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이온화 상수

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1. 개요

이온화 상수는 산, 염기, 단백질과 리간드, 항체와 항원, 물 등 다양한 화학 반응에서 이온화 또는 결합의 정도를 나타내는 상수이다. 산 해리 상수(Ka)는 산이 수용액에서 이온화되어 수소 이온을 생성하는 정도를 나타내며, 염기의 이온화 상수와 함께 산-염기 세기를 측정하는 데 사용된다. 단백질-리간드 결합에서 해리 상수(Kd)는 리간드가 단백질에 결합하는 친화도를 나타내며, 항체-항원 결합에서는 친화도 상수(Ka)가 결합의 정도를 나타낸다. 물의 해리 상수(Kw)는 물의 자동 이온화 반응에서 수소 이온과 수산화 이온의 농도 곱을 나타낸다.

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    해리는 분자, 복합체, 또는 이온이 더 작은 구성 요소로 분리되는 과정을 의미하며, 해리 상수는 화학 평형 상태에서 반응의 정도를 측정하는 데 사용된다.
이온화 상수
일반 정보
정의화학에서 해리 반응의 정도를 나타내는 평형 상수
기호K 또는 Kd
관련 개념산 해리 상수
상세 정보
적용 분야산-염기 반응, 금속-리간드 착물, 단백질 결합 등
영향 요인온도, 압력, 이온 강도
측정 방법분광법, 전기 전도도 측정법, 열량 측정법
해리도와의 관계해리도는 해리 상수를 통해 계산 가능함
산 해리 상수 (Ka)산의 해리 정도를 나타내는 해리 상수의 특별한 경우
염기 해리 상수 (Kb)염기의 해리 정도를 나타내는 해리 상수의 특별한 경우
참고 사항
해리 상수 값의 의미값이 클수록 해리가 잘 일어남
온도에 따른 변화해리 상수는 온도에 따라 변함
용매 효과용매의 종류에 따라 해리 상수가 달라짐

2. 산 해리 상수

해리 상수(acid dissociation constant, K_a)는 산이 과 같은 용매 속에서 얼마나 해리(이온화)되는지를 나타내는 평형 상수 값이다. 산 이온화 상수라고도 부르며, 이 값이 클수록 산이 더 많이 이온화되어 수소 이온(H⁺)을 내놓으므로 더 강한 산임을 의미한다. 반대로 K_a 값이 작으면 약한 산이다. 예를 들어, 황산(H₂SO₄)이나 인산(H₃PO₄)과 같은 강산은 K_a 값이 크고, 아세트산(CH₃COOH)과 같은 약산은 K_a 값이 작다.

산-염기의 세기를 나타내는 척도로는 아레니우스의 개념(K_\mathrm{H^+}, K_\mathrm{OH^-})도 있지만, 브뢴스테르-로우리나 루이스의 산-염기 개념이 더 넓은 범위의 화학 반응을 설명할 수 있기 때문에, 일반적으로 산 해리 상수(K_a)가 산-염기 세기의 주요 척도로 사용된다.

산(\mathrm H_x \mathrm B)이 탈양성자화(deprotonation)되어 양성자(\mathrm H^+)를 내놓는 반응과 그 평형 상수인 산 해리 상수는 다음과 같이 일반식으로 나타낼 수 있다.


  • 일반 반응식: \mathrm H_x \mathrm B \rightleftharpoons\ x\mathrm H ^ + + \mathrm B ^ -
  • 산 해리 상수: K_a = {[\mathrm H ^ +]^x \cdot [\mathrm B ^ -] \over [\mathrm H_x \mathrm B]}


여기서 [\mathrm H ^ +], [\mathrm B ^ -], [\mathrm H_x \mathrm B]는 각각 평형 상태에서의 수소 이온, 짝염기, 해리되지 않은 산의 농도를 의미한다.

하나의 분자가 내놓을 수 있는 양성자의 수에 따라 산 해리 상수의 개수가 달라진다.

  • 일양성자산 (monoprotic acid): 양성자를 하나만 내놓을 수 있는 산 (예: 아세트산, 암모늄 이온). 해리 상수가 1개이다.
  • 다양성자산 (polyprotic acid): 양성자를 두 개 이상 내놓을 수 있는 산. 여러 단계에 걸쳐 해리되며, 각 단계마다 별도의 산 해리 상수를 가진다.
  • 이양성자산 (diprotic acid): 양성자를 두 개 내놓는 산 (예: 탄산, 중탄산염, 글리신). 해리 상수가 K_{a1}, K_{a2} 두 개이다.
  • 삼양성자산 (triprotic acid): 양성자를 세 개 내놓는 산 (예: 인산). 해리 상수가 K_{a1}, K_{a2}, K_{a3} 세 개이다.


