제 1 장  키틴, 키토산 및 관련화합물의 입체배좌

1999.  3.  17

키틴, 키토산의 응용

(키틴, 키토산 연구회 編)

C   C   R   C

제 1 장 키틴, 키토산 및 관련화합물의 입체배좌

1. 1  서론

키틴, 키토산은 화학구조가 셀룰로오스와 유사하여, 자주 셀룰로오스와 비교되어 묘사된다. 그림-1.1에 이 세 종류 다당류의 화학구조를 나타내었다. ( )안의 숫자는 편의상 붙인 원자번호로, 예를 들어 O(1)은 1번의 산소, C(4)는 4번의 탄소를 불려진다. C(1), C(2), C(3), C(4), C(5), O(5)의 6개의 원자가 결합하여 환상으로 되어있는데, 이것을 피라노스 고리라고 부른다. 3종류의 화합물은 2번의 탄소에 결합한 관능기 R이 다를 뿐이다. 셀룰로오스는 R이 수산기(OH)인 글루코오스(포도당)와 1,4 결합(에테르 결합)한 중합물이다. 이에 대해 키토산은, R이 일급 아미노기인 글루코사민의 중합물, 키틴은 R이 NHCOCH3인 N-아세틸글루코사민의 중합물로, 모두 중합양식은 셀룰로오스와 같은 1,4 결합이다.

R :  OH       셀룰로오스

NH2      키토산

NHCOCH3  키틴

(주) 1. ( )안의 숫자는 구조단위(단당잔기)를

구성하는 각 원자의 번호

2. n은 중합도

그림-1. 1  셀룰로오스, 키토산, 키틴의 화학구조

분자 레벨에서의 삼차원구조를 나타내는 용어로써 立□配置(configuration)와 立□配座(conformation)가 있다. IUPAC(국제순정응용화학연합)의 권고에 의하면, 입체배치란, 예를 들어 이중결합을 매개로 한 시스·트랜스 또는 d체·□체와 같이, 화합물의 분자 내 화학(공유)결합에 의해 고정된 삼차원 구조를 말하며, 이것을 바꾸기 위해서는, 한번 공유결합을 끊고 재결합시키지 않으면 안 된다. 키틴, 키토산의 구조단위(단당잔기)의 입체배치는, 앞에 서술한 그림-1.1의 R이 다른 것을 빼면 매우 똑같다. 즉, 피라노스 고리는 의자형의 4C1로, 1번과  4번의 산소(1,4결합에 의한 중합체에서는, 이 두 가지의 산소는 같은 것으로, 글리코시드 결합 산소로 불리어진다), 3번의 산소, 6번의 탄소, 2번의 R 처음의 원자(셀룰로오스에서는 산소, 키틴, 키토산에서는 질소)의 모두가 피라노스 고리의 면에 대해서 거의 수평(equatorial)의 위치에 있다(그림-1.9 좌하 그림 참조). 또한, 1번 산소가 수평일 경우, □-글루코스, □-글루코사민과 같이, 구조단위의 이름 앞에 [□-]를 붙인다. 수직(axial)일 경우는 [□-]가 붙는다. 더 나아가, 셀룰로오스의 화합물 명은 폴리-1,4-□-글루코오스(1,4-□-글루칸이라고도 한다), 키토산은 폴리-1,4-□-글루코사민, 키틴은 폴리-1,4-□-N-아세틸글루코사민이다. 정식으로는 구조단위명 앞에[D-]가 붙어, 폴리-1,4-□-D-글루코사민 등으로 쓰지만, 이 장에서 다루는 모든 구조단위는 D체이므로 생략한다.

