2027학년도 · 고등학교 전문교과 · 생화학

2.1 수용액에서의 약한 상호작용

수소결합과 정전기 상호작용, 소수성 효과, 반데르발스 힘, 거대분자 안정화, 총괄성.

10 SECTIONS표 6그림 19인쇄 지원

01

수소결합은 물이 특별한 성질을 갖게 한다

물 = 굽은 구조(결합각 약 104.5°)와 큰 쌍극자 모멘트를 가진 극성 분자
물 1분자는 수소결합 2개를 주고 2개를 받을 수 있어 3차원 망상 구조 형성
수소결합은 피코초 규모로 끊기고 다시 만들어지는 동적 상태
망상 구조의 결과: 높은 비열·기화열·표면장력, 얼음의 낮은 밀도
이 성질들이 온도 완충, 증발 냉각, 모세관 수송, 수생 생태계 보호로 이어짐

그림 2.1-1물 분자의 굽은 구조와 인접 분자 사이의 수소결합. 그림은 결합 원리의 개념도이며 원자 간 거리·각도를 축척으로 표현하지 않았다.

그림 2.1-2액체 물의 유동적인 국소 수소결합 배열과 얼음의 열린 격자를 대비한 개념 모형.

표 2.1-1물의 성질과 생물학적 의미

02

물은 극성 용질과 수소결합을 한다

극성 용질의 –OH·C=O·–NH·–COO⁻·–NH₃⁺기가 물과 수소결합
수화가 결정 격자 인력을 보상하므로 당·아미노산·짧은 펩타이드가 잘 용해
수소결합은 방향과 거리에 민감 → 결합의 특이성 확보
공여체·수용체 구분: –OH는 양쪽 가능, C=O는 수용체, N–H는 공여체

그림 2.1-3다수의 하이드록시기와 주변 물 분자의 수소결합을 단순화한 도식. 특정 당의 정확한 구조식이 아니다.

표 2.1-2생물학적 작용기의 수소결합 공여체와 수용체

03

물은 전하를 띤 용질과 정전기적으로 상호작용한다

이온-쌍극자 상호작용: 양이온은 산소의 고립전자쌍, 음이온은 수소 쪽과 결합
수화 껍질이 전하 사이 인력을 차폐해 유효 상호작용을 약화
물의 유전율 ≈ 78(25°C) → 진공 대비 정전기적 힘이 크게 감소
용해는 격자 해체(에너지 필요) + 수화(안정화) + 입자 분산(엔트로피 증가)의 합으로 결정
F = k·q₁q₂/(ε·r²) → 단백질 표면 염다리는 진공 조건보다 훨씬 약함

F = (1 / 4πε₀εr) × |q₁q₂| / r²

그림 2.1-4양이온과 음이온 주변 수화 방향의 차이. 단순화한 개념도이므로 정확한 배위수·거리·물 분자 각도를 뜻하지 않는다.

그림 2.1-5이온 결정의 해체와 수화에 관한 단계별 개념도. 실제 용해는 동시적으로 진행되며 그림의 중간 상태가 반드시 분리·관찰되는 것은 아니다.

04

결정 물질이 용해하면서 엔트로피가 증가한다

결정은 배치 가능한 배열이 적고 용액은 입자가 분산되어 미시상태 수가 증가
분산 엔트로피 증가가 격자 해체의 엔탈피 비용을 일부 상쇄
자발성은 ΔG = ΔH − TΔS로 판단, 엔트로피 항이 엔탈피를 넘으면 유리
‘녹으면 언제나 전체 엔트로피가 증가한다’는 일반 법칙이 아님
용질·용매·수화수 모두의 엔트로피 변화를 함께 고려해야 함

ΔG = ΔH − TΔS

그림 2.1-6용질 입자의 분산이 배치 가능성에 미치는 영향을 나타낸 이상화 모형. 실제 용해 열역학 계산을 뜻하지 않는다.

