킬레이트
소화관 소화에서 단백질의 부분분해로 생성된 올리고펩티드가 수해성(Electrolysis
in water) 무기염으로부터 전해된 미네랄이온을 킬레이트(Chelate)한 물질만이
영양분의 흡수처인 소장을 통하여 흡수된다는 것은 미네랄 흡수의 기본이다.
미네랄이 체내로 흡수될 수 있는 조건은,
첫째 미네랄이 수용성인 이온의 상태로 되어야 하고,
둘째 이온화된 미네랄이온이 다른 무기이온과 재결합하여 비수용성 무기염으로 되는 것을
방지해 주어야 하고,
셋째 미네랄이 이온상태를 유지하면서 미네랄 이온의 기능을 발휘할 수 있도록 장해물질의 간섭을 피할 수 있는 경제막과 같은 포위체로 킬레이트되어 분자의 중심부에 위치하도록 하는 것이 중요하다. 킬레이트하는 배위자는 수용성이고, 세포막에 개입되어 흡수작용을 하는 융합단백질가 융합이 용이한 물질이어야 한다. 미네랄이온의 유지와 보호를 해주는 물질을 킬레이트 배위자라 하며, 배위자 자신은 화학적인 작용능력이 거의 없어야 미네랄 이온의 특성을 발휘할 수 있게 된다. 이러한 예는 효소기질과 같다.
첫째 미네랄이 수용성인 이온의 상태로 되어야 하고,
둘째 이온화된 미네랄이온이 다른 무기이온과 재결합하여 비수용성 무기염으로 되는 것을
방지해 주어야 하고,
셋째 미네랄이 이온상태를 유지하면서 미네랄 이온의 기능을 발휘할 수 있도록 장해물질의 간섭을 피할 수 있는 경제막과 같은 포위체로 킬레이트되어 분자의 중심부에 위치하도록 하는 것이 중요하다. 킬레이트하는 배위자는 수용성이고, 세포막에 개입되어 흡수작용을 하는 융합단백질가 융합이 용이한 물질이어야 한다. 미네랄이온의 유지와 보호를 해주는 물질을 킬레이트 배위자라 하며, 배위자 자신은 화학적인 작용능력이 거의 없어야 미네랄 이온의 특성을 발휘할 수 있게 된다. 이러한 예는 효소기질과 같다.
미네랄은 생체 내에서 소화작용에 의하여 분해되거나 이성화되지 않는 금속성 원자이다. 미네랄이 양이온으로 되려면 무기성 음이온의 도움이 필요하며, 이온으로
전환된 미네랄이온은 생성됨과 동시에 배위자에 의하여 킬레이트되어 이온의 자질이 상실되지 않도록 보호되어야 한다.
이러한 배위자 노릇을 하는 물질이 단백질의 부분분해물인 올리고 펩티드이다.
미네랄이온을 배위한 분자는 미네랄이온가 올리고펩티드 사이에 배위공유결합(Coordinate covalent bond)을 하고 있는 상태이며, 배위자
자신의 특성은 상실한 채 배위된 미네랄 이온의 기능만을 발휘할 수 있도록 하는 보조적인 활동을 하여 준다. 만일
배위자가 아미노산 단분자이고 미네랄이온이 2가일 경우는 미네랄오온한 원자에 2분자의 아미노산이 결합하게 되므로, 이러한 화합물은 킬레이트화합물이
아닌 단순한 미네랄이 유기염에 지나지 않는다. 이와같이
결합된 화합물은 킬레이트라 하지 않고 미네랄아미네이트(Mineral aminate) 또는 미네랄디아미네이트(Mineral diaminate)로 표시되며, 미네랄의 모노아미네이트나
디아미네이트는 일반적인 미네랄의 유기산염과 같이 수용액 중에서 완전한 전해는 되지않지만 결합되어 있는 아미노산의 분자량이 적고 극성(Polar) 배열을 하고 있기 때문에 미네랄이온의 분자외각 노출이 가능하여 주위에 있는 다른 물질과 조건에 따라
이차적인 반응을 일으킬 수 있다. 미네랄의 모노아미네이트와 디아미네이트는 분자 중에서 차지하고 있는
미네랄이온이 점유하고 있는 하전(Charge)이 강력한 편이어서 킬레이트 구조물과 다르게 아미네이트
분자 구조 분포상 미네랄이온이 차지하고 있는 이온성 하전이 분자조성 비율에 있어 크기 때문에 미네랄이온의 작용능이 적극적이다.