이에 대해 입체배좌란, 화합물의 일중결합을 축으로써 회전하는 것에 의해 결정되는 삼차원 구조로, 예를 들어 용액의 pH 등, 주변의 조건에 의해 쉽게 변화된다. 폴리펩티드의 helix-coil전이 등은 입체배좌의 변화이다. 고분자 화합물의 입체배좌 연구법으로써는 X선 회절, 전자선 회절, 중성자 회절 외에, NMR, 분광측정 등이 있지만 절대구조를 결정할 수 있는 것은 회절법이다. 단, 회절법에서는 시료의 결정부분 밖에 [보이지 않는]것에 비해, 다른 측정법에서는 비晶 부분도 [보이는]것으로, 이것들은 서로 상보적인 관계에 있다. 최근 NMR, 특히, 고체를 측정하는 NMR을 이용한 입체배좌의 연구가 활발하게 행하여지고 있다. 회절법에서 제일 잘 사용되는 것은 X선 회절이다. 전자선 회절에서는 단결정을 얻는 것은 저분자에서는 어쨌든, 고분자 화합물에서는 먼저 불가능하다. 구체적으로는 실의 필름을 연신한다, 또는 농후 용액을 주사기로부터 추출 등 하여 분자쇄를 배향시켜(이것을 일축배향이라고 한다), 열처리(아닐링, annealing)등 으로 결정성을 잘 만들어 측정시료를 조제한다. 그리고, 시료에 X선을 하여, X선 회절 섬유도형을 얻는다. 실례로써, 후술하는 □-키틴의 섬유도형을

그림-1,2에 나타내었다.

결정이란, 원자 또는 원자단이 주기적으로

규칙 정연하게 배열되어 있는 상태를

말하는데, 그 최소단위가 단위격자이다.

단위격자는 말하자면 상자와 같은 것으로,

키틴, 키토산과 같은 1종류의 구조단위로

된 직쇄상 고분자 화합물에서는, 그 상자의

가운데에 어떤 것의 분자쇄의 일부분(반복된         그림-1. 2  □-키틴의 섬유도형

단위)이 들어있다. 이 상자가 전후상하좌우로

쌓여진 것이  결정이다. 단위격자의 형태와 사이즈를 결정하는 것은, 상자를 형성하는 3변(이것을 a, b, c 축이라 부른다)의 길이와, 그것들이 서로 교차하는 각도 [□(b축과 c축), □(c축, a축), □(a축, b축)]이다. 여기에서 잘라놓은, 이들의 각도로써 사용된 기호는 다당류의 구조단위인 □, □와는 어떠한 관계도 없다. 또한, 직쇄상 고분자 화합물인 경우, 관행으로써, 분자쇄의 방향(섬유축)을 c축으로 한다.

本 章에서는, 주로 X선 회절법에 의해 밝혀진 키틴, 키토산 및 관련화합물의 입체배좌에 대해서  분자레벨에 한정하여 해설한다. 생체에 있어서 키틴-단백질 복합체 등의 초분자 구조(superstructure)에 대해서는, 『최후의 바이오매스 키틴, 키토산』에서 古賀가 소개하였으므로 참조하기 바란다.

1. 2  키틴

현재 키틴에는 □, □, □의 3종류의 결정구조(polymerph)가 있는 것으로 되어있다. 대단히 번잡한 것인데, 이들 세 가지의 그리스문자도 단위격자 파라메타인 □, □, □ 또는 다당의 구조단위인 □, □와는 관계없다. □-키틴은 게, 새우, 보리새우, 곤충 등 절족 동물의 껍질이나 힘줄에 존재하고, 양적으로는 다른 2종류에 비해서 압도적으로 많다. □-키틴은 규조류나 인도 오징어(Lorigo)등 오징어의 껍질(pen)에 존재한다. □-키틴은, 똑같은 인도오징어의 위장의 내층에서 발견되었다. □-키틴 시료를 염산 등의 강산으로, 또한, □-키틴을 포화리튬치오시아네이트 용액으로 처리하면, 모두 □-키틴으로 바뀌지만, 그 반대는 일어나지 않는다. 또한, □-키틴을 포름산에 녹여 재침전하면 □-키틴으로 되며, 이미 포름산에 녹지 않게 된다. 키토산을 알칼리화 하여 조제한 합성 키틴은 □-키틴이다. 즉, 키틴의 제일 안정한 결정구조는 □-키틴이다.