표 2.1-3결정 용해에 기여하는 열역학적 요인

05

비극성 기체는 물에 잘 녹지 않는다

비극성 기체는 물의 수소결합망에 공동(cavity)을 만들어야 하므로 용해도가 낮음
공동 주변 물이 질서화되어 엔트로피 비용 발생(소수성 수화)
헨리 법칙: 일정 온도에서 용해도는 부분 압력에 비례
온도가 오르면 기체 용해도 감소 → 따뜻한 물의 용존산소 감소
O₂·CO₂의 낮은 용해도가 수중 호흡과 광합성의 제약 조건이 됨

c = kH × p

그림 2.1-7헨리 법칙에서 부분 압력과 농도의 비례관계를 보여주는 정규화된 이론 직선. 실제 O₂·CO₂ 측정값이 아니다.

06

비극성 화합물은 물의 구조에 에너지적으로 불리한 변화를 일으킨다

비극성 표면 주위의 질서화된 물이 방출되며 얻는 엔트로피가 소수성 효과의 구동력
소수성 기 사이의 인력이 아니라 물의 자유에너지 변화가 원인
양친매성 분자는 임계 농도의 위에서 소포·이중층으로 자기조립
결과: 막 이중층 형성, 단백질 소수성 핵 형성, 미셀, 리간드 결합
단백질 접힘에서 소수성 잔기가 내부로, 친수성 잔기가 표면으로 배치

그림 2.1-8비극성 표면이 서로 가까워질 때 물에 접촉하는 전체 표면적이 감소하는 개념도.

그림 2.1-9미셀과 지질 이중층의 대표적 배열. 지질·계면활성제 종류에 따라 실제 형성과 구조는 달라진다.

07

반데르발스 상호작용은 원자 간의 약한 인력이다

전자밀도의 순간적 요동이 유도 쌍극자를 만들어 약한 인력 발생
인력은 1/r⁶에 비례, 가까운 거리에서는 강한 반발 → 최적 접촉 거리 존재
개별 결합 0.4~4kJ/mol로 매우 약함
상보적 표면에서 수백 개가 동시에 작용해 큰 결합 에너지로 누적
효소 활성 부위·항체-항원 계면·DNA-단백질 접촉의 형태 상보성에 기여

U(r) = 4ε[(σ/r)¹² − (σ/r)⁶]

그림 2.1-10순간 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 런던 분산력을 나타낸 모형.

그림 2.1-11레너드-존스 퍼텐셜의 계산 그래프. ε = 1, σ = 1로 정규화한 이론 모델이며 실험 자료가 아니다.

08

약한 상호작용들은 여러 형태로 함께 나타난다

실제 계면은 수소결합·이온쌍·소수성 접촉·반데르발스 패킹이 함께 작용
개별 에너지는 작지만 합산하면 수십 kJ/mol 규모
기하학적 적합성이 요구되어 결합이 ‘강하게’보다 ‘선택적으로’ 이루어짐
약한 결합이라 큰 에너지 없이 끊고 다시 만들 수 있어 동적 조립이 가능
결합의 특이성은 가장 강한 힘이 아니라 모양·전하·수화의 조합에서 나옴

ΔG° = −RT ln K

표 2.1-4비공유 상호작용의 종류

그림 2.1-12단백질-리간드 결합에서 여러 비공유 상호작용이 함께 작동하는 개념도.

09

약한 상호작용은 거대분자의 구조와 기능에 중요하다

단백질 3차 구조 = 소수성 핵 + 주사슬 수소결합 + 곁사슬 패킹
핵산 = 염기쌍 수소결합 + 염기 적층(스태킹)
막 = 소수성 효과로 이중층 형성, 머리기 상호작용이 표면 성질 결정
분자 인식(효소-기질·호르몬-수용체·항체-항원)이 같은 상호작용 조합을 사용
알로스테리 = 약한 접촉의 작은 변화가 큰 규모의 입체형태 변화로 전파
열 변성은 약한 상호작용이 먼저 무너져 고차 구조가 소실되는 현상

그림 2.1-13단백질 주사슬, DNA 이중나선 및 지질막에서 나타나는 주요 비공유 상호작용을 개념적으로 비교한 그림.