미네랄의 유기염인 구연산칼슘(Calcium citrate), 젖산칼슘(Calcium lactate) 구연산철암모늄(Ferrous ammonium
citrate), 젖산철(Ferrous lactate) 등이 수중에서 전해되어 칼슘과 철분은
양이온으로, 구연산과 젖산은 유기산으로 작용하는 것과 같이 킬레이트 화합물과는 전혀 다른 화학작용을
하게 된다. 그러나 아미노산 분자는 미네랄이온과 결합되더라도 수소이온의 분리에 의한 해리상태가 아닌
아미네이트 분자내 이전으로 아민기에 이온의 하전이 발생하게 되므로 유리상태의 이온화가 일어나지 않는 것이 미네랄 유기염과 다른 점이다. 아미네이트는 일반적인 무기질 염이나 유기질염, 그리고 유기-무기질간의 착염과는 다른 특수한 성질은 가지고 있다.
위 분자구조와 같은 화합물은 킬레이트 화합물이라고 할 수 없으며 나트륨의 아미네이트와 구리미네랄의 디아미네이트로 정의되어야 한다. 왜냐하면 이들 화합물은 극성을 가지고 있으며 배위자의 크기에 따라 수용액에서 완전하게 전해되어 이온화가 될 수 있으며, 결합성분 각각의 화학적 성질을 발휘할 수 있어 주위에 있는 다른 화학물질과 반응이 가능하기 때문이다.
그러나 킬레이트화합물은 일단 미네랄이온과 펩티드가 키레이트되면 단분자나 2분자의 아미노산과 결합된 구조가 아닌 5분자 이상의 아미노산으로
이루어진 펩치드분자와 배위공유결합을 하고있기 때문에 킬레이트된 미네랄이온이 분자 외각으로 노출이 되지 않아 미네랄이온과직접적인 화학반응이 불가능하고
펩티드된 단백질의 곁사슬과 배위공유결합된 것으로 킬레이트된 미네랄이온과 펩티드 각각의 성분기능을 발휘하는 것이 아니라 킬레이트 화합물 전체로서의
성질을 갖게 된다. 킬레이트는 미네랄이온의 역가에 대응하는 수(數)의 아미노산과 결합된 것이 아니고 펩티드 사슬의잉여 곁사슬에 존재하는 잔류 카르복실기와 아민기 사이에 일어나는
특수한 결합니다. 물론 미네랄이온을 배위할 수 있는 펩티드분자의 조건은 수용성을 가져야 하고 킬레이트될
수 있는 수의 곁사슬 잔기를 충분히 가지고 있는 올리고펩티드이어야 하는 것이 절대적이다. 단백질의 완전분해물인
아미노산의 모노머(Monomer)는 아민화(Aminate)물질은
만들어 줄 수 있을 뿐 킬레이트는 생각조차도 할 수 없다.
킬레이트란 단어는 게(Lobstwr)와 같은 갑각류(Crustaceans)의 커다란 집게발(Claw,Chela, or Chely
pincers)에서 유래된 것으로 집게발로 물건을 꽉 잡을 수 있는 형상을 화학결합에 인용된 단어이다. 그리고 두께 따위를 재는 양각기구인 캘리퍼스와 같은 원자단(Caliper
like group)을 연상케 하는 배위자를 말하며, 집게발광같은 구조를 가지고 있는 분자의
유기질 분자단이 무기질인 미네랄 이온을 잡고 있는 형태의 화합물을 킬레이트 화합물이라 한다. 킬레이트는
금속이온과 배위자 사이에 일어나는 결합으로 한쪽은 정전기 결합인 이온(ion)과 이온(ion),또는 이온(ion)과 쌍극자 (Dipole) 사이에 결합이 일어나고, 다른 쪽은 공유 결합을 구성하고
있는 배위공유 결합체이다.
여기에서 δ형 결합은 원자핵 내축(Internuclear axis)의
전자농도를 의미하며, π형 결합은 에틸렌과 같은 화합물 내의 배위자와 미네랄을 중심으로 회전하는 보조적
결합을, 그리고 특수한 원자쌍 사이에서 일어나는 다중(Multicenter)결합
등이 공유결합을 만드는 원인이 된다.
킬레이트에서 이온결합을 이용할 때는 미네랄이온과 배위자 분자내의 상대적 이온전하 사이에 정전기적(Electrostatic) 끌림으로 이루어 진다. 미네랄이온은 양전하를
띠고 있어 배위자 중 음전하를 가지고 있는 잉여 잔기에 매력을 가지고 있어 미네랄이온과 배위자의 잉여잔기 사이에 전자를 서로 교환하여 공유결합을
하게 된다.
배위자의 곁사슬에 아민기(-NH2)를 잔기로 가지고 있으면
질소의 고립 전자쌍(Lone electron pair)에 수소가 자리 잡으면서 -NH3+와 같은 양하전을 만들게 되면서 이온-쌍극자(Ion-Dipole)간의 결합을 유도하게 되므로 미네랄이온과
배위자 사이에는 정전기와 유도전하의 양쪽성 결합을 하게 된다. 이러한 예는 헥사민(Hexammine)과 코발트이온(Cobalt ion) 사이에서 일어나는
현상과 같다.
