“생명현상은 단백질의 입체구조입니다. 이것은 모두 수소결합과 관계가 있습니다.”
"수소결합을 이해하면 분자생물학의 50%를 이해할 수 있습니다."

“DNA의 구조에서 수소결합이 결정적인 역할을 하기 때문에

지금 이 순간에도 우리의 생명활동을 떠받치고 있는 것이 수소결합입니다."
박문호 박사님의 뇌과학 강연 첫번째 시간에 박사님이 하신 말씀입니다.

수소결합에 대해 어렴풋한 느낌만 가지고 있었는데, 그 수업을 들은 이후로
수소결합이 영 마음에 걸려 한 번 정리해 보고 싶었습니다.
다음은 <필수세포생물학>에서 관련내용을 요약한 것입니다. ----

원자란 어떤 물체를 구성하는 가장 작은 화학적 단위로서 그 나름대로의 화학적 특성을 갖고 있습니다. 하지만 어떤 물체의 화학적 특성은 원자보다는 이들이 결합하여 이루는 분자에 의해 결정됩니다. 그러므로 생체의 화학적 특성을 이해하려면 화학결합을 이해해야 합니다.

원자는 양전기를 띠는 핵과 음전기를 띠는 전자구름으로 이루어져 있습니다. 핵은 다시 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다. 양성자의 수는 원자번호를 나타냅니다. 예를 들면 수소는 하나의 양성자를 가지므로 원자번호가 1, 탄소는 여섯 개의 양성자를 가지므로 원자번호가 6입니다. (질소는 원자번호가 7, 산소는 원자번호가 8입니다.)

각 양성자의 양전하는 전자의 음전하와 그 크기가 같습니다. 원자는 전기적으로 중성이므로 양성자의 수와 전자의 수는 일치합니다. 즉 전자의 수는 원자번호와 같습니다. (양성자의 수= 전자의 수 = 원자번호)

자연계에는 92개의 원소가 존재하며, 이러한 원자들의 양성자와 전자 개수는 각각의 원소마다 다릅니다. 그러나, 살아있는 유기체는 이 중에서 주로 몇 개의 원소로만 구성되는데, 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 산소(O)가 생물체 중량의 96.5%를 차지합니다.

- 최외각전자는 원자 간의 상호작용을 결정한다.

어떻게 원자들이 결합하여 생물체를 구성하는 분자를 형성하는가를 이해하기 위하여는 특히 전자에 주목해야 합니다. 양성자와 중성자는 핵 내에서 서로 강하게 결합되어 있으며, 살아있는 세포조직 내에서 위치를 옮길 수 있는 것은 오직 전자뿐입니다. 전자는 원자의 외각을 형성하고 있으며, 원자가 결합하여 분자를 이루는 화학법칙을 지배합니다.

전자들은 핵 주위를 끊임없이 돌고 있는데, 여기에는 일정한 법칙이 있어서 수많은 전자들이 어떤 특정한 형태의 궤도(전자각, electron shell) 내에서 머물게 됩니다. 양전하를 갖는 원자핵에 가장 가까이 존재하는 전자들은 최내각을 차지하는데, 이 전자각은 최대 2개의 전자를 수용할 수 있습니다. 두 번째 전자각은 8개까지의 전자를 수용할 수 있습니다. 두 번째 전자각은 핵으로부터 조금 더 멀리 떨어져 있으므로 최내각의 전자보다는 덜 강하게 묶여 있습니다. 세 번째 전자각 또한 8개까지의 전자를 수용할 수 있습니다. (네 번째와 다섯 번째 전자각은 각각 18개의 전자들을 수용할 수 있습니다. 다만, 4개 이상의 전자각을 갖고 있는 원자는 생물학적 분자들에서는 매우 드뭅니다.)

원자에서 전자배열은 모든 전자가 가능한 한 가장 단단하게 묶인 상태에서 (즉 전자들이 가장 안쪽의 전자각을 차지하고 있을 때) 가장 안정합니다. 그러므로 몇몇 예외를 제외하면 전자는 순서대로 최내각부터 전자를 채워나갑니다. 원자의 최외각이 전자들로 완전히 채워져 있을때 원자는 가장 안정하며 따라서 화학적으로 반응성이 없습니다. 예를 들면, 2개의 전자를 갖는 헬륨, 2+8개의 전자를 갖는 네온과 같은 것들이며 이들은 모두 불활성기체입니다. 이와 대조적으로 오직 한 개의 전자를 갖고 있는 (따라서 전자각이 반만 채워진) 수소는 매우 반응성이 큽니다. 마찬가지로, 생체조직에서 발견되는 모든 원자들은 외각 전자각이 완전히 채워지지 않았으며, 다른 원자들과 반응하여 분자들을 형성합니다.