그림 2.1-14두 형태가 다른 자유에너지 극소를 갖는 단순 모델. 임의 단위의 개념 모형으로 특정 단백질의 실측 값이 아니다.

10

용질은 수용액의 총괄성에 영향을 준다

총괄성 = 입자 수에만 의존하고 입자의 종류와 무관한 성질
증기압 내림 p = x용매·p°, 끓는점 오름 ΔTb = i·Kb·m, 어는점 내림 ΔTf = i·Kf·m(물 Kf ≈ 1.86)
삼투압 π = iMRT, 반투막을 통해 용매가 고농도 쪽으로 이동
삼투농도 = 삼투 활성 입자의 총량, 등장성 = 특정 막에서 세포 부피 변화가 지속되지 않는 상태
삼투농도와 등장성은 같은 개념이 아님(막 투과성에 따라 달라짐)
몰랄농도는 용매 질량 기준이라 온도에 따른 부피 변화의 영향을 받지 않음
생명 현상: 세포 부피 조절, 식물 팽압, 어는점 내림을 이용한 내한성

ΔTf = i × Kf × m

π ≈ iMRT

그림 2.1-15용액의 네 가지 총괄성 및 용질 입자 수 증가에 따른 기본 방향.

표 2.1-5네 가지 총괄성

그림 2.1-16용질의 몰랄농도에 따른 어는점 내림. 물의 Kf = 1.86을 이용한 이상 용액 이론값(실측 아님).

그림 2.1-17반투막을 사이에 둔 삼투의 개념도. 용질이 막을 통과하지 못하는 이상화 상황이다.

그림 2.1-18°C에서의 이상 삼투압 예측 직선. NaCl은 i = 2라는 이상적 완전 해리 가정을 사용했다.

그림 2.1-19저장액·등장액·고장액에서 동물세포의 상대적인 형태 변화. 실제 변화는 세포 종류, 막 투과성과 노출 시간에 따라 달라진다.

표 2.1-6농도 단위와 삼투성

참조 자료 · References

**표 2.1-1**물의 성질과 생물학적 의미
물의 성질	분자 수준 설명	생물학적 의미
높은 비열	분자 운동 및 수소결합망의 에너지 변화	온도 변동 완화
높은 기화열	액체에서 기체로의 전환에 많은 에너지 필요	증발 냉각
응집력·표면장력	표면 형성의 자유에너지 비용	물의 이동과 계면 현상
얼음의 낮은 밀도	열린 고체 격자의 형성	수면 결빙과 수중 환경 보호
높은 유전율	이온 사이 정전기 상호작용의 감소	이온성 물질의 수화와 용해

**표 2.1-2**생물학적 작용기의 수소결합 공여체와 수용체
작용기·분자	대표적인 역할	생체 예
하이드록시기 –OH	공여·수용(상황 의존)	당·세린 잔기
카보닐기 C=O	산소가 수용체	펩타이드 결합
아마이드 –NH–	N–H가 공여체	폴리펩타이드 주사슬
카복실산염 –COO⁻	산소가 수용체·전하 상호작용	아스파트산 잔기
암모늄기 –NH₃⁺	N–H가 공여체·양전하	라이신 잔기

**표 2.1-3**결정 용해에 기여하는 열역학적 요인
요소	대표적 기여	주의점
결정 격자 해체	입자 간 인력 극복 → 에너지 필요	격자 종류·용해 과정에 따라 다름
수화/용매화	새 용질-물 상호작용 → 흔히 안정화	물 분자 배열·엔트로피도 달라짐
용질 입자 분산	배치 가능성 증가 경향	총 ΔS와 동일하지 않음
전체 ΔG	ΔH와 TΔS의 합성 결과	온도·농도·포화 상태에 의존

