에 높은 유전상수를 가진다.
이러한 특성 때문에 많은 극성 분자들이 물에 용해되어 높은 농도로 존재하면서 서로 확산에 의한 상호작용이 가능케 된다.( 그 상호작용은 water-free microenvironment를 만들므로써 해결될 수 있다)
결국 극성인 분자들은 물분자와의 ion-dipole, dipole-dipole interaction에 의해 용해되고 (물분자끼리의 상호작용을 극복): 친수성
비극성인 분자들은 물분자와의 dipole interaction 보다는 자기들 끼리의 momentary dipole-induced dipole interaction (Van der waals bond)에 의해 유지된다 (물분자와의 dipole-induced dipole interaction이 가능하지만 그보다는 물분자간의 상호작용을 극복하지 못한다): 소수성
한 분자 내에 친수성과 소수성인 부분이 공존할 때 이들은 양쪽성 분자 (amphiphilic molecule)이라 불린다.
3-2. 총괄성 (colligative property):
용매의 화학적 특성이 아니라 용질입자의 수에 의존하는 특성을 표현하는 것으로 용질의 농도에 따른 빙점이나 비등점의 변화, 삼투압 효과 등을 가리킨다.
삼투현상 (osmosis)은 용매가 높은 농도의 영역에서 낮은 농도의 영역으로 이동하는 현상이다. 삼투압 (osmotic pressure)는 물이 내부로 유입되는 것을 막기 위해 가해져야만 하는 압력으로 용매의 농도에 비례한다. 세포는 반투과성 막을 가지고 있으며, 세포 내부는 외부보다 높은 농도의 무기 또는 유기물이 존재하기 때문에 삼투압이 생긴다. 이것을 방지하기 위한 방편으로 미생물이나 식물세포의 경우는 단단한 세포벽을 가지고, 세포벽이 없는 동물세포의 경우는 유사한 삼투압을 가지는 용액에 둘러싸여 있다.
확산 (diffusion)에 의해 고장액의 용액에 존재하는 용매들은 저장액으로 이동한다. 이것은 엔트로피의 증가에 의한 것이다. 확산속도는 확산되는 거리의 제곱에 비례한다. 가령 확산속도가 1초에 1 cm라면 10 cm를 이동하는데는 100초가 소요된다. 많은 미생물들은 확산에 의해 영양분과 노폐물을 해결한다. 그런데 확산은 부피에 대한 표면적의 비가 클 때 (크기가 작을수록 증가) 효과적이므로 세포들의 크기는 제약을 받는다. 생물체 전체의 크기를 비교하면 매우 큰 차이를 보이지만 (현미경으로 보이는 세균의 경우 대략 1-2 um 수준인데 반하여 코끼리의 경우는 몇 m의 수준이다) 세포 수준에서 보면 그 차이를 최대 1000 정도의 차이를 보인다.