채워지지 않은 전자각은 채워진 전자각에 비하여 불안정하기 때문에, 채워지지 않은 전자각을 갖는 원자들은 전자들을 얻거나 잃음으로서 완전히 채워진 최외각을 이루도록 다른 원자들과 상호작용하는 경향이 있습니다. 이러한 전자교환은 전자가 한 원자에서 다른 원자로 이동하거나, 두 원자 간에 전자를 공유함으로써 이루어집니다. 전자들이 한 원자에서 다른 원자로 이동하면 이온결합(ionic bond)이 형성되며, 반면에 두 원자들이 한 쌍의 전자들을 공유하면 공유결합(covalent bond)을 형성합니다. 흔히 한 쌍의 전자들은 원자들 사이에서 한 쪽으로 치우친 불균등한 공유를 합니다. 이를 극성 공유결합(polar covalent bond)라고 합니다. 극성 공유결합은 원자들마다 전자를 끌어당기는 힘이 다르기 때문에 생깁니다.

H원자는 그 원자각을 채우기 위하여  한 개의 전자를 더 필요로 하는데, 일반적으로 전자를 공유하여 다른 원자와 결합을 형성합니다. 많은 경우에 이 결합은 극성을 갖습니다. 생체 세포에서 수소 이외에 많은 원소들(예컨대 불완전한 두 번째 전자각을 갖는 C, N, O, 그리고 불완전한 세 번째 전자각을 갖는 P(인),S(황) 은 일반적으로 전자를 공유하여 여러 개의 공유결합을 형성함으로써 8개의 전자를 채운 최외각전자각을 완성합니다. 채워진 외각전자각을 얻기 위해 원자들이 공유하거나 이동을 통하여 얻거나 잃어야 하는 전자의 수를 그 원자의 원자가(valence)라고 합니다.

-이온결합은 전자를 잃거나 얻음으로써 형성된다.

이온결합은 채워진 외각전자각보다 전자를 한두 개 더 갖고 있거나 부족한 원자들 사이에서 형성됩니다. 이러한 원자들은 전자들을 공유하기 보다는 한 원자로부터 다른 원자로 전자를 주거나 받음으로써 완전히 채워진 외각전자각을 얻을 수 있습니다. 예를 들면, 원자번호 11인 나트륨(Na)원자는 두 번째 전자각 밖에 있는 한 개의 전자를 내어주면 채워진 전자각을 만들 수 있습니다. 원자번호 17인 염소(Cl) 원자는 한 개의 전자를 얻으면 채워진 외각전자각을 완성할수 있습니다. 결론적으로 만약 Na원자가 Cl원자를 만나면 나트륨으로부터 염소로 한 개의 전자가 옮아감으로써 두 원자 모두 채워진 외각전자각을 됩니다.

이온결합은 원자들 사이에 존재하는 여러 종류의 비공유결합(noncovalent bond)중의 하나입니다. 수소결합은 또 다른 비공유결합의 예입니다.

-공유결합은 전자를 공유함으로써 형성된다.

세포의 모든 특성은 세포가 포함하고 있는 분자들에 의해 결정됩니다. 분자는 공유결합에 의해 서로 결합된 원자들의 집합체이며, 공유된 전자들은 양쪽 원자들의 외각전자각을 완성합니다.  가장 단순한 분자인 수소분자를 예로 들면 두 H원자는 각각 한 개씩 가지고 있는 전자를 공유하여 첫 번째 전자각을 채우는 데 필요한 전자수인 두 개의 전자를 공유하게 됩니다.

H원자가 오직 한 개의 공유결합을 형성할 수 있는데 비해, 세포내에서 공유결합을 형성하는 다른 원자들은 한 개 이상의 공유결합을 형성합니다. 이러한 원자들의 최외각 전자각은 8개의 전자들을 수용할 수 있으며, 원자들은 이러한 8개의 전자를 채우기 위하여 다른 많은 원자들과 함께 공유결합을 형성합니다.

최외각전자각에 6개의 전자를 갖고 있는 산소는 2개의 전자를 얻어서 다른 원자들과 공유하여 2개의 공유결합을 형성할 때 가장 안정합니다. 5개의 최외각전자를 갖고 있는 질소는 최대 3개의 공유결합을 형성하며, 4개의 최외각전자를 갖고있는 탄소는 4개의 공유결합을 형성합니다. ( 이것이 박문호 박사님의 뇌과학 강연 첫 번째 시간에 박사님께서 산소는 결합할 수 있는 손이 2개, 질소는 손이 3개, 탄소는 손이 4개라고 말씀하신 것의 의미입니다. )

전형적인 공유결합은 열에너지에 비해 100배 이상 강해서 열에 의해서는 분리되지 않으며, 특별한 화학반응에 의해서만 분리됩니다. 공유결합의 형성 및 분리는 세포내에서는 효소(enzyme)라 불리는 촉매에 의해 조절됩니다. 비공유결합은 일반적으로 이보다 훨씬 약한데 이 결합은 세포 내에서 분자들이 기능을 수행하는 과정에서 서로 결합하거나 분리될 때 매우 중요한 역할을 합니다.

