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11. 생물학 개론, 작은 분자 - 물 분자와 수소결합
▒ 물 분자와 수소결합
황량한 사막을 여행하다 보면 얼마를 가도 생명체의 존재를 발견할 수 없을 때가 있다. 그러나 드물지만 그 황량한 사막에서도 포플러나무나 키 큰 관목들을 볼 수 있다. 식물들이 이러한 곳에 있을 수 있는 이유는 지표면 밑에 있는 물 때문이다. 물이 있는 곳에는 언제나 생명체가 있다.
대부분의 생물학자들은 생명체가 물에서부터 시작되었다는 것과 생명체와 물이 불가분의 관계에 있다는 것을 인정한다. 지구의 이웃인 화성에 물이 존재하지 않는다는 사실을 근거로 하여 우리는 그곳에 생명체가 있을 가능성은 거의 희박 하다고 추정한다. 사실상 생명체 대부분의 화학반응은 수용액 상태에서 일어나
며, 모든 생물체는 50~80%가 물로 이루어져 있다.
이와 같이 물은 생명체에 필수적인 것이며, 지구상에서 물은 매우 흔하다. 지구 표면의 3/4은 물로 되어 있으며, 엄청난 양의 물이 '물의 순환(hydrologic cycle)'이라는 과정을 통하여 지상과 대기 간을 쉴 새 없이 이동한다.
이와 같은 순환은 단순한 물리적 현상이 아니라 지구상의 생명체와 관련된 중요한 과정이다. 식물, 동물 및 여러 가지 생명체들은 물을 이용하는데, 물은 일단 세포내로 흡수된 후 화학반응에 참여하게 된다. 그리고 이 물은 다시 이들 생물이 호흡을 하거나 죽게 되었을 때 대기나 바다로 되돌아가게 된다. 이 정리의 뒷부분에서는 생물체에게 미치는 물의 중요성을 여러 가지 다른 관점에서 소개할 예정이며, 여기에서는 생명 유지에 필수적인 물의 특성과, 어째서 이러한 물의 특징이 화학반응을 용이하게 진행시킬 수 있는지에 관하여 알아보고자 한다.
물의 극성(Polar Nature)
물 분자는 두 개의 수소 원자가 한 개의 산소 원자에 공유결합되어 있다. 말하자면 산소 원자 외각에 형성된 4개의 전자쌍 궤도함수 중 2개가 2개의 수소와 공유한 것이다. 다음의 그림은 물의 전자껍질 모형을 보여 주고 있다.
물 분자는 상당한 극성을 띠는데, 이것은 물 분자가 양전하와 음전하를 띤 부분을 동시에 갖고 있기 때문이다. 또한 2개의 수소 원자가 가까이 위치하고 있어 분자 전체가 한쪽으로 치우친 모습을 하고 있다. 물의 극성과 치우쳐진 구조가 물의 독특한 성질을 결정해 준다.
메탄과 같은 사면체를 생각해 보았을 때 물은 수소 원자 두 개가 두 모서리를 차지하고 있는 셈인데, 어느 모서리를 차지하든 간에 분자는 결국 치우친 모양을 하게 된다. 다시 말해서, 산소의 중앙부와 두 개의 수소를 잇는 선이 이루는 각은 약 105°이다.
물과 수소결합
화학결합 중에서 마지막으로 소개할 수소결합을 물의 특이한 성질을 중심으로 하여 살펴보자. 수소결합은 약한 양전하와 음전하 사이의 전기적 인력이라고 할 수 있는데, 이온결합이나 공유결합에서와 같은 전자의 이동이나 공유현상은 일어나지 않는다. 일반적으로 이와 같은 전기적 인력은 극성 분자 속에서 질소 또는 산소에 결합되어 있는 수소 원자간에 또는 극성 분자의 산소와 질소의 전자간에 존재한다. 물을 보면 전기적 인력은 하나의 물 분자의 수소(약한 양전하를 가짐)와 다른 물 분자의 산소(약한 음전하를 가짐) 사이에 생기게 되며, 이와 같이 하여 두 개의 물 분자는 서로 가까이 하려는 경향을 갖게 된다.