1. 2. 1  □-키틴

□-키틴의 입체배좌 연구는 오래 전 1926년 gonell이 시작하였고, Meyer와 Mark, Meyer와 Pankow, Clark와 Smith, Carlsr□m으로 이어졌고, 제일 상세한 구조는, 1978년에 Minke와 Blackwell에 의해 밝혀졌다(그림-1.3). 섬유도형(그림-1.2)의 해석에 반세기나 걸린 이유는 두 가지가 있다. 먼저 해석에는 팽대한 계산을 하지 않으면 안 된다는 것. 이것은 전산기의 출현과 대형화가 해결하였다. 다른 한가지는 앞에서도 서술했듯이, 측정에는 단결정을 이용하는 것이 사실상 불가능하여, 일축배향한 시료를 이용하므로 섬유축(c축)에 대한 정확한 정보는 얻어지지만, a,b축에 대해서는 아무래도 애매한 면이 남아있기 때문이다. 전자선 회절에서는 단결정(전자현미경으로 관찰 할 수 있는 미세한 것)으로 한다. 이 방법은 a,b축은 정확히 구하지만, 기술상의 제약으로 c축이 불명확하다.

그림-1.3에서는 □-키틴 결정의 단위격자내의 키틴 분자쇄를 묘사하고 있다. 원자는 O표시로, 결합은 봉으로 묘사한 여러 가지 「봉구 모델」이다. 또한, 점선은 수소결합을 나타낸다. 수소원자는 생략하였다. 단위격자는 a=4.74, b=18.86, c=10.32Å, □=□=□=90o이다. 이와 같이  a,b,c축 길이가 서로 같지 않고, 세 개의 각도 모두가 90o, 즉 3변이 서로 직교하고 있는 형태를 斜方晶系라고 한다. 직선으로 둘러싸인 부분이 단위격자 인데, (a)그림은 b축과 c축으로 둘러싸인 부분의 투영도로서 말하자면 측면도이다. (b)그림은 a축과 b축으로 둘러싸인, 이른바 단면도이다. (b)그림을 보면 격자 내에 5개의  키틴 분자쇄가 들어있는 것처럼 보이지만, 실제로는 네 모퉁이(코너)의 분자쇄는 전후좌우에 있는 다른 세 개의 격자에도 관여하고 있으므로 한 개의 격자에 대해서 모두 1/4의 기여밖에 없다. 더욱이, 격자 내에는 2개의 키틴 분자쇄(코너와 센터)가 들어있게 된다.

(주) 점선은 수소결합. 수소원자는 생략

그림-1. 3  □-키틴의 결정구조

단위격자의 bc, ab 각 면의 투영도

Reproduced with permission  from R. Minke, J. Blackwell,

JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY, 120, 167-181(1978)

Copyright(1978), Academic Press Inc,. (London) LTD.