미네랄이온의 배위수는 미네랄올리고펩티드의 킬레이트 화합물을 생성하는데 중요하다. 배위수를 많이 가지고 있는 미네랄은 배위수가 적은 미네랄에 비교하여 배위할 수 있는 능력이 많기 때문에 거대한
부피를 형성하게 되므로 분자의 거대화는 수용성을 상실하게 되는 원인이 된다. 예로 코발트이온과 같은
배위수가 6개인 경우는 올리고펩티드에 함유된 카르복실기와 아민기를 각각 3개씩, 전체적으로 6개를
배위하게 되므로 코발트를 배위하게 되는 올리고펩티드 양은 배위수가 2개인 칼슘이나 아연에 비교하여 3배정도의 거대분자를 형성할 수 있어 비수용성은 물론이고 분자 크기의 확대는 체내 흡수에 장해를 일으킨다.
미네랄은 물 분자와 강력하게 결합된다. 미네랄이온은 다른
원소에 비교하여 전자의 궤도회전이 원자 중의 양자(Proton)에 국한되지 않고 동일한 금속원자 간에
광범위하게 활동하여 국부적인 궤도전자의 고갈을 일으키는 특수성을 가지고 있다. 따라서 전자의 이동성이
가장 강력한 물분자와 용이하게 결합될 수 있어물분자를 동반한 미네랄 이온은 물분자 중에 보유하고 있는 2개의
고립 전사쌍(Electron lone pair)을 받으면서 배위공유 결합형 배위자를 만들게 된다. 공유결합은 두개의 전자를 두개의 원자간에 공유하게 되는데, 하나의
전자는 미네랄로부터 공급받고 다른 하나는 배위자에 의하여 공급받게 되므로 이들의 결합은 정상적인 공유형태의 결합이 된다. 이와 같은 배위 공유결합은 킬레이트 작용에 이용되고 있다.
미네랄이온과 킬레이트할 수 있는 배위자에는 구조적으로 미네랄이온과 결합될 수 있는 공여전자쌍(Pair of the electron doner)이 최소한 2개는
가지고 있는 원자가 존재해야 한다. 전자쌍은 정전기적으로 음전하를 갖게 되므로 양전하를 강하게 발휘하고
있는 미네랄이온과 쉽게 결합된다. 배위자 중에 전자쌍을 가지고 있는 구성원자는 질소(Nitrogen), 인(Phosphorus), 산소(Oxygen)와 황(Sulfur)등이며, 이들은 모두 음이온으로 작용한다. 그러나 음이온으로 작용하고 있으면서
전자쌍을 가지고 있지 않은 할로겐(Halogen)원소들은 배위자 내에서 전자공여작용을 할 수 없는 원소들이다.
배위자 내에 있는 전자공여원자는 미네랄이온과 사슬고리(Chain
ring)를 만들 수 있도록 분자 내에 위치하고 있어야 한다. 이러한 형태의 고리를 킬레이트고리(Chelate ring)라 하고, 킬레이트 고리를 만들어 주는 분자나
이온을 킬레이트물질(Chelate agent)이라 한다. 킬레이트
고리의 형성과정을 킬레이트화(Chelation)로 알려지고 있다.
배위분자 내에 충분한 전자공여원자가 있을 경우라도 그들이 미네랄이온과 결합할 수 없고, 고리를 만들 수 있는 입체적인 구조를 가지고 있지 않다면 킬레이트화는 불가능하다. 다시 말하면 1개의 공여기가 양이온인 미네랄에 쉽게 접할 수 있을
지라도 둘째번과 셋째번의 공여전자가 첫째와 둘째, 그리고 첫째와 셋째번 사이에 충돌이 일어나 방향의
위치가 바뀌어지면 양이온과의 결합에 방해되므로 전기적인 결합은 물론이고 배위공유결합 마저도 이루어질 수 없으므로 킬레이트화가 불가능하게 된다는
설명이다.
전자간의 충돌은 미네랄이온의 크기에도 관계가 있다. 이온의
크기가 배위자가 점유하고 있는 분자부피보다 아주 작거나, 아주 클 경우에는 킬레이트의 안정성이 낮게
되고, 킬레이트화가 이루어지는 동안 미네랄이온과 배위자의 결합손의 길이와 각도가 적당치 않을 경우에도
킬레이트는 불안정하게 된다.