수소결합은 생물체에서 아주 흔하고, 고분자가 일정한 형태를 유지하는데 중요한 역할을 하며, 이의 좋은 예는 DNA의 2중 나선구조이다. 길게 엉킨 두 개 의 나선은 수많은 수소결합에 의하여 이루어진 것이며, 사실상 수소결합의 약한 결합력 그 자체가 생물학적 반응에 있어서 중요한 역할을 한다.
이온, 수화껍질 및 용매로서의 물
훌륭한 용매로서 물의 독특한 성질은 극성에 의한 것이다. 소금을 물에 녹이면 이온으로 해리된다는 것을 설명한 바 있지만 사실상 소금의 해리는 수화껍질(hydration shell)을 형성하려는 물의 성질에 의하여 더욱 촉진된다. 수화껍질이란 용액 중에서 이온에 느슨하게 결합된 물 분자가 이루는 층을 말한다. 예를 들어 물 분자의 양전하 부분(수소)은 염소와 같은 음 전하 이온을 향하여 배열하여 다음의 그림과 같이 염소 이온 주위에 수화껍질을 형성하게 된다.
수화껍질의 맨 안쪽 물 분자는 음전하를 가진 산소 원자가 바깥 찾을 향하고, 이들이 다른 물 분자의 양전하를 가진 수소 원자들을 끌어당기면서 동심원을 형성한다. 이 같은 현상이 나트륨과 같은 양이온을 중심으로도 형성되는데, 이 경우에는 물 분자의 위치가 반대가 되어서 양전하 부분이 바깥쪽을 향하게 된다.
물은 전하를 가진 이온은 물론 극성 분자 주위에도 수화껍질을 형성한다. 예를 들어 당류들은 약한 극성을 띠는 수산기(-OH)를 갖고 있어서 물 분자가 이것과 수소결합을 하여 수층을 형성한다. 이와 같은 수화껍질 형성에 의하여 극성 당류 분자들은 분자들 자체끼리 덩어리를 이루지 않고 용액 상태로 존재하게 된다.
물과 비극성 분자
한 숟가락 정도의 물을 샐러드 기름이 들어 있는 병에 넣고 섞으면 물은 즉시 조그마한 방울을 이루다가 서로 합쳐진 후 기름으로부터 유리되는 것을 관찰할 수 있다. 이것은 물 자체의 강한 상호 인력 때문이다. 물은 샐러드 기름과 같이 수소결합을 형성하지 않는 비극성 물질과는 결합하지 않는다.
한 숟가락의 기름을 병에 넣고 섞어도 결과는 유사하게 나타나는데, 기름이 방울을 이루었다가 뭉치는 것으로 보아 기름 분자간에도 강한 상호 인력을 가지는 것처럼 보인다. 그러나 실제로 비극성 분자간에는 거의 인력이 작용하지 않으며, 위와 같은 현상이 일어나는 것은 물 분자간의 상호 인력이 기름 분자를 밀어낼 정도로 강하기 때문이다. 즉, 물 분자간의 상호 인력이 너무 강하므로 그러한 혼합된 시스템내에서는 비극성 분자를 밀어내는 힘이 더욱 강해진다. 이와 같은 힘은 단백질과 세포막의 구조를 이루는 데 있어 대단히 중요하다.
소수성, 세척제와 마요네즈
분자는 소수성(hydrophobic)일 수도 있고, 친수성(hydrophilic)일 수도 있으며 이 두 가지 성질을 모두 가지기도 한다. 위에서 언급했 던 기름과 같은 소수성 분자는 비극성(전하를 가지지 않음)이며 물에 의해 밀어내진다. 친수성 분자는 극성(전하를 가짐)이며 이온처럼 물과 쉽게 섞인다. 세척제 (detergent)는 위의 두 가지 성질을 다 가진다. 즉, 이것은 한 끝에 소수성, 다른 끝에 친수성을 가지고 있어 소수성인 분자는 물론 친수성인 분자와도 반응하는 것이다. 예를 들어 식기 세척제(detergent)는 접시에 남아 있는 기름과 주위의 물 분자 사이에 다리를 형성하여 접시로부터 기름을 떼어 흩어지게 한다. 또 다른 예를 들자면, 계란의 노른자에 다량 들어 있는 레시틴(lecithin)은 자연 세척제로 알려져 있는데, 이 물질은 식초(극성임) 분자와 샐러드 기름(비극성임) 사이에 다리를 형성할 수 있다. 이와 같은 이치에 따라 계란 노른자, 식초, 기름을 잘 섞어서 마요네즈를 만들 수 있다. 다음 장에서는 세포막내에서 위와 유사한 작용을 하는 인지질(phospholipid)이라고 불리는 분자에 대하여 언급 할 것이다.
