전자공여체

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전자공여체

[ Electron donor ]

전자공여체는 전자를 다른 화합물에 제공하는 분자, 또는 이온을 말한다. 생체내에서의 산화환원반응, 즉 전자전달계에서는 산화환원전위가 높은 물질로 전자(電子, electron)를 제공하며, 전자공여체는 전자를 제공함으로써 산화되는 환원제이기도 하다. 유기물, 환원된 무기화합물과 석유계 탄화수소 등은 모두 전자공여체로 작용될 수 있는 화합물이다. 현재의 생물권에서 가장 흔한 전자공여체는 유기물이다. 유기물을 전자공여체로 사용하는 생물체를 유기영양생물이라고 하는데, 대부분의 생물체(세균 및 진균류, 원생생물, 동물, 식물)기 여기에 해당된다. 하지만, 일부 원핵생물은 무기물을 전자공여체로 사용하여 에너지를 획득하는데, 이러한 생물체를 무기영양생물이라고 한다. 무기 전자공여체에는 수소, 일산화탄소, 암모니아, 아질산염, 황, 황화물, 제1철 등이 있다.

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. 

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 O원자로부터 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

세포에서의 전자전달은 막에서 일어나며, 여러 유형의 산화-환원효소, 즉 NADH dehydrogenase, flavoprotein, iron-sulfur protein, cytochrome 등이 전자전달에 관여한다. 예를 들어, 전자공여체로부터 나온 전자가 NAD+를 NADH로 환원시키면, NADH dehydrogenase NAD+로 산화시키면서 전자를 다른 전자수용체로 전달하게 된다. 이와 같은 방식으로 전자전달계를 통해 전자가 흐르면서 생성된 에너지는 ATP와 같이 고에너지 인산화합물로 보존된다.

진핵생물에서의 전자전달계는 미토콘드리아의 내막에 4개의 복합체로 구성되어 있으나, 일부 세균과 고균의 전자전달계는 원형질막에 있으며, 그람음성세균 일부의 전자전달계는 주변세포질 또는 외막에 있다. 한편, 모든 전자전달계의 공통적인 특징은 막 사이에 양성자 구배를 생성하는 양성자 펌프의 존재이다. 전자전달계는 산화환원 과정이기 때문에 두 개의 산화환원쌍의 합으로 설명할 수 있다. 예를 들어, 미토콘드리아 전자전달계는 NAD+/NADH 산화환원쌍과 O2/H2O 산화환원쌍의 합인데, NADH는 전자공여체인 반면에 O2는 전자수용체이다. 

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

관련용어

산화환원반응(oxidation-reduction reaction), 전자전달계(electron transport chain), 세균 및 진균류, 원생생물, 미토콘드리아, 전자수용체, 고균, 세균, 그람음성세균, 유기영양생물, 무기영양생물

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

electron donor, 전자공여체(electron donor), Electron donor, 전자공여체