예를 들어, 삼양성자산인 인산(\mathrm{H_3PO_4})은 다음과 같이 세 단계로 해리되며, 각 단계의 산 해리 상수는 아래와 같다. (25 °C 기준)

\mathrm{ H_3 PO_4 \rightleftharpoons\ H ^ + + H_2 PO_4 ^ -} \qquad K_{a1} = \mathrm{[H ^ +] \cdot [H_2 PO_4 ^ -] \over [H_3 PO_4]} = 7.5 \times 10^{-3}

\mathrm{H_2 PO_4 ^ - \rightleftharpoons\ H ^ + + H PO_4 ^ {2-}} \qquad K_{a2} = \mathrm{[H ^ +] \cdot [H PO_4 ^{2-} ] \over [H_2 PO_4^ -]} = 6.2 \times 10^{-8}

\mathrm{H PO_4 ^{2-} \rightleftharpoons\ H ^ + + PO_4 ^{3-}} \qquad K_{a3} = \mathrm{[H ^ +] \cdot [ PO_4 ^ {3-}] \over [H PO_4 ^ {2-} ]} = 4.8 \times 10^{-13}

아미노산과 같이 여러 작용기를 가진 분자도 여러 개의 해리 상수를 가질 수 있다. 아미노산의 경우 보통 pK_{a1} 값은 카복실기(–COOH)의 해리, pK_{a2} 값은 아미노기(–NH₃⁺)의 해리, 그리고 pK_{a3} 값은 곁사슬에 있는 작용기의 해리에 해당한다.

산 해리 상수 값은 매우 넓은 범위에 걸쳐 분포하기 때문에, 계산 및 비교의 편의를 위해 로그 값을 사용하여 pK_a로 나타내는 경우가 많다. pK_a는 다음과 같이 정의된다.

:\mathrm{p}K_a = -\log_{10}{K_a}

K_a 값이 클수록 강한 산이므로, pK_a 값은 작을수록 강한 산임을 의미한다.

약산의 구체적인 K_a 값과 그 짝염기의 염기 이온화 상수(K_b)는 관련 자료를 통해 확인할 수 있다. 예를 들어 벤조산(C₆H₅COOH)은 약산의 하나로, 대한민국에서는 식품첨가물로 지정되어 식품 보존제로 사용된다.

2. 1. 염기의 이온화 상수

염기의 이온화 상수(K_b, base ionization constant)는 염기가 수용액에서 이온화하여 수산화 이온(OH⁻)을 생성하는 정도를 나타내는 평형 상수 값이다. 염기의 이온화 상수는 다음과 같이 표현된다.

:K_b = \mathrm{[BH^+] \cdot [OH^-] \over [B]}

여기서 [BH⁺]는 짝산의 농도, [OH⁻]는 수산화 이온의 농도, [B]는 이온화되지 않은 염기의 농도를 의미한다.

예를 들어, 약염기인 암모니아(NH₃)가 (H₂O)에 녹아 이온화되는 반응은 다음과 같다.

:\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-}

이 반응의 평형 상수 K는 다음과 같다.

:K = \mathrm{[NH_4^+] \cdot [OH^-] \over [NH_3]\cdot [H_2O]}

일반적으로 수용액에서 물의 농도([H₂O])는 반응 전후 거의 변하지 않으므로 상수로 취급할 수 있다. 따라서 암모니아의 염기 이온화 상수(K_b)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:K_b = K[\mathrm{H_2O}] = \mathrm{[NH_4^+] \cdot [OH^-] \over [NH_3]} = 1.8 \times 10^{-5} (25 °C 기준)

K_b 값이 클수록 염기가 물에서 더 많이 이온화되어 더 강한 염기임을 의미한다.

아래 표는 몇 가지 약염기와 그 짝산의 25 °C에서의 이온화 상수를 보여준다. 이를 통해 염기의 상대적인 세기와 그 짝산의 산 해리 상수(K_a)와의 관계를 파악할 수 있다. 일반적으로 약염기의 K_b 값이 클수록 그 짝산의 K_a 값은 작아지는 경향을 보인다.