개개의 키틴 분자쇄는 그 구조단위인 N-아세틸글루코사민 2잔기로, 하나의 입체적인 「반복」을  구성하고 있다((a)그림). 분자쇄를 그 방향(c축에 평행)을 축으로 해서180o 회전하여, c축의  반분(반  피치)上 도는 下로 바꾸면 아주 똑같아 지는 것으로부터, 이 입체배좌를 2회 나선(2/1)구조라고 한다. 또한, 지그재그 구조라고도  불려진다. 이 2회 나선구조는, N-아세틸글루코사민 잔기의 5번 산소와 이웃 잔기의 3번 산소 사이의 분자 내  수소결합에 의해 안정화되어 있는데, 같은 수소결합은 셀룰로오스에도 존재한다. 그런데, 코너에 있는 분자쇄를 구성하고 있는 모든 단당 잔기의 5번 산소원자가, c축상(정의에서는 z축 이지만, 사방정계에서는 c축과 일치한다), 5번 탄소보다도 위에 있다. 이러한 상태를 분자쇄가 「상향」에 있다고 말한다.  이에 대해, 센터쇄는 반대로 「하향」이다. 즉, b축으로  연이어진 이웃한 분자쇄는 서로 역향(역평형)으로, 이러한 것이 □-키틴의 특징이다. 「상향」에서 서로 평행한 코너쇄는, a축으로 연이어진 2개의  수소결합으로 결합된 시트를 형성하고 있다. 또한, 「하향」의 센터쇄는 이웃 격자의 센터쇄와 2개의 수소결합을 매개로써 시트를 만들고 있다. 또한, 「상향」시트와 「하향」시트는 다른 수소결합으로 이어져 있다. 즉, (a)그림을 보면, 코너와 센터쇄를 수소결합으로 이은 6번의 산소원자(O-6)를, 모든 다른 잔기도 두 개씩 갖고 있는 것처럼 보인다. 이것은 존재 확률이 각각 50%라는 것을 의미한다. 즉, 2번 아미노기(NHC=O)의 산소(O-7)의 절반은 분자쇄내 이웃의 N-아세틸글루코사민 잔기의 O-6과 수소결합하고 있지만, 나머지  절반은 결합하고 있지 않다. 이 통계상의 2종류  아마이드기의 존재는, □-키틴의 적외 흡수 스펙트로에서 아마이드Ⅰ 밴드가 1621과 1656cm-1의 2개소에 나타나는 것의 원인이 된다. 또한, Carlst□m 까지의 해석에서는 시트간의 수소결합이 없어, 이 적외흡수의 결과를 설명 할 수 없었다.

어쨌든, □-키틴에서는 분자쇄 사이가 많은 수소결합에 의해 결합되어 있다. □-키틴이 다음에 서술하는 □-키틴과는 달리, 물에 침적해도 팽윤되지 않는 것은 이것 때문이다. 또한, □-키틴 시료가 나타내는 섬유도형(그림1.2)에는, 이 결정구조에는 없는 (001)면의 회절점이 엄연히 존재하는 것으로부터, 이 해석에 의문을 갖는 연구자도 있다.

1. 2. 2  □-, □-키틴

□-키틴은 그 존재량이 □-키틴에 비해 매우 적은 것도 있고, 입체배좌에 대해서는 약 4반세기 후의 1950년 Lotmer와 Picken이 시작하여, Dweltz등을 거쳐, 1957년 Gardner와 Blackell이 상세한 구조를 밝혀냈다(그림-1,4). 단위격자는 a=4.85, b=9.26, c(섬유축)=10.32Å, □=□=90o, □=97.5o이다. □-키틴의 경우와 달리, □≠90o, 즉, a축과 b축이 직교하지  않는다((a)그림).

그림-1. 4  □-키틴의 결정구조

단위격자의 ab, ca, bc 각 면의 투영도

Reprinted from K.H. Gardner, J. Blackwell,

BIOPOLYMERS, 1975, 14, 1581-1595. BY

Permission of John Wiley & Sons, Inc.

Copyright(1975), john Wiley & Sons, Inc. ⓒ

이 형태를 單斜晶系라고 한다. (a)그림(단면도)을 보면, □-키틴에서는 코너쇄 뿐이다. 즉, 결정격자에는 1개의 키틴 분자쇄가 들어있다. (b), (c)그림은 모두 측면도로서, 왼쪽은 ca면, 오른쪽은 bc면의 투영도이다. 분자쇄의 입체배좌는 □-키틴과는 달리 역향의 분자쇄가 없다. 즉, □-키틴에서는 모든 분자쇄가 같은 방향으로 나열되어 있다. 바꿔말해서, 분자쇄는 서로 평행이다. 또한, □-키틴에서는, 분자쇄간  수소결합은 a축으로 이어져 있을 뿐이고, b축을 따른  분자쇄간에는 존재하지 않는다. 즉, a축을 사이로 둔 분자쇄는 수소결합에 의해 서로 결합된 시트를 형성하고 있지만, □-키틴과는 달리, 시트간에 물분자가 들어가 팽윤이 일어난다. 또한, □-키틴이 통상의 용매에 용해되지 않는 것에 비해, □-키틴은 포름산에 녹는다. 이러한 성질은 키틴의 이용이라고 하는 관점으로부터 중요하다.