대부분의 공유결합은 2개의 전자를 공유하는데 이러한 결합을 단일결합(single bond)이라고 합니다. 그러나 어떤 공유결합은 한 쌍 이상의 전자쌍을 공유하고 있습니다. 예를 들어, 4개의 전자가 공유될 수 있으며, 이와 같은 결합을 이중결합(double bond)이라고 부릅니다. 이중결합은 단일결합보다 짧고 강하며 이중결합을 포함하는 분자의 삼차원 구조에 특수한 영향을 줍니다. 두 원자 사이의 단일공유결합은 결합축을 중심으로 분자의 한 부분이 나머지 부분에 대한 상대적인 회전을 가능하게 합니다. 이중결합은 이러한 회전을 방해하여 원자배열을 더욱 단단하고 덜 유연하게 만듭니다.

원자들이 서로 다른 원소 사이의 단일공유결합에 의해 합해질 때, 그 두 원자들은 양전하의 상대적인 크기에 따라 서로 다른 정도로 공유된 전자들을 끌어당깁니다. 예를 들면, C원자에 비해 O나 N원자들은 상대적으로 세게 전자들을 끌어당기며, 반면에 H원자는 상대적으로 약하게 전자들을 끌어당깁니다. 이러한 경우 한쪽 끝에는 양전하들이 밀집해 있으며, 다른 한 쪽 끝에는 음전하들이 밀집해 있게 되는데, 이와 같이 전자가 불균등하게 공유된 공유결합을 극성(polar) 공유결합이라고 합니다.

극성 공유결합은 생물학에서 매우 중요한데, 왜냐하면 이 결합은 분자들이 전기적인 힘을 통하여 (음전하를 띤 부분과 양전하를 띤 부분이 서로 끌어당김으로써) 상호작용을 갖도록 하기 때문입니다.

-물은 수소결합에 의해 서로 연결되어 있다.

각각의 물 분자는 2개의 H원자가 공유결합에 의해 O원자에 연결되어 있는데, 두 결합은 높은 극성을 갖습니다. O원자는 전자를 강하게 끌어당기는 반면 H원자는 아주 약하게  끌어당기기 때문입니다. 결과적으로 물 분자 내에서 두 H원자 가까이에는 양전하가 우세하고, O원자 가까이에는 음전하가 우세한 전자들의 불균등한 분포가 발생합니다. 물 분자의 양전하 부분(H원자 중의 하나)이 또 다른 물 분자의 음전하 부분(O원자)과 근접하게 되면 두 분자 사이에 전기력은 수소결합(hydrogen bond)이라고 하는 약한 결합을 형성하게 됩니다. 이러한 결합은 공유결합에 비해 훨씬 약하기 때문에 분자의 열에너지에 의해 쉽게 끊어지며, 매우 짧은 시간 동안만 지속됩니다. 그러나 많은 수소결합이 합해진 효과는 무시할 수 없을 정도가 됩니다.

모든 수소원자가 수소결합을 형성하는 것은 아닙니다. 수소 결합은 극성 공유결합에 의해 분자 내에서 양전하를 갖게 된 H 원자가 다른 분자내에 있는 음전하를 갖고 있는 원자 (주로 산소나 질소)와 가까이 접근하게 되면 언제든지 형성될 수 있습니다.

수소결합은 단일한 큰 분자 내의 서로 다른 부분들 사이에서도 만들어 질 수 있으며, 이때의 수소결합은 구조의 안정성을 유지하는데 도움을 줍니다. 이러한 수소결합은 거대분자들이 독특한 방법으로 접히거나 다른 분자들과 선택적으로 결합하게 하는 약한 비공유결합 종류 중 하나입니다.

-비공유결합은 거대분자의 정확한 모양을 결정한다

거대분자에 있는 단일공유결합의 대부분은 결합된 원자들이 회전하는 것을 허용하며 큰 유연성을 갖습니다. 그러나 분자의 다른 부분들 사이에 형성된 약한 비공유결합 때문에 대부분의 생물학적 거대분자의 모양은 제한되어 있습니다. 사실상 세포에서 발견되는 모든 단백질 분자와 많은 작은 RNA분자들은 이러한 방법으로 한 가지의 매우 선택적인 형태로 단단하게 접혀있습니다. (만약 이러한 안정된 형태를 유지시키는 약한 결합들이 파괴되면, 분자들은 생물학적 가치가 없는 가변적인 사슬로 변하게 됩니다.)

수소결합은 DNA 이중나선에서 두 가닥을 연결해주는 역할도 하는데 각각의 수소결합은 약하기 때문에 유전정보를 복제할 필요가 있을 때에는 효소가 두 개의 가닥을 쉽게 분리할 수 있습니다.