몇 가지 약염기와 그 짝산의 이온화 상수(25 °C)
약염기화학식이온화 상수(Kb)짝산이온화 상수(Ka)
에틸아민C₂H₅NH₂5.6×10⁻⁴C₂H₅NH₃⁺1.8×10⁻¹¹
메틸아민CH₃NH₂4.4×10⁻⁴CH₃NH₃⁺2.3×10⁻¹¹
암모니아NH₃1.8×10⁻⁵NH₄⁺5.6×10⁻¹⁰
피리딘C₅H₅N1.7×10⁻⁹C₅H₅NH⁺5.9×10⁻⁶
아닐린C₆H₅NH₂3.8×10⁻¹⁰C₆H₅NH₃⁺2.6×10⁻⁵
카페인C₈H₁₀N₄O₂5.3×10⁻¹⁴C₈H₁₁N₄O₂⁺0.19
요소(NH₂)₂CO1.5×10⁻¹⁴(NH₂)₂COH⁺0.67


2. 2. 약산과 짝염기의 이온화 상수 (25 °C)

wikitext

몇 가지 약산과 그 짝염기의 이온화 상수(25 °C)
약산이온화 상수(Ka)짝염기이온화 상수(Kb)
플루오린화 수소산 (HF)7.1×10-4F-1.4×10-11
아질산 (HNO2)4.5×10-4NO2-2.2×10-11
아스피린 (C9H8O4)3.0×10-4C9H7O4-3.3×10-11
폼산 (HCOOH)1.7×10-4HCOO-5.9×10-11
아스코브산 (C6H8O6)8.0×10-5C6H7O6-1.3×10-10
벤조산 (C7H6O2)6.5×10-5C6H5COO-1.5×10-10
아세트산 (CH3COOH)1.8×10-5CH3COO-5.6×10-10


2. 3. 약염기와 짝산의 이온화 상수 (25 °C)

wikitext

약염기이온화 상수(Kb)짝산이온화 상수(Ka)
에틸아민(C2H7N)5.6×10⁻⁴C2H5NH3+1.8×10⁻¹¹
메틸아민(CH5N)4.4×10⁻⁴CH3NH3+2.3×10⁻¹¹
암모니아(NH3)1.8×10⁻⁵NH4+5.6×10⁻¹⁰
피리딘(C5H5N)1.7×10⁻⁹C5H5NH+5.9×10⁻⁶
아닐린(C6H7N)3.8×10⁻¹⁰C6H5NH3+2.6×10⁻⁵
카페인(C8H10N4O2)5.3×10⁻¹⁴C8H11N4O2+0.19
요소( (NH2)2CO )1.5×10⁻¹⁴H2NCONH3+0.67


3. 단백질-리간드 결합

해리 상수는 리간드(L, 예를 들어 약물)와 단백질(P) 사이의 화학적 친화도, 즉 리간드가 특정 단백질에 얼마나 강하게 결합하는지를 설명하는 데 일반적으로 사용된다. 리간드-단백질 친화도는 두 분자 사이의 비공유 결합(예: 수소 결합, 정전기적 상호작용, 소수성반데르발스 힘)에 의해 영향을 받는다. 또한, 다른 거대분자의 고농도로 인해 발생하는 거대분자 혼잡의 영향을 받을 수도 있다.[4][5][10][11]

단백질-리간드 복합체(LP)의 형성은 다음과 같은 두 상태 과정으로 설명할 수 있다.

: L + P <=> LP

해당 해리 상수는 다음과 같이 정의된다.

: K_\mathrm{D} = \frac{\left[ \ce{L} \right] \left[ \ce{P} \right]}{\left[ \ce{LP} \right]}

여기서 [P], [L] 및 [LP]는 각각 단백질, 리간드 및 단백질-리간드 복합체의 몰 농도를 나타낸다.

해리 상수는 단위(M)를 가지며, 평형 상태에서 단백질의 절반이 점유되는 리간드 농도 [L]에 해당한다.[6] 즉, 리간드가 결합된 단백질의 농도([LP])가 리간드가 결합되지 않은 단백질의 농도([P])와 같아지는 리간드의 농도이다. 해리 상수가 작을수록 리간드의 결합이 더 강하거나 리간드와 단백질 사이의 친화도가 더 높다. 예를 들어, 나노몰(nM) 해리 상수를 갖는 리간드는 마이크로몰(μM) 해리 상수를 갖는 리간드보다 특정 단백질에 더 단단히 결합한다.