**표 2.1-4**비공유 상호작용의 종류
상호작용	주요 원리	예시	중요한 조건
수소결합	X–H···Y의 방향성 있는 상호작용	펩타이드 주사슬, 염기쌍	방향·수화 경쟁
정전기	전하·부분 전하 사이의 힘	염다리, 이온-쌍극자	이온 강도·유전율
반데르발스	쌍극자·분산력과 가까운 거리 반발	기질의 접촉·염기 쌓임	거리·표면의 맞물림
소수성 효과	비극성 표면의 수화 자유에너지	단백질 내부·지질 막	온도·분자 크기·용매

**표 2.1-5**네 가지 총괄성
성질	묽은 이상 용액 식	해석·단위
증기압 내림	p₍용매₎ = x₍용매₎ × p°	비휘발성 용질, 이상 용액, 몰분율
끓는점 오름	ΔTb = iKb m	Kb: 끓는점 오름 상수 (°C·kg/mol)
어는점 내림	ΔTf = iKf m	물의 Kf ≈ 1.86 °C·kg/mol
삼투압	π = iMRT	M: mol/L, R: L·atm/(mol·K)

**표 2.1-6**농도 단위와 삼투성
개념	어떻게 정해지는가	주의할 점
몰농도 M	용질 화학종의 양 / 용액 부피	온도에 따른 부피 변화 가능
몰랄농도 m	용질 화학종의 양 / 용매 질량	부피가 아닌 용매 질량
삼투농도	삼투 입자의 양 / 용액 부피	이온 비이상성·분석법 고려
등장성	특정 세포막에서 지속적인 세포 부피 변화 없음	막을 통과하는 용질은 별도 고려

물 분자의 굽은 구조와 인접 분자 사이의 수소결합. 그림은 결합 원리의 개념도이며 원자 간 거리·각도를 축척으로 표현하지 않았다. — 그림 2.1-1물 분자의 굽은 구조와 인접 분자 사이의 수소결합. 그림은 결합 원리의 개념도이며 원자 간 거리·각도를 축척으로 표현하지 않았다.

액체 물의 유동적인 국소 수소결합 배열과 얼음의 열린 격자를 대비한 개념 모형. — 그림 2.1-2액체 물의 유동적인 국소 수소결합 배열과 얼음의 열린 격자를 대비한 개념 모형.

다수의 하이드록시기와 주변 물 분자의 수소결합을 단순화한 도식. 특정 당의 정확한 구조식이 아니다. — 그림 2.1-3다수의 하이드록시기와 주변 물 분자의 수소결합을 단순화한 도식. 특정 당의 정확한 구조식이 아니다.

양이온과 음이온 주변 수화 방향의 차이. 단순화한 개념도이므로 정확한 배위수·거리·물 분자 각도를 뜻하지 않는다. — 그림 2.1-4양이온과 음이온 주변 수화 방향의 차이. 단순화한 개념도이므로 정확한 배위수·거리·물 분자 각도를 뜻하지 않는다.

이온 결정의 해체와 수화에 관한 단계별 개념도. 실제 용해는 동시적으로 진행되며 그림의 중간 상태가 반드시 분리·관찰되는 것은 아니다. — 그림 2.1-5이온 결정의 해체와 수화에 관한 단계별 개념도. 실제 용해는 동시적으로 진행되며 그림의 중간 상태가 반드시 분리·관찰되는 것은 아니다.

용질 입자의 분산이 배치 가능성에 미치는 영향을 나타낸 이상화 모형. 실제 용해 열역학 계산을 뜻하지 않는다. — 그림 2.1-6용질 입자의 분산이 배치 가능성에 미치는 영향을 나타낸 이상화 모형. 실제 용해 열역학 계산을 뜻하지 않는다.