□-키틴의 구조는 □-, □- 양 키틴을 혼합한 것 같은 것으로, 키틴 분자쇄가 예를 들어, 「상·상·하·상·상·하」의 방향으로 배열되어 있다. 그럼에도 불구하고, 최근에는, □-키틴은 하나의 결정이 아니라 □-와 □-키틴의 결정이 혼합된 混品에 지나지 않는 것이라고 한다.

1. 3  키토산

키틴을 탈아세틸화 해서 얻은 키토산은 키틴과는 달리, 희염산, 유기산 수용액 등에 용해된다는 점 및 그 분자쇄를 구성하는 글루코사민 잔기가 유리의 일급 아미노기(-NH2)를 가진 고분자 전해질이라는 점으로부터, 생물자원으로서는 키틴보다도  유망 시 된다. 현재, 일본의 키틴의 연간 소비량 약 600톤의 8할 이상이 키토산의 원료가 된다.

그림-1. 5  키토산의 섬유도형

표-1. 1  키토산의 결정 다형

결 정 형	단위격자의 파라메타					함 수 량
	晶系	a(Å)	b(Å)	c(Å)	□(o)
1. Tendon 2. Annealed 3. L-2 4. l-2	사방 사방 단사 단사	8.9 8.24 8.67 11.64	17.0 16.48 8.92 11.64	10.25 10.39 10.24 10.30	92.6 99.2	1 0 1 -

(주) * 섬유축

키토산의 입체배좌 연구는, 키토산 자체가 키틴의 화학처리에 의해 인공적으로 만들어진다는 점으로부터 키틴, 특히 □-키틴보다 약  10년 늦은 1937년 Clark와 Smith에 의해 최초의 섬유도형(그림-1.5(a))이 얻어졌다. 그들은 랍스타의 힘줄(tendon)의 키틴을 탈아세틸화 하여 조제한 키토산 시료로부터 X선 도형을 얻은 것으로, 그 결정형은 tendon chitosan이라고 불려진다. 그 후, Samuels의 FormⅠ·Ⅱ, Ogawa등에 의한 annealed(그림-1.5(b)), Sakurai등의 l-1, L-2의 計 5종의 섬유도형이 보고되었는데, Sakurai등에 의하면, FormⅠ은 키토산의 포름산염 이고, Form Ⅱ는 L-2와 같다. 또한, 현재 4종류의  결정형이 발견된 것으로 되어있다(표-1.1). tendon, L-2, l-2가 키토산 분자쇄간에 물분자가 들어있는 수화형 인것(l-2의 함수량은 불분명)에 비해, annealed chitosan은 무수형이다. Ogawa등은 게껍질을 탈아세틸화 해서 조제한 키토산 분말로 제작한 필름을 연신하여 키토산 분자쇄를 배향시켰다. 이 시료는 tendon chitosan과 같은 섬유도형을 나타내었다. 그들은, 이 연신 필름을 수중에서 190℃ 이상으로 열처리하여 annealed chitosan을 얻었다. 한편, sakurai등은 키토산의 포름산 용액으로 조제한 필름으로부터 L-2를 얻었다.