두 분자 사이의 비공유 결합 상호작용으로 인한 피코몰(pM) 이하의 해리 상수는 드물지만, 몇 가지 중요한 예외가 있다. 비오틴과 아비딘은 약 10−15 M (= 1 fM = 0.000001 nM)의 해리 상수로 매우 강하게 결합한다.[7][12] 또한, 리보뉴클레아제 억제제 단백질은 리보뉴클레아제에 유사한 10−15 M의 친화도로 결합할 수 있다.[8][13]

특정 리간드-단백질 상호작용의 해리 상수는 용액 조건(예: 온도, pH 및 염 농도)에 따라 크게 달라질 수 있다. 다른 용액 조건의 영향은 특정 리간드-단백질 복합체를 함께 유지하는 모든 분자간 상호작용의 강도를 효과적으로 수정하기 때문이다.

약물은 의도하지 않은 단백질과의 상호 작용을 통해 유해한 부작용을 일으킬 수 있다. 따라서 많은 제약 연구는 표적 단백질에만 높은 친화도(일반적으로 0.1–10 nM)로 결합하는 약물을 설계하거나(네거티브 디자인), 특정 약물과 그 ''생체 내''(in vivo) 단백질 표적 사이의 친화도를 향상시키는 것(포지티브 디자인)을 목표로 한다.

실험적으로, 분자 복합체 [LP]의 농도는 자유 분자 [L] 또는 [P]의 농도 측정을 통해 간접적으로 얻어진다.[3] 반응에 첨가된 분자 [L]0 및 [P]0의 총량은 알려져 있으며, 질량 보존 법칙에 따라 자유 성분과 결합 성분으로 분리된다.

:\begin{align} \ce{[P]_0} &= \ce{{[P]} + [LP]} \\ \ce{[L]_0} &= \ce{{[L]} + [LP]} \end{align}

복합체 [LP]의 농도를 추적하기 위해, 자유 분자 농도([P] 또는 [L])를 해리 상수의 정의로 대체하여 복합체의 농도를 자유 분자 중 하나의 농도와 관련지을 수 있다.

: [\ce P]_0 = K_\mathrm{D} \frac{[\ce{LP}]}{[\ce L]} + [\ce{LP}]

: \ce{[LP]} = \frac\ce{[P]_0 [L]}{K_\mathrm{D} + [\ce L]} = \frac\ce{[L]_0 [P]}{K_\mathrm{D} + [\ce P]}

3. 1. 항체-항원 결합

항체(Ab)가 항원(Ag)에 결합하는 특정한 경우, 일반적으로 '''친화도 상수'''(Ka)는 결합 상수를 의미한다. 이는 해리 상수(Kd)의 역수이다.



\ce{Ab + Ag <=> AbAg}





K_\mathrm{a} = \frac{\left[ \ce{AbAg} \right]}{\left[ \ce{Ab} \right] \left[ \ce{Ag} \right]} = \frac{1}{K_\mathrm{d}}



화학 평형은 또한 결합 속도 상수(kforward 또는 kon)와 해리 속도 상수(kback 또는 koff)의 비율이기도 하다. 두 항체가 동일한 친화도를 가질 수 있지만, 하나는 높은 결합 속도 상수와 높은 해리 속도 상수를 모두 가질 수 있는 반면, 다른 하나는 낮은 결합 속도 상수와 낮은 해리 속도 상수를 모두 가질 수 있다.



K_a = \frac{k_\text{forward}}{k_\text{back}} = \frac{\text{on-rate}}{\text{off-rate}}


3. 2. 여러 결합 부위를 가진 거대 분자

많은 생물학적 단백질효소는 하나 이상의 결합 부위를 가질 수 있다.[3] 일반적으로 리간드 L이 거대분자 M에 결합하면, 이는 거대분자에 결합하는 다른 리간드 L의 결합 동역학에 영향을 미칠 수 있다. 만약 거대분자에 결합된 리간드의 수에 관계없이 모든 결합 부위의 친화도가 서로 독립적이라고 가정할 수 있다면, 결합 메커니즘을 단순화하여 설명할 수 있다. 이러한 가정은 주로 동일한 여러 개의 소단위로 구성된 거대분자에 적용될 수 있다.

이 경우, 거대분자가 n개의 동일하고 대칭적인 소단위를 가지며, 각 소단위가 단 하나의 결합 부위만을 가진다고 가정한다. 그러면 결합된 리간드의 농도 \ce{[L]_{bound}}는 다음과 같이 표현된다.