킬레이트의 안정성은 원자의 배위수에 해당하는 고리의 크기에 따라 정하여 진다. 따라서 킬레이트고리가 셋으로 구성된 킬레이트는 불안정하고, 킬레이트
고리가 아주 짧을 경우일지라도 4개의 연결고리로 구성되어 있다면 이 킬레이트는 안정하다.
여기에서 중요한 것은 1개의 필수아미노산에는 자체 분자
내에 카르복실기 1개와 아민기 하나만을 가지고 있는 것이 대다수이다.
이들은 아미노산의 회합(중합 또는 펩티드라고도 함)에
이용하면 이차적인 반응을 할 수 있는 잉여잔기는 남지 않는다는 점이다.
그러나 다행스럽게도 필수아미노산 중 펩티드 결합을 한 다음 구조적으로 결합반응을 일으킬 수 있는 잉여잔기를
가지고 있는 아미노산이 있다. 이들 아미노산은 펩티드결합을 하여 고분자화된 조건에서 구조적으로 만들어진
곁사슬이며, 곁사슬 중에는 이차적인 결합반응을 할 수 있는 잔기를 가지고 있는 아미노산이 있는데 디아민기(2NH2-)와 디카르복실기(2COOH-)를 가지고 있는 것이 있고, 황이 개입된 시스테인(-SH)과 시스틴(-S-S-), 그리고 메티오닌(-S-)도 있으며, 히스티딘은 표출시킬 수 있는 3개의 아민기를 가지고 있다. 그리고 음이온 원자단과 결합하여 이차적인 결합을 가능케 하는 히드록실기(-OH)를
가지고 있는 세린, 티로신, 트레오닌도 있다.
이들 반응성 곁사슬 잔기는 미네랄과의 킬레이트에 아주 중요한 역할을 한다. 만일 아미노산 중에 잉여잔기를 가지고 있지 않은 아미노산만이 지상에 존재하여 이들로 단백질이 중합되었다면 생명의
스타트 스위치(Start switch) 역할을 하는 미네랄의 생체내 흡수는 불가능하였을 것이고, 이로 인한 생체내의 대사는 물론이거니와 지구상의 생명체의 존재마저 기대할 수 없었을 것이다.
미네랄이온은 양이온으로 작용하기 때문에 일차 미네랄이온과 정전기적 결합을 할 수 있는 음이온 생성
원자단이 배위자에 존재해야 한다. 이들을 산성기(-COOH, -SH,
-PO(OH)2, -SO3H)라 하고, 이차적으로 미네랄의 양이온에 배위공유결합을 하므로
킬레이트의 안정성을 유지할 수 있도록 하는 전자공여체인 원자단을 염기성기(-NH2, -NH, -S, -OH)로
구분한다. 이들 산성기와 염기성기는 다같이 아미노산이 펩티드결합을 하여 단백질로 중합된 다음 곁사슬의
잔기로 남게 되어 미네랄과 킬레이트할 수 있는 것들이다.
킬레이트의 화학적 구조를 착염이나 아미노산염(Aminate)과
착오를 일으키기 쉽다. 킬레이트화합물은 착염이나 아미네이트와 같이 수용액에서 해리되어 구성원자나 원자단의
물성을 가질 수 없으며, 매체 중에 존재하는 다른 물질과 화학반응이 일어나지 않는다. 킬레이트화합물은 배위자에 의하여 킬레이트된 미네랄의 특성이 배위자로 유도되면서 이차적으로 작용하게 되고, 배위자는 미네랄 이온을 보호하기 위한 피막을 형성할 뿐 배위자인 펩티드분자의 성질은 발휘하지 못한 채 미네랄
흡수와 이동의 동반자 역할을 할뿐이다.
착화물과 아미노산염의 화학작용은 다음 반응식과 같이 일어나나 배위자에 킬레이트된 미네랄은 이온상태로
존재하거나 염화나트륨(소금)과 같은 이온화 경향이 강한 나트륨에
의하여 치환반응이 일어나지 않는 특성을 가지고 있다.
아미네이트는 미네랄의 유기산염이나 착염으로 분자내에 존재하는 미네랄은 이온상태가 아닌 완전한 화학결합이고, 배위자 부피가 적어 미넨랄이온이 분자 밖으로 노출되므로 미네랄과 유기산 각각의 물성을 발휘하게 된다. 특히 이들은 수용액에서 전해되므로 매체내에 다른 물질을 접촉시키면 쉽게 화학반응을 일으키게 된다.
그러나 킬레이트 화합물은 미네랄이온이 배위자와 단단한 정전기결합과 배위 공유결합을 동시에 하고 있으며, 배위자의 부피 또한 아미노산이 올리고머(Oligomer)까지 중합되어
미네랄이온의 노출을 완전히 차단한 상태이기 때문에 킬레이트 화합물은 아미네이트와 다르다. 따라서 체내흡수를
위한 미네랄의 배위자는 단백질이 부분분해된 올리고펩티드가 이상적이다. 올리고 펩티드는 아니모산이 9개 이하의 분자결합 상태를 의미하며 올리고펩티드 중에서도 6~8개로
이루어진 펩티드가 가장 이상적이다.