헨리 법칙에서 부분 압력과 농도의 비례관계를 보여주는 정규화된 이론 직선. 실제 O₂·CO₂ 측정값이 아니다. — 그림 2.1-7헨리 법칙에서 부분 압력과 농도의 비례관계를 보여주는 정규화된 이론 직선. 실제 O₂·CO₂ 측정값이 아니다.

비극성 표면이 서로 가까워질 때 물에 접촉하는 전체 표면적이 감소하는 개념도. — 그림 2.1-8비극성 표면이 서로 가까워질 때 물에 접촉하는 전체 표면적이 감소하는 개념도.

미셀과 지질 이중층의 대표적 배열. 지질·계면활성제 종류에 따라 실제 형성과 구조는 달라진다. — 그림 2.1-9미셀과 지질 이중층의 대표적 배열. 지질·계면활성제 종류에 따라 실제 형성과 구조는 달라진다.

순간 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 런던 분산력을 나타낸 모형. — 그림 2.1-10순간 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 런던 분산력을 나타낸 모형.

레너드-존스 퍼텐셜의 계산 그래프. ε = 1, σ = 1로 정규화한 이론 모델이며 실험 자료가 아니다. — 그림 2.1-11레너드-존스 퍼텐셜의 계산 그래프. ε = 1, σ = 1로 정규화한 이론 모델이며 실험 자료가 아니다.

단백질-리간드 결합에서 여러 비공유 상호작용이 함께 작동하는 개념도. — 그림 2.1-12단백질-리간드 결합에서 여러 비공유 상호작용이 함께 작동하는 개념도.

단백질 주사슬, DNA 이중나선 및 지질막에서 나타나는 주요 비공유 상호작용을 개념적으로 비교한 그림. — 그림 2.1-13단백질 주사슬, DNA 이중나선 및 지질막에서 나타나는 주요 비공유 상호작용을 개념적으로 비교한 그림.

두 형태가 다른 자유에너지 극소를 갖는 단순 모델. 임의 단위의 개념 모형으로 특정 단백질의 실측 값이 아니다. — 그림 2.1-14두 형태가 다른 자유에너지 극소를 갖는 단순 모델. 임의 단위의 개념 모형으로 특정 단백질의 실측 값이 아니다.

용액의 네 가지 총괄성 및 용질 입자 수 증가에 따른 기본 방향. — 그림 2.1-15용액의 네 가지 총괄성 및 용질 입자 수 증가에 따른 기본 방향.

용질의 몰랄농도에 따른 어는점 내림. 물의 Kf = 1.86을 이용한 이상 용액 이론값(실측 아님). — 그림 2.1-16용질의 몰랄농도에 따른 어는점 내림. 물의 Kf = 1.86을 이용한 이상 용액 이론값(실측 아님).

반투막을 사이에 둔 삼투의 개념도. 용질이 막을 통과하지 못하는 이상화 상황이다. — 그림 2.1-17반투막을 사이에 둔 삼투의 개념도. 용질이 막을 통과하지 못하는 이상화 상황이다.

°C에서의 이상 삼투압 예측 직선. NaCl은 i = 2라는 이상적 완전 해리 가정을 사용했다. — 그림 2.1-18°C에서의 이상 삼투압 예측 직선. NaCl은 i = 2라는 이상적 완전 해리 가정을 사용했다.

저장액·등장액·고장액에서 동물세포의 상대적인 형태 변화. 실제 변화는 세포 종류, 막 투과성과 노출 시간에 따라 달라진다. — 그림 2.1-19저장액·등장액·고장액에서 동물세포의 상대적인 형태 변화. 실제 변화는 세포 종류, 막 투과성과 노출 시간에 따라 달라진다.

2027학년도 고등학교 전문교과 · 생화학 · 박상일(아산고등학교) · 본 인쇄물의 참조 자료는 본문 뒤 부록으로 이어집니다.