물은 적시는 성질이 있다.
물은 적시는 성질이 있는데, 적신다는 것의 진정한 의미는 무엇인가? 적신다는 뜻은 물이 물체의 표면과 수소결합을 한다는 것을 의미 하는데, 비극성 물질로 이루어진 기름과는 수소결합이 이루어지지 않으므로 적실 수가 없다. 적셔지는 성질은 부착(adhesion ; 다른 물질간의 인력)의 결과라고 할 수 있다. 응집(cohesion)은 유사한 물질간의 인력을 말하는데, 물 분자간의 수소결합에 의하여 물은 상당한 응집력을 갖게 된다.
물이 고체의 표면에 붙거나 퍼지는 것은 물의 특성 중의 하나이다. 가는 유리관을 물이 담긴 비커에 넣으면 물은 관의 안쪽을 적시면서 물기둥을 이루어 수면보다 높이 솟는다. 관의 직경이 더 작은 것을 쓰면 물의 높이는 더 높아지는데, 이와 같은 현상을 모세관 작용(capillary action)이라고 하며, 이것은 물의 유리관에 대한 부착력과 물 분자간의 응집력에 의하여 일어난다.
또한 메스실린더 내의 물의 표면이 오목한 모양을 나타내는 것도 이 때문이다.
침윤(imbibition)은 모세관 작용이 축소된 것이라고 할 수 있는데, 표면에 부착된 물이 흡수(absorption)에 의하여 나무나 젤라틴과 같은 다공성 물질을 이동시키는 현상이다. 물이 안쪽으로 이동함에 따라 물질들이 부풀게 되는데, 이러한 팽창은 상당히 강한 힘을 발생하는 것으로 알려져 있으며 물을 흡수한 씨앗이 두꺼운 종피(씨 껍질)를 열고 나오는 것은 이의 좋은 예이다. 고대 이집트에서 피라미드의 건조에 사용되는 돌을 채석할 때 바위에 구멍을 내고 여기에 나무토막을 집어 넣어 물을 부은 후 바윗돌을 잘라 내었다고 한다.
물은 강한 표면장력을 가진다.
옛날에는 물컵에 바늘을 띄워 놓는 것을 하나의 마술로 여겼다. 바늘은 물에 뜰 수가 없는데 어떻게 이것이 가능한가? 그것은 표면장력(surface tension) 때문이다. 표면장력은 물의 응집력으로서 물과 공기가 접촉하는 면에서 물과 공기 사이의 인력보다 물 분자간의 인력이 훨씬 강력하게 작용함으로써 생긴다. 이것은 물과 공기 사이에는 수소결합이 형성되지 않지만 표면의 물 분자 사이에는 수소결합이 쉽게 형성되어 물의 표면에 상당히 강하고 탄력이 있는 막을 형성하기 때문이다. 물매암이와 소금쟁이가 물에 빠지지 않고 물 표면을 걸을 수 있는 것도 이와 같은 이유이다. 또한 물이 빗방울을 이루는 것도 바로 표면장력의 힘이다. 봄비가 보슬거리는 감촉을 주는 것도 이 때문이며, 만약에 빗방울이 방울을 이루지 않고 퍼진 채로 내린다면 기분 나쁜 감촉을 줄 것이다.