최근에 미네랄과 아미노산의 결합에서 아미노산이 가지고 있는 분자내의 카르복실기와 아민기를 이용한 2가 미네랄과의 결합된 화합물을 디펩티드-유사킬레이트(Dipeptide-like chelate)라 명명하는 학지들이 있다. 이는
잘못된 표기이며, 그림 21에서 잘 설명해 주고 있다.
구조식에서 보는바와 같이 2가 미네랄에는 두개의 아미노산이
결합되어 있을 뿐 펩티드결합은 전혀 없다. 미네랄이온은 아미노산의 카르복실기와 염(Salt)을 이루고 있으므로 이를 펩티드로 표시한다는 것은 잘못이다. 펩티드결합은 2분자의 아미노산이 그들이 가지고 있는 α-아민기와 α-카르복실기 사이에 생성된 결합(-CO-NH-)을 의미한다. 또 2개의 아미노산이 펩티드 결합을 해야하는 카르복실기와 아민기가
미네랄이온과 결합하고 있으미, 이는 킬레이트 구조가 아닌 유기금속염(Organic
mineral salt)인 아미네이트이며 디펩티드-유사킬레이트란 용어는 여기에 해당되지
않는다. 미네랄이온에 아미노산 1~2개와 결합된 미네랄아미네이트는
염(Salt)의 구조이고 이들은 체내 흡수에 전혀 도움이 되지 않는다.
미네랄이온 하나에 아미노산 1개가 결합된 모노아미네이트의 미네랄은 1가 금속에 속하는 나트륨이나 칼륨일 경우이고, 2가 미네랄에 아미노산이
결합된 디아미네이트 화합물에는 당연히 2개의 아미노산이 결합하게 되어 있다. 미네랄이온 하나에 아미노산 1~2개가 결합되어 있는 화합물을 킬레이트
되었다 함은 잘못된 해석이고, 미네랄의 모노아미네이트(Monoaminate)나
디아미네이트(Diaminate)는 킬레이트 화합물이 아닌 단순한 미네랄과의 유기산염이다. 따라서 디-펩티드-유사킬레이트(Dipeptide-like chelate)라는 단어는 화학적으로 부적합한 명명(Nomenclature)이다.
킬레이트화합물의 안정성은 분자적 구조에 의하여 결정되고, 다음으로
킬레이트를 형성할 수 있는 배위자와 수화된 미네랄이온과의 반응이 평형상태를 이룰 수 있느냐 없느냐에 달려 있다.
특히 미네랄의 수화(Hydrate)는 필수조건이며 킬레이트 결합은 배위공유결합이 전제 조건이기
때문이다. 여기에서 중요한 것은 미넨랄이온을 배위할 수 있는 배위자의 구조와 배위자인 펩티드 분자에
미네랄이온을 킬레이트 할 수 있는 곁사슬을 어느 정도 가지고 있느냐에 따라 킬레이트의 기능성이 결정된다. 3개의
아미노산으로 구성된 트리펩티드일 경우는 미네랄 이온을 킬레이트 할 수 있는 곁사슬을 가지고 있다 하더라도 카르복실기와 아민기의 전체 수가 3개뿐이고 전체적인 펩티드의 길이가 짧아 미네랄이온을 충분하게 포위(Enclose)
할 수 없어 킬레이트 구조를 형성할 수가 없다. 그리고 무리하게 킬레이트 구조를 유도하고자
하나 2가 미네랄이 필요로 하는 곁사슬의 카르복실기 2개와
아민기 2개의 잔기가 동원되어야 하기 때문에 구조적으로 불안정한 분자가 조성된다.
킬레이트의 안정성에 영향을 주는 또 하나의 조건은 1개의
미네랄이온과 작용하는 킬레이트 고치(Chain)의 수에 따름다. 고리의
수가 많으면 많을 수록 안정성이 증가된다. 이는 햄(Heme)분자와
같이 1개의 2가 철이온이
4개의 고리로 킬레이트되고 있는 구조이다. 이를 다중 집게발결합(Multidentate chelate)이라 하는데, 이들은 배위자
내에 두개 이상의 전자공여원자를 가지고 있어 미네랄 이온을 여러 방향에서 배위공유 결합을 하고 있기 때문에 더욱 안정성을 갖는다.
