전자수용체

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전자수용체

[ electron acceptor ]

전자수용체는 전자를 다른 화합물로부터 제공받는 분자, 또는 이온을 말한다. 생체내에서의 산화환원반응, 즉 전자전달계에서는 산화환원전위가 낮은 물질에서 높은 물질로 전자(電子)를 제공하며, 이 때 전자를 제공받는 물질을 전자수용체라 한다. 전자수용체는 전자를 받아들이면서 환원되는 산화제이다. 다양한 물질이 전자수용체로서의 역할을 할 수 있다. 호기적 조건에서는 주로 산소(O2)가 최종 전자수용체로서의 역할을 하며, 혐기적 환경에서는 질산염, 아질산염, 제2철(ferric iron), 황산염, 이산화탄소, 푸마르산염 등이 전자수용체가 사용된다.

목차

  1. 1.기원 및 명명
  2. 2.전자공여체와 전자수용체
  3. 3.세포에서의 전자전달
  4. 4.관련용어
  5. 5.집필
  6. 6.감수
  7. 7.참고문헌

기원 및 명명

1923년 발표된 산(acid)과 염기(base)의 브론스테드-로리 이론(Brønsted–Lowry theory)은 주로 종 간의 양성자(proton) 전달에 초점이 맞춰져 있다. 같은 시기에 Gilbert Newton Lewis가 발표한 산-염기 반응이 현재 더 일반적인 이론으로 알려져 있으나, 그의 이론은 1930년대가 되어서야 인정을 받았다. Lewis 산은 전자수용체로의 역할을 하는 물질이고, Lewis 염기는 전자공여체로의 역할을 하는 물질이다. 전자수용체인 Lewis 산을 A, 전자공여체인 염기를 B로 나타낸다면, Lewis 산과 염기의 기본적인 반응은 복합체(또는 부가물) A-B의 형성이다. B에 의해 공급된 전자쌍을 공유함으로써 A와 :B가 결합하게 되는데, 이러한 결합을 배위결합(配位結合)이라고 한다. Lewis 산과 염기 사이의 결합은 분자궤도함수(Molecular Orbital, MO) 관점에서 볼 수 있다. Lewis 산은 보통 그 성분의 최저준위 비점유 분자궤도(最低準位比占有分子軌道, lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)인 빈 궤도를 제공하고, Lewis 염기는 통상적으로 최고준위 점유 분자궤도(最高準位占有分子軌道, highest occupied molecular orbital, HOMO)인 완전한 궤도를 제공한다. 새롭게 형성된 결합궤도는 염기에 의해 공급된 두개의 전자에 의해 채워지는 반면, 새로 형성된 반결합궤도(antibonding orbital)는 비어 있게 된다. 결과적으로, 결합이 형성될 때 순 에너지(net energy)가 낮아지게 된다. 

Gilbert Newton Lewis (1875~1946) (출처: https://www.sciencehistory.org/historical-profile/gilbert-newton-lewis )

전자공여체와 전자수용체

 다음은 전자공여체와 전자수용체가 전자쌍을 공유하는 예이다.

  • 불완전한 원자가 전자(valence electrons)를 가진 분자는 전자쌍을 받아 안정한 분자 상태가 될 수 있다. 대표적인 예가 Trimethylborane (B(CH3)3)이며, 암모니아(NH3) 및 다른 전자공여체로부터 고립 전자쌍(lone pair)을 받아들여 안정한 상태로 된다.

전자공여체 NH3로부터 전자를 받아 공유하는 전자수용체 B(CH3)3 (그림: 강대경/단국대)

  • 금속 양이온은 배위화합물에서 전자공여체에 의해 공급된 전자쌍을 수용할 수 있다. 코발트 양이온(Cobaltous cation, Co2+)의 수화작용(hydration)을 예로 들 수 있는데, 전자공여체로 작용하는 물(H2O)의 고립 전자쌍을 중심 양이온과 공유하여 hexaaquacobalt(II)([Co(OH2)6]2+)를 생성하게 된다. 여기서 Co2+는 전자수용체로서의 역할을 한다.
  • 최외각 전자가 다 채워져 있어 안정한 상태의 분자 또는 이온이 원자가 전자(valence electrons)를 재배열하고 추가 전자쌍을 받아들일 수 있다. 예를 들어, 전자수용체인 이산화탄소(CO2)가 전자공여체인 OH- 이온의 O 원자로부터 전자쌍을 받아 Carboxyoxidanyl(HCO3-, 더 정확하게는 HOCO2-)을 형성하는 경우를 말한다.

전자공여체 OH- 이온으로부터 전자를 받아 공유하는 전자수용체 CO2 (그림: 강대경/단국대)

  • 분자 또는 이온은 다른 전자쌍을 받아들이도록 원자가 껍질(valence shell)을 확장할 수 있다. 예를 들면, 전자공여체인 플루오린화물(Fluoride, F-) 2개가 전자수용체인 사플루오린화 규소(Silicon tetrafluoride, SiF4)에 결합함으로써 육플루오린화 규소(Silicon hexafluoride, [SiF6]2-)화합물이 형성된다.

전자공여체 F-이온으로부터 전자를 받아 공유하는 전자수용체 SiF4 (그림: 강대경/단국대)

세포에서의 전자전달

생물의 에너지 대사에서 전자수용체의 종류는 중요한 의미를 가진다. 환원전위가 가장 높은 산소(O2)는 가장 많은 에너지를 생산할 수 있으므로 가장 많이 이용되는 전자수용체이다. 산소를 최종전자수용체로 사용하여 에너지를 얻는 과정을 산소호흡(aerobic respiration)이라 부른다. 산소 이외에 많은 물질들이 전자수용체로 사용이 된다. SO42-, S0, Fe3+, CO2, NO3-, TMAO, arsenate, chlorate, 피루브산(pyruvate)과 같은 유기물(organic compound) 등의 다양한 물질이 최종 전자수용체로 사용될 수 있다. 전자전달계를 모두 수행한 후 산소 이외의 물질이 전자수용체로 사용되는 경우 무산소호흡(anaerobic respiration)이라 부르고, 해당과정(glycolysis)만 수행한 후 주로 유기물이 전자수용체로 사용이 될 때 발효(fermentation)라고 부른다. 무산소호흡과 발효는 산소보다는 환원전위가 낮은 물질을 최종 전자수용체로 이용하므로 산소호흡보다 생산되는 ATP의 수가 적다.

관련용어

산화환원반응(oxidation-reduction reaction), 전자전달계(electron transport system), 진핵생물, 미토콘드리아, 그람음성세균, 세균, 고균, 전자공여체

집필

강대경/단국대학교

감수

이창로/명지대학교

참고문헌

  1. 이갑상. 1997. (영한.한영) 미생물학. 분자생물학 사전. 도서출판 대학서림.
  2. Shriver, D., Weller, M., Overton, T., Armstrong, F., and Rourke, J. 2014. Inorganic Chemistry (6th ed.). W. H. Freeman and Company.
  3. Lengeler, J.W., Drews, G., and Schlegel, H.G. 1999. Biology of the prokaryotes. Blackwell Science.

동의어

전자수용체(Electron acceptor), electron acceptor, 전자수용체, Electron acceptor