:\ce{[L]}_\text{bound} = \frac{n\ce{[M]}_0 \ce{[L]}}{K_\mathrm{D} + \ce{[L]}}

여기서 \ce{[L]_{bound}}는 단순히 \ce{[LM]}과 같지 않고, 거대분자의 모든 부분적으로 포화된 형태(리간드가 1개, 2개, ..., n개 결합된 모든 상태)를 포함한다.

:\ce{[L]}_\text{bound} = \ce{[LM]} + \ce{2[L_2 M]} + \ce{3[L_3 M]} + \ldots + n \ce{[L_\mathit{n} M]}

결합은 단계적으로 일어난다. 각 단계는 다음과 같은 평형과 해리 상수로 나타낼 수 있다.

:\begin{align}

\ce \right) \left(1 + \frac\ce{[L]}{K_\mathrm{D}} \right)^{n - 1} }{\left(1 + \frac\ce{[L]}{K_\mathrm{D}} \right)^n}

= \frac{n \left( \frac\ce{[L]}{K_\mathrm{D}} \right) }{\left(1 + \frac\ce{[L]}{K_\mathrm{D}} \right)}

= \frac{n [\ce L]}{K_\mathrm{D} + [\ce L]}

= \frac\ce{[L]_{bound}}\ce{[M]_0}


4. 물의 해리 상수

물의 해리상수는 ''K''w로 표시하며, 물의 자동 이온화 반응의 평형 상수를 나타낸다. 순수한 물이 자동 이온화하여 평형 상태를 이룰 때 수소 이온(H⁺ 또는 H₃O⁺) 농도와 수산화 이온(OH⁻) 농도의 곱으로 정의된다.

:K_{\rm w} = [\mbox{H}^+] [\mbox{OH}^-]

이 식에서 물의 농도 [\mbox{H}_2\mbox{O}]는 반응 전후 거의 변하지 않아 일정하다고 간주하므로 관례적으로 생략한다. 따라서 ''K''w의 값은 물의 농도를 포함하여 계산된 실제 평형 상수 ''K''eq 값과는 다르다.

''K''w 값은 온도에 따라 변하는데, 온도가 높을수록 커진다. 이는 물의 자동 이온화 과정이 흡열 반응이기 때문이다. 예를 들어, 25°C에서 ''K''w 값은 약 1.0 × 10⁻¹⁴이며, 이때 순수한 물에서의 [H⁺]와 [OH⁻] 농도는 각각 1.0 × 10⁻⁷ M로 같다. pH와 같은 값을 정밀하게 측정할 때는 이러한 온도 변화를 고려해야 한다.

아래 표는 온도에 따른 ''K''w 및 p''K''w (-log ''K''w) 값의 변화를 보여준다.

물의 온도Kw / 10−14pKw[14]
0°C0.11214.95
25°C1.02313.99
50°C5.49513.26
75°C19.9512.70
100°C56.2312.25


참조

[1] 웹사이트 Dissociation Constant https://chem.librete[...] 2020-10-26
[2] 서적 Bioanalytical Chemistry Textbook https://doi.org/10.1[...] De Gruyter
[3] 서적 Enzyme Kinetics: Principles and Methods http://www.wiley-vch[...] Wiley-VCH
[4] 논문 Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences
[5] 논문 The influence of macromolecular crowding and macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological media http://www.jbc.org/c[...]
[6] 논문 Comparing the Epidermal Growth Factor Interaction with Four Different Cell Lines: Intriguing Effects Imply Strong Dependency of Cellular Context 2011-01-31
[7] 논문 Three-dimensional structures of avidin and the avidin-biotin complex
[8] 논문 Inhibition of human pancreatic ribonuclease by the human ribonuclease inhibitor protein
[9] 논문 The Ionization Constant of Water over Wide Ranges of Temperature and Density https://www.nist.gov[...] 2017-07-13
[10] 논문 Macromolecular crowding and confinement: biochemical, biophysical, and potential physiological consequences
[11] 논문 The influence of macromolecular crowding and macromolecular confinement on biochemical reactions in physiological media
[12] 논문 Three-dimensional structures of avidin and the avidin-biotin complex
[13] 논문 Inhibition of human pancreatic ribonuclease by the human ribonuclease inhibitor protein
[14] 논문 The Ionization Constant of Water over Wide Ranges of Temperature and Density http://www.nist.gov/[...]



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