그렇지만 킬레이트화합물의 안정성에 치우치다 보면 분자의 부피가 커지므로 흡수는 물론이고 체내에서의
이동에 무리를 일으키게 된다. 그 예가 헤모글로빈이다. 헤모글로빈은
철이온을 포르피린(Porphyrin)이 킬레이트하고 있으며 포르피린에 메틸(Methyl), 비닐(Vinyl), 프로피오닐(Propyonyl)이 8개가 부가되어 있어 64,500이라는 거대분자를 갖게 되므로 안정성은 양호하나 소장막을 통하여 흡수되지 못한다. 이는 소장막에 개입되어 이쏙 영양분을 흡수하고 있는 융합단백질의 분자량이
24,000~28,000 밖에 되지 않기 때문에 헤모글로빈과 같은 보다 큰 분자를 가지고 있는 물질은 흡수될 수 없기 때문이다. 만일 헤모글르빈이 세포막을 자유자재로 통과할 수 있다 가정해 보자. 혈관을
유통하고 있는 혈액이 혈관을 통하여 출현현상이 일어날 것이며 모세혈관이 분포되어 있는 피부로까지 혈액이 용출될 것이다.
미네랄에 킬레이트되는 배위자의 결합형식이 이온결합과 배위공유 결합이 공존되어 있으므로, 미네랄의 이온 수에 대응되는 이온기와 배위공유기가 요구된다. 이들의
당량수가 밸런스를 맞추지 못하면 킬레이트의 안정성을 유지하지 못하고 외부의 반응성 물질에 의하여 침해되거나 파괴된다.
이러한 현상은 2가의 미네랄인 경우 정전기적 결합 2개와 2개의 배위공유 결합이 요구되는데, 킬레이트 할 수 있는 배위자는 우선 아미노산간에 펩티드결합을 하여 단백질의 분자를 생성해야 하고, 펩티드된 다음 곁사슬에 존자하는 잉여잔기 중에 이온결합을 할 수 있는 카르복실기와 배위공유 결합을 위한 아민기를
가질 수 있어야 하기 때문에 펩티드 구성 아미노산에 디카르복실아미노산(아스파르트산과 글루탐산)과 디아민아미노산(리진과 아르기닌)이
필수적으로 함유되어 있어야 한다. 이러한 까다로운 조건은 킬레이트 화합물 생성 가능성의 어려움을 뜻하고
미네랄의 체내 흡수가 쉽제 않다는 것을 인식하기에 충분하다.
미네랄이온과 킬레이트된 펩티드 분자는 적을수록 세포막에 존재하는 융합단백질을 통하여 세포내로 흡수될
수 있다. 그러나 펩티드 분자의 저급화에도 한정이 있다. 펩티드를
구성하고 있는 아미노산의 수가 4개 이하의 펩티드는 킬레이트가 불안정하여 펩티드-디-아미네이트 화합물로 되므로 직접적인 흡수에 도움이 되지 못한다.
미네랄이온에 아미노산이 두 개 정도 결합된 아미네이트는 무기질 금속의 성질을 발휘하게 되어 융합단백질을
만나게 되면 응집현상을 일으키게 되므로 세포외벽에 커텐과 같은 피막을 형성하여 흡수막의 통과를 불가능하게 할뿐만 아니라 이들 피막형성은 다른 영양소의
흡수마저도 장해를 일으키게 된다. 결국 미네랄 이온에 아미노산 1개나 2개, 많게는 3개의 아미노산이
결합되었다 하더라도 이들은 킬레이트 되었다 할 수 없고 아미네이트의 화합물로 보아야 한다.
배위자의 킬레이트에 있어 α-아미노산은 생물학적으로 대단히
중요하다. 20종류 이상의 α-아미노산이 자연에서 발견되고
있으며, 이미노산(Imino acid)인 이차적 환상아민(Cyclic secondary amine)구조를 가지고 있는 프롤린(Proline)과
히드록시프롤린(Hydroxyproline)을 제외한 모든 α-아미노산은
단백질을 완전하게 분해하므로 얻을 수 있다. α-아미노산은
같은 탄소원자에 아민기와 카르복실기가 함께 결합되어 있는 아미노산을 지칭한다.
α-아미노산의 α위치에 결합되어 있는 카르복실기(-COOH)를 α-카르복실이라 하고 아민기(-NH2)를 α-아민이라 하는데 이들 α-카르복실기와 α-아민기는 서로 반응하여 펩티드(Peptide; -CONH-)결합을 형성하여 단백질을 중합하는데 우선한다.
따라서 α-위치에 있는 정전기성 카르복실기와 배위공유성을
가지고 있는 아민기는 단백질의 중합에 참여하여 펩티드화를 하는것이외 다른 원자나 원자단과의 작용은 생각할 수 없다. 다만 펩티드를 구성하고 남은 펩티드의 양쪽에 돌출하고 있는 말단부분(Peptide
terminal)에 잔존하는 카르복실기와 아민기만은 펩티드결합이 아닌 다른 종류의 결합을 할 수 있다.
