수소 결합

수소 결합

*수소 결합은 흔히, 질소나 산소, 플루오린과 같이 전기 음성도가 매우 큰 원자와 수소가 결합하고 있는 분자에서 나타나는 인력이라고 정의한다. 그러나 더 구체적으로 설명한다면, 수소 결합이란 전기 음성도가 매우 큰 원자에 결합한 수소 원자와 또 다른 전기적 음성 원자의 비공유 전자쌍 사이에 작용하는 강한 분자 간 힘이다. 예를 들어, 물은 부분적으로 양전하를 띤 수소 원자와 인접한 물 분자의 비공유 전자쌍 사이에서 수소 결합을 한다. 수소 결합이 다른 분자 간 힘에 비해 비정상적으로 강한 이유는 두 가지로 설명할 수 있다. 첫 번째로, N-H, O-H, F-H와 같이 전기 음성도가 많이 차이 나는 두 원자가 결합하고 있어 극성이 매우 크기 때문이다. 두 번째로는 수소 원자가 핵을 가려 막을 수 있는 내부 전자를 갖고 있지 않고 크기가 매우 작기 때문에 분자들이 매우 가깝게 접근할 수 있기 때문이다. 이런 점에서 물 분자들은 특히 강한 수소 결합을 하게 되는데, 2개의 수소와 2쌍의 비공유 전자쌍을 갖기 때문이다. 따라서 물은 수소 결합을 통해 광대한 삼차원 그물 구조를 형성할 수 있다. 물의 수소 결합 때문에 나타나는 여러 가지 특성은 다음 중단원에서 설명한다. 수소 결합은 탄소 사슬 구조를 갖는 유기 분자들에서도 매우 중요하다. 예를 들어, 메탄올이나 에탄올은 비슷한 분자량의 다른 물질에 비해 훨씬 높은 끓는점을 나타내는 데, 그 이유는 이 물질들이 O-H 결합을 갖고 있어 수소 결합을 형성하기 때문이다. 또한 아세트산의 경우에는 한 분자에 2개의 산소 원자를 갖고 있어 두 곳에서 수소 결합이 가능하다. 이러한 두 분자 간의 수소 결합으로 인해 이합체를 형성하여 마치 두 분자가 한 분자처럼 행동하기도 한다.

*서로 같은 종류의 분자 간에 수소 결합이 작용할 때는 H와 공유 결합한 원소의 전기 음성도가 클수록 H의 δ+가 크므로 수소 결합이 강하게 작용한다. 서로 다른 종류의 분자 간에 수소 결합이 작용하는 경우에는 H와 수소 결합하는 원소의 전기 음성도가 작을수록 상대방 수소에게 전자를 제공하는 경향이 커지므로 수소 결합이 더 강하게 작용한다.

1. DNA 염기쌍에서의 수소 결합

왓슨-크릭 모형에 의하면 DNA는 이중 나선 구조를 갖고 있다. 당-인산 골격은 나선의 바깥쪽에 있고 아민 염기들은 안쪽에서 한 가닥의 염기가 두 번째 가닥의 염기를 향해 있다. 두 가닥은 서로 반대 방향으로 진행하며 염기쌍 사이의 수소 결합에 의해 서로 결합하고 있다. 아데닌(A)과 티민(T)은 서로 2개의 수소 결합을, 구아닌(G)과 사이토신(C)은 서로 3개의 수소 결합을 형성할 수 있기 때문에 아데닌(A)은 티민(T)과만 결합하고 구아닌(G)이나 사이토신(C)과는 결합하지 않는다. 즉, DNA의 이중 나선의 두 가닥은 서로 같지 않고 상보적이다. 예를 들어, 한 가닥에 아데닌(A)이 있으면 다른 한가닥에는 그것과 수소 결합할 수 있는 티민(T)이 있다.

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2. 단백질의 2, 3차 구조에서의 수소 결합

단백질의 2차 구조는 한 아미노산에 있는 카보닐기 중 산소 원자(C=O)의 비공유 전자쌍과, 다른 아미노산의 질소에 결합한 수소 원자(N-H) 사이의 수소 결합이 여러 개 상호 작용하면서 형성된다. 알파 나선(α-helix) 구조와 베타 병풍(β-pleated sheet) 구조가 알려져 있다. 단백질의 3차 구조는 수소 결합, 쌍극자-쌍극자 힘, 이온 결합, 공유 결합, 무극성 원자단 간의 분산력 등 다양한 상호 작용에 의해 유지된다. 이 중 3차 구조의 안정화에 기여하는 가장 중요한 힘은 아미노산의 탄화수소 곁사슬의 소수성 상호 작용(분산력)이라 볼 수 있고, 그 외에 시스테인의 경우에 특별히 적용되는 이황화 결합(S-S 공유 결합)도 중요하게 작용한다.