아미노산은 우리가 흔히 알고 있는 것처럼 우리 몸의 3대 영앙소 중 하나인 단백질의 기본 단위로, 중합 반응을 통해 단백질을 합성하고 합성된 단백질은 종류에 따라 각기 다른 기능을 수행합니다. 아미노산의 구조는 그림 1과 같은데, 중앙에 있는 탄소를 중심으로 수소 원자($\mathrm{H}$), 아미노기($\mathrm{-NH_2}$), 카복시기($\mathrm{-COOH}$), 곁사슬($\mathrm{R}$)로 이루어져 있습니다. 이때, 곁사슬인 $\mathrm{R}$로 어떤 것이 오느냐에 따라 아미노산의 종류가 결정됩니다. 아미노산의 대표적인 특징은 양쪽성 물질 Amphoteric Substances로 한 분자 안에 산성을 띠는 카복시기와 염기성을 띠는 아미노기가 동시에 존재한다는 것입니다. 이에 따라 아미노산은 자신이 존재하는 용액의 pH에 따라 구조를 변형시키먼서 산성 또는 염기성, 혹은 중성으로도 작용한답니다.
적정이란 모르는 물질의 농도를 이미 알고 있는 물질의 반응량을 측정하여 앙적 분석을 통해 알아내는 실험 기법입니다 여러분은 중화 반응을 이용한 산염기 적정을 통해 적정의 개념을 어느 정도 알고 있을 것입니다. 적정에는 앞서 설명드린 양쪽성 물질인 아미노산 또한 이용됩니다. 아미노산 적정을 이해하기 위해서는 우선 $\mathrm{pK_a}$에 대해 알아야 합니다. $\mathrm{pK_a}$란 산의 세기를 나타내기 위한 평형상수인 $\mathrm{K_a}$를 변형한 것으로, $\mathrm{K_a}$는 아래의 식으로부터 알 수 있듯이 물질로부터 수소 이온 $\mathrm{H^+}$이 얼마나 잘 떨어지는지를 나타내는 값입니다.


식을 보면 산의 세기를 뜻하는 $\mathrm{[H_3O^+]}$가 클수록 물질은 큰 $\mathrm{K_a}$값을 가집니다. 여기서 $\mathrm{K_a}$의 경우 단위가 커지면 사용할 때에 불편하기 때문에 편의를 위해 만든 것이 바로 $\mathrm{pK_a}$입니다. 산의 세기가 큰 물질일수록 작은 $\mathrm{pK_a}$값을 가지며, 이 관계를 수식화하면 $\mathrm{pK_a = -logK_a}$입니다.


위의 그림은 염산을 이용하여 산성을 띠게 한 글라이신 수용액에 수산화 나트륨을 조금씩 가하면서 $\mathrm{pH}$를 측정한 아미노산 적정 곡선인데요. 여기서 우리는 염기인 수산화 나트륨을 추가해도 $\mathrm{pH}$가 잘 변하지 않는 완충 구간들을 확인할 수 있습니다. 먼저 $\mathrm{pK_1}$ 구간은 산성을 띠는 카복시기에서 수소 이온이 떨어지는 과정이 일어나는 완충 구간으로, $\mathrm{pK_1}$의 값은 카복시기의 $\mathrm{pK_a}$값에 해당합니다. 그리고 $\mathrm{pK_2}$ 완충 구간에서는 염기성을 띠는 아미노기에서 수소 이온이 떨어지는데, $\mathrm{pK_2}$의 값은 염기성을 띠는 아미노기의 $\mathrm{pK_a}$값을 나타냅니다. 또한 두 구간에서는 $\mathrm{pH}$값과 $\mathrm{pK_a}$값이 동일한데, $\mathrm{pH}$와 $\mathrm{pK_a}$의 관계는 아래의 헨더슨-하셀바흐 식을 통해 알 수 있습니다.



성질에 따라 아미노산의 구조가 변하는 양상은 그림 3과 같고, 왼쪽부터 각각 양이온, 중성, 음이온 상태의 구조입니다. $\mathrm{pH}$가 $\mathrm{pK_a}$와 동일하기 위해서는 헨더슨-하셀바흐 식에 따라 우변의 두 번째 항이 0이 돼야 하기 때문에 짝산과 짝염기가 같은 농도로 존재해야 합니다. 이에 따라 $\mathrm{pK_1}$지점에서는 제일 왼쪽 구조와 가운데 구조가 1:1의 비율로 존재하여 물질의 알짜 전하가 0.5이고, $\mathrm{pK_2}$지점에서는 가운데 구조와 제일 오른쪽 구조가 1:1의 비율로 존재하여 물질의 알짜 전하가 –0.5임을 알 수 있습니다. 이때, 적정 곡선에서 확인할 수 있는 변곡점 중 가운데에 해당하는 지점이 분자의 알짜 전하가 0인 등전점이라 합니다. 등전점에서의 $\mathrm{pH}$는 아미노산의 종류에 따라 다르게 나타나기도 합니다.

지금까지 아미노산의 특징을 활용한 적정 과정을 분석해 보았는데요. 이번 글이 재미있었다면, 혹은 더 나아가 심화 내용이 궁금하다면, 생화학이나 세포생물학의 다른 부분도 공부해보는 것은 어떨까요?