결국 미네랄이온과 킬레이트할 수 있는 아미노산기는 α-위치에
있는 카르복실기와 아민기를 제외한 펩티드의 곁사슬에 존재하는 카르복실기와 아민기에 의존하여 킬레이트가 되는 것이다. α-아미노산의 분자구조식에서 표시된 R-은 펩티드의 곁사슬을 만들어주고, 이들 R-중에서도 킬레이트가 가능한 것은 한정되어 있다. 자연에 존재하는
아미노산이 가지고 있는 곁사슬은 표 8과 같다.
대다수의 아미노산은 상호간에 결합하여 펩티드를 구성할 수 있는 1개씩의
α-아민기(-NH2)와 α-카르복실기(-COOH)를 가지고 있을 뿐 킬레이트 반응에는 이용될
수 없다. 그러나 곁사슬을 가지고 있는 아미노산인 산성아미노산과 염기성아미노산은 α-위치의 카르복실기와 아민기는 펩티드 결합에 참여하여 펩티드 사슬을 만들어 주게 되고, 곁사슬에 남게 되는 카르복실기 함유 산성아미노산은 정전기 결합을, 아민기를
가지고 있는 염기성 아미노산은 배위공유 결합에 이용될 수 있는 곁사슬 원자단을 가지고 있어 이들의 복합적인 결합으로 미넨랄 이온을 킬레이트하게
된다.
안정된 킬레이트는 곁사슬을 구성하게 되는 카르복실기가 미네랄 이온과 정전기결합을 이룬 다음 풍부한
전자를 가지고 있는 카르복실 원자단으로부터 전자궤도(Eletron orbit)에 부족하게 회전되고 있는
미네랄 이온에 전자를 공여하므로 곁사슬의 아민기와 배위공유 결합을 하여 안정된 킬레이트를 형성한다. 펩티드의
경우 분자의 말단에 있는 아민기와 카르복실기, 그리고 곁사슬로 되어 있는 원자단은 모두가 미네랄이온을
배위할 수 있는 요소가 된다.
아미노산의 곁사슬에는 벤젠고리와 같이 공명효과(Resonance
effect)를 가지고 있는 것이 있다. 페닐알라닌(Phenylalanine),
티로신(Tyrosine), 트립토판(Tryptophane)이
여기에 속하며, 이들은 모두가 아미노산의 곁사슬 부분에 결합되어 있어 킬레이트를 단단하게 한다. 공명효능을 가지고 있는 원자단(Atomic groupe)을 가지고
있는 펩티드는 킬레이트결합에 안정성을 증가시키게 되며, 공명효과는 분자전체에 공명현상을 일으켜 화합물의
활성과 안정성이 일반 킬레이트화합물 보다 강력하고 안정하다.
킬레이트의 안정성에는 배위자의 입체적 조건이 중요하다. 배위자의
입체적 조건은 미네랄이온을 향한 전자 공여가 용이한 위치에 있어야 한다는 것을 의미한다. 배위자의 전자
공여체가 미네랄이온이 자리잡고 있는 위치에서 멀리 떨어져 있거나 배위해야 하는 곁사슬과 미네랄이온 사이에 입체적인 장해사슬이 개입되어 있을 경우는
킬레이트의 안정을 감소 또는 방해하게 된다.
킬레이트의 안정성에 관계되는 또 다른 조건은 공여(Donor)원자의
성질에 있으며 결정적인 것은 같은 미네랄이온에 결합될 수 있는 2개의 공여원자에 있다. 공여원자는 주기율표의 오른쪽에 있는 5족(Group-5)인 질소(N), 인(P),
비소(As), 안티몬(Sb)과 6족인 산소(O), 황(S), 셀렌(Se), 탈륨(Tl)과 같은 음이온들이다. 5족에 있는 질소보다 낮은 족의 원소들도 공여의 성질은 가지고 있으나 원소가 가지고 있는 전자의 수가 적은
관계로 질소 함유 배위자보다 전자 공여능력이 적게 나타난다. 공여체로서의 활동능력은 원자량의 증가에
따라 격감되고, 7족에 있는 할로겐(Halogen)원소들은
비킬레이트(Non chelate) 성질을 가지고 있다. 이들은
단순한 핵을 가졌고, 한쌍의 전자만을 가지고 있는 단일(Unidentate)성
배위자이기 때문에 공유결합에 필요로 하는 공여체로서 이용되지 못한다.
기초적인 원자단을 형성하게 되는 공여성 원자들은 -NH2.