물, 열, 그리고 생명체
생명체와 관련지어 물의 가장 중요한 성질을 든다면 아마 물의 온도에 대한 안정성일 것이다. 물의 온도를 높이 는 데는 많은 양의 열이 필요하며 일단 뜨거워진 물은 쉽게 열을 잃지 않는다. 화학자들은 열의 효과에 대하여 많은 관심을 갖는데, 특정 물질의 온도를 올리는 데 요구되는 열의 양을 비열(specific heat)이라고 한다. 비열은 칼로리(calorie)로 표시되며, 1 칼로리는 물 1g을 1°C 올리는 데 필요한 열의 양에 해당한다. 다른 물질과 비교하여 물의 비열은 상당히 높으며, 1°C 올리는 데 납의 경우 0.30 cal, 에틸알코올은 0.60 cal, 암모니아수는 1.23 cal가 요구된다(이러한 이유 때문에 암모니아를 냉장고의 냉매로 씀). 흥미롭게도 암모니아 분자도 물처럼 수소결합을 형성함으로써 서로 결합하려는 성질을 가지고 있다.
물과 암모니아의 높은 비열은 양자가 모두 수소결합을 형성하는 공통점을 갖고 있기 때문이다. 화학자들은 물질을 이루는 분자들이 빠른 속도로 운동을 하면 열이 발생한다고 설명하는데, 이와 같이 분자의 운동으로 생성되는 열을 분자의 평균 운동에너지 (average kinetic energy, energy of motion)라고 한다. 분자는 보통의 조건하에서는 매우 빠른 속도로 무작위적인 운동을 하는데 물 속에서는 이러한 운동이 수소결합에 의하여 방해를 받는다. 이와 같이 수소결합이 존재하는 경우 수소결합에 의한 분자간의 인력을 극복하기 위해서는 외부로부터 상당한 양의 열을 가해야 한다. 어느 정도의 열이 외부로부터 가해지면 드디어 물 분자의 운동은 증가하고 그러한 운동량의 증가는 온도계의 상승으로 나타난다.
이미 잘 알려져 있듯이 물은 대부분의 다른 액체에 비해 쉽게 증발되지 않는다. 화학자들은 이것을 가리켜 “증발열이 높다”고 말한다. 1g의 물이 수증기로 변하는 데 필요한 열량은 540 cal로 알려져 있다. 이 열량은 에틸알코올의 2배 이상, 암모니아수의 거의 2배에 달한다.
물의 이와 같은 낮은 증발성은 온도를 조절하기 위하여 체표면으로부터 물을 증발시키는 인간과 같은 동물에 있어서 특히 중요한 역할을 하는데 이는 물이 증발할 때 다량의 열이 소모되기 때문이다. 지구 전체로 보면, 물이 대기로 증발되었다가 다시 지상으로 되돌아오는 과정에서 막대한 양의 열이 대기중으로 나갔다가 다시 지상에 재분배되는 과정을 되풀이하게 된다. 이와 같은 물과 열의 순환은 생물이 지구에서 생존할 수 있게 만드는 중요한 요인이다. 특히 지구상의 물은 양이 많을 경우 육지에 비하여 온도의 변화가 심하지 않기 때문에 생물의 서식에 적당한 조건을 갖추고 있다.
물이 식는 과정은 독특한 현상이라고 할 수 있다. 예를 들어 물이 얼 때는 상당히 많은 열을 주위에 내놓아야 하므로 천천히 언다. 물이 식기 시작하면, 분자들이 가까이 접근하며, 밀도가 높아지는데 4°C에서 최대의 밀도를 나타낸다. 수소결합은 더욱 강해져 분자 결정을 이룬다. 가을이 오면 호수의 차가운 물층이 호수 깊숙이 가라앉게 되는데, 이러한 현상에 의해 산소는 하층으로, 영양물질은 상층으로 운반된다. 물이 0°C에 가까워지면 물의 결정은 파괴되고 물 분자들은 서로 상당한 거리를 두고 떨어져 가장 낮은 밀도를 이루며, 얼음 결정이 생기면서 더욱 가벼워진다. 이와 같이 얼음 결정에서 분자간 거리가 떨어지는 것은 각 물 분자 주위에 4개의 수소결합이 생기기 때문이며, 찬 음료수를 마실 때 얼음 조각이 뜨는 이유는 바로 물의 밀도가 0°C에서 가장 낮기 때문이다.
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