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아미노산은 산성기와 염기성기를 동시에 갖기 때문에 수용액에서 쯔비터 이온의 형태로 존재하는 것입니다. 물은 극성 용매로서 양성자를 주고받는 반응을 안정화시키는데요, 따라서 아미노산 내부에서는 자연스럽게 양성자 이동이 나타납니다. 즉, 산성기인 카복실기(–COOH)는 H⁺를 내놓아 –COO⁻가 되고, 염기성기인 아민기(–NH₂)는 H⁺를 받아 –NH₃⁺가 되며, 이처럼 한 분자 안에 양전하와 음전하가 동시에 존재하는 전기적으로 중성인 쯔비터 이온이 형성됩니다.
이 상태는 특정 pH에서 특히 안정한데요, 각 작용기의 pKa 값과 용액의 pH가 균형을 이루면서 가장 낮은 자유에너지 상태를 만들기 때문입니다. 우선 산성 조건에서는 용액에 H⁺가 많기 때문에 아미노산은 수소 이온을 받아들여서 전반적으로 양전하를 띠게 됩니다. 반면에 염기성 조건에서는 용액 내에 H⁺가 부족하므로 양성자를 잃어 음전하를 띠게 되는데요, 이 사이에서 pH에서 양전하와 음전하가 정확히 같아지는 지점이 존재하며, 이를 등전점이라고 합니다. 이때 단백질 또는 아미노산의 알짜 전하는 0이 됩니다. 이 등전점에서 용해도가 가장 낮은 이유는 전기적 상호작용과 관련이 있는데요, 원래 단백질이 용액에 잘 녹으려면 분자 표면에 전하가 존재해야 합니다. 하지만 등전점에서 전체 전하가 0이 되면 반발력이 사라지기 때문에 쉽게 응집되는 것입니다. 또한 쯔비터 이온의 상태에서는 분자 내부의 양전하와 음전하가 서로 상호작용하기 때문에 물 분자와의 상호작용이 감소됩니다. 이 때문에 용해도가 낮아진다고 보시면 됩니다. 감사합니다.