-NH-, -N=, O, -O-, =N-OH, -OH, -S-, -PR2, -As이며 R2는
양이온과 결합할 수 있는 고립 전자쌍(Lone-pair) 형태로 작용된다. 산성 원자단인 -COOH, -SO3H, -PO(OH)2, -OH, +N-OH,
-SH들은 양자(Proton) 하나를 잃게 되면서 미네랄이온과 배위된다. 결국 공여원자는 주어진 배위자 내에서 변하고, 기본적인 강도는 킬레이트의
안정성에 해당되는 하전(Charge)에 따라 변하게 된다. 다시
말하자면 공여원자가 그들의 전기음성도(Electronegativity)에 의하여 변화되기 때문에 배위자를
제외한 공여원자의 변화는 그들의 전기음성도를 변화시키게 된다.
킬레이트 분자의 중앙위치에 자리잡고 있는 미네랄이온을 안정한 상태로 유지하려면 배위자, 미네랄이온의 전자구조와 크기, 미네랄이온의 산화상태, 배위수와 입체적 구조 조건이 적당해야 한다.
미네랄이온의 성질은 미네랄 원자의 최외각에서 맴돌고 있는 전자들의 불안전한 방출과 충전에서 특성이
발휘되고, 란탄족 원소(Lanthanide)와 악티늄족 원소(Actinide)와 같은 전이(Transition) 금속들은 이들과
동급인 알칼리금속의 킬레이트보다 안정하다.
킬레이트의 안정성은 킬레이트된 미네랄이온의 크기에 영향이 있는 것으로 이온의 크기는 배위 수에 관계되고, 분자와 이온의 성질은 순수한 정전기적 인력에 따라 결합의 거리가 조정되어 가깝게, 그리고 멀리 이어지는 결합 거리가 정해져서 안정성에 영향을 준다.
배위수는 양이온이 가지고 있는 하전(Charge)에 영향이
있으며, 하전이 약할 때는 적은 고립 전자쌍만을 갖게되고, 하전이
강할때는 높은 배위수를 갖게되어 +3 또는 +4까지 이룬다. 때문에 미네랄이온이 크고, 중심이온을 포위할 수 있는 배위 수가
크면 클수록 배위자는 미네랄이온에 가까이 포위될 수 있어 안정된 킬레이트를 만들어 주게 된다. 이때
결합되는 배위 수가 미네랄 이온의 2배로 되는 경우도 있다.
미네랄의 킬레이트가 강력하고 안정된 분자를 형성해야 매체인 수용액에서 분리됨이 없으며, 킬레이트 분자가 불안정하여 수용액에서 전해되거나 분리되면 미네랄 이온은 주위의 화합물과 반응하는 산화나 환원이
일어나 킬레이트 화합물로서의 기능이 상실된다. 산화나 환원은 미네랄이온의 금속화와 반응력의 상승을 의미하며, 미네랄이온 단독으로서의 특성을 발생하게 되는 원인이 되어, 주위의
물질과 반응을 촉진시키거나 비반응성 물질로 된다. 킬레이트의 불안정은 배위자와의 약한 결합에서 자주
일어나고, 배위자 내에 있는 곁사슬의 크기와 결합될 수 있는 배위자의 하전능에 크게 영향을 받는다. 반대로 미네랄이온에 대한 배위자의 적당한 입체적 크기와 평형을 이룰 수 있는 음전하와 배위공유 전자의 충분함은
킬레이트의 안정화에 큰 영향을 준다. 배위자의 부실하고 작은 분자, 특히
미네랄이온과 결합되는 결합사슬의 수가 3개 이하인 경우에는 분자로부터 미네랄이온의 노출현상이 야기되어
킬레이트의 특성을 갖지 못하고 금속이온으로서의 화학적 성질을 나타나게 되므로 장 점막의 단백질과 결합하여 이동성을 상실한다는 것은 앞에서 설명한
바 있다. 결국 미네랄이온의 킬레이트 화합물은 미네랄의 성질도 아니요,
배위자인 올리고펩티드의 성질도 아닌 제3의 특성을 가지고 있으며 극단적인 표현으로는 활성효소와
같은 성질을 가지고 있다.
생체내에 있는 미네랄이 킬레이트 구조물로 단백질과 단단하게 결합되어 있다는 것은 칼슘 뿐만 아니라 마그네슘 등을
이용한 방사선 동위원소와 전극에 의한 이온 선별방법(Ion selection)으로 확인되고 있고, 이들이 생체 유동물질(체액) 중에 미네랄 이온의 상태로 자유롭게 이동하고 세포막에 개입되어 있는 융합단백질을 통하여 세포내로 흡수되는 것은
모두가 킬레이트 화합물이라는 것이 확인되기에 이르렀다.
댓글 없음:
댓글 쓰기