구아닌

구아닌(guanine, G)은 스페인어 guano (배설물)에서 유래한 이름으로 핵산인 DNA와 RNA에서 발견되는 아데닌(A), 사이토신(C), 티민(T), 유라실(U)과 함께 주요 핵산 염기 중의 하나로, 퓨린 계열이며 DNA에서 구아닌은 사이토신과 염기쌍을 형성한다. 1844년 바다 새의 배설물에서 발견되고, 2년 후에 독일의 웅어 (Julius Bodo Unger)에 의해 조성이 알려졌다. 약 40년 후에 A. 코셀이 구아닌이 핵산의 주성분임을 확인하고 핵산을 가수분해하여 추출하였다. 

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구아닌 분자식은 C₅H₅N₅O, 분자량은 151.13이다. IUPAC 이름은 2-amino-1H-purin-6(9H)-one이고 무색의 결정으로, 가열하면 365℃에서 분해된다. 물과 유기 용매에는 잘 녹지 않지만, 산 또는 알칼리에는 잘 용해 된다. 구아닌은 5각 이미다졸과 6각 피리미딘 두 개의 고리가 융합된 퓨린 염기이다. 1번의 NH와 6번의 카보닐기 사이의 이성질화로 케토형과 엔올형의 토토머(tautomer)가 존재하는데 일반적인으로 케토형이고 엔올 구조는 드물게 나타난다. 

구아닌의 구조와 케토 엔올 이성질체(출처:대한화학회)

구아닌에 리보스 당이 연결되면 뉴클레오사이드가 되며 이를 구아노신이라고 부른다. 구아노신에 인산기가 하나 연결되면 구아노신 일인산(GMP), 고리형 구아노신 일인산(cGMP), 구아노신 이인산(GDP), 구아노신 삼인산(GTP)으로 된다. 뉴클레오사이드에 인산이 연결된 유도체를 뉴클레오타이드라고 하고 DNA, RNA 핵산의 합성에서 단량체로 이용된다.  

구아노신과 구아노신 삼인산(GTP)의 구조식(출처:대한화학회)

왓슨-크릭(Watson-Crick) 결합: 구아닌은 DNA, RNA를 형성할 때 사이토신과 세 개의 수소 결합을 이용하며 상보적으로 결합한다. 구아닌에서 6번 탄소(C-6)의 카보닐기는 수소 결합 받개로 작용하고, 1번 질소(N-1)의 작용기와 2번 탄소(C-2)의 아미노기는 수소 결합 주개로 작용한다[NH(2)-N(1)-CO(6)]. 사이토신에서는 4번 위치의 NH2기는 수소 결합 주개로 작용하고, 2번 탄소의 카보닐기와 3번 질소(N-3)의 아민은 수소 결합 받개로 작용한다[CO(2)-N(3)-NH(4)]..

후그스틴(Hoogsteen) 결합: 구아닌과 사이토신의 염기쌍 결합에서 왓슨-크릭의 NH(2)-N(1)-CO(6) 수소결합 시스템 대신에 구아닌의 이미다졸을 포함하는 CO(6)-N(7) 수소결합 시스템을 이용하면 양이온화된 사이토신(C⁺)의 [NH(4)-NH⁺(3)]와 두 개의 수소 결합으로 염기쌍(Hoogsteen 결합: G·C⁺)을 만들 수 있다. 후그스틴 결합, G·C⁺ 와 A·T 결합으로 DNA의 삼중선(triple helix)이 가능하다.

Watson–Crick과 Hoogsteen의 염기쌍 결합 모델 ()

유아사(Yuasa)가 1984년, NH₃, CH₄, C₂H₆ 및 50 mL의 물의 전기 방전으로 미량의 구아닌의 합성을 보고하여 자연계에서 유전 물질의 자연발생 가능성을 제시하였다. 

10NH₃ + 2CH₄ + 4C₂H₆ + 2H₂O → 2C₅H₈N₅O (구아닌) + 25H₂

그후 1900년, 에밀 피셔(Emil Fischer)가 유르산(uric acid, 요산)으로부터 4단계 합성 방법을 발표하여 구아닌의 실험실 합성이 가능하게 되었고, 피셔-트로쉬 공법(Fischer–Tropsch process)을 이용하여 CO, H₂, NH₃의 가스 혼합물을 700 °C 에서 가열한 후 얻어진 반응물을 알루미나 및 제올라이트 촉매로 이용하여 구아닌과 유라실 등을 제조하는 방법이 보고되었다. 

10CO + H₂ + 10NH₃ → 2C₅H₈N₅O (구아닌) + 8H₂O

보다 효율적인 방법으로 트라오베(Traube) 합성법이 있는데 2,5,6-triaminopyrimidin-4-ol을 폼산과 가열하면 구아닌이 합성된다.

구아닌의 합성반응(출처:대한화학회)

한편, 구아닌은 강산과 반응하여 일차적으로 구아닌은 아미노기 제거 반응이 진행되어 잔틴(xanthine)으로 변한다. 최종적으로 글라이신, 암모니아, 이산화 탄소, 일산화 탄소로 가수분해 될 수 있다.

잔틴(xanthine)의 구조식(출처:대한화학회)

생체 내에서 대사와 DNA 및 RNA의 형성에 관여한다. 이외에도 산업적으로 구아닌 결정이 층상 구조를 이루고 빛의 굴절율이 커서 진주 빛 광택용 첨가제로 이용된다. 샴푸의 무지개 빛, 아이섀도우와 손톱 매니큐어에 반짝이, 게이샤 화장 등에 이용된다.