Saito등은 게와 새우 껍질의 키틴으로 조제한 키토산 분말 및 이것을 200℃ 이상에서 열수처리한 시료의 X선 분말도형과 고체 고분해능 C13 NMR측정을 하여, 양 측정의 결과가 서로 잘 대응하고 있다는 것을 나타내었다. 또한, 게 껍질의 키토산은 tendon chitosan을, 새우는 L-2와 동일한 분말도형을 나타내었다. 이들 샘플을 열수처리 하면 모두 annealed chitosan이 되는데, 게의 키토산에서는 220℃에서 거의 완전히 결정형의 전이가 일어나는 것에 비해, 새우에서는 L-2가 잔존한다. 또한, 새우로부터의 키토산 시료는 게 보다도 고점도를 나타내었다. 이들의 실험결과로부터, 결정형은 키토산 시료의 분자량에 의존하며, 분자량이 높은 키토산은 L-2를, 낮은 시료는 tendon을 나타내는 것으로 생각된다. 또한, annealed chitosan은 에너지 적으로 제일 안정된 구조이다.

표-1.1의 4가지 결정형의 단위격자 파라메타 중에서 c축(섬유축)이 서로 매우 비슷하다는 점, 또한 그 수치가 키틴과 거의 같다는 점으로부터, 모든 결정에 있어서, 키토산 분자쇄는 키틴과 같이 잘 늘어난 2회 나선 구조(그림-1.6(a))를 취하는데, 분자쇄간의 상대적  위치 관계와 물분자의 유무가 다르다. 다만, 키토산의 네 가지 결정 다형에 대해서는, 모두 상세한 구조해석은 끝나지 않았다. 또한, 그림-1.6(b)의 폴리-1,4-□-갈락토사민에 대해서는 후술한다.

1. 3. 1  키토산염

키토산은 그 구성잔기에 아미노기가 존재하므로, 산과 쉽게 반응하여 염을 형성한다. Ogawa와 Inukai는 tendon chitosan을 강산인 황산, 질산 및 4종류의 할로겐산(불소산, 염산, 브롬산, 요오드산)의 수용액에 침적하여, 각각의 키토산염을 조제하였다. 그것들이 나타내는 섬유도형으로부터, 키토산염은 기본적으로 두 종류의 입체배좌를 갖는 것을 밝혀냈다(표-1.2). 질산염 등의 TypeⅠ염은 본래의 키토산과 매우 유사한 2회 나선구조(그림-1.6(a))를,  또한 염산염 등의 TypeⅡ는 8/5나선, 즉, 글루코사민 8잔기가 좌권(왼쪽 나사 감김)으로 3회전하여 1반복된 구조를  구성하고 있다(그림-1.7). 여담인데, 필자 등은 자주 「우권(또는 좌권)이란 분자쇄의 상·하 모든 방향으로 향한 경우입니까」라는 질문을 받는다. 여기에는 「나사 또는 목욕탕에서 수건을 짜는 것을 보기 바란다. 어느 쪽에서 보아도 동일하다」라고 대답해 준다.

(a) 키토산      (b) 폴리-1,4-□-

갈락토사민

그림-1. 6  키토산과 폴리-1,4-□-            그림-1. 7  TypeⅡ염에 있어서 키토산의

갈락토사민의 입체배좌                       입체배좌(8/5나선)

TypeⅠ에는 분자쇄간에 물분자가 들어있지 않지만, TypeⅡ에는 존재한다. 6종류 키토산염의 섬유도형 해석은 모두 종료되지 않았으므로, 키토산의 아미노기에 이온결합하고 있는 산의 정확한 위치는 알 수 없지만, 그림-1.7의 단면도를 보면, TypeⅡ염 에서는, 모든 아미노기(그림의 모든 질소원자)가 분자쇄의 원통 바깥쪽에 있음을 알 수 있다. 더욱이, 산은 더욱 외측에 결합되어 있는 것으로 생각되며, 작은 불소로부터 황산까지, 산 이온의 사이즈에 관계없이  결합 할 수 있다. 또한, TypeⅠ의 2회 나선과 TypeⅡ의 8회 나선에서는, 분자쇄 방향의 길이에는 별다른 차이가 없다. TypeⅠ 염에서는 그 반복단위(2글루코사민 잔기)의 길이(피치)는 10.4℃전후(염에 의해 조금 달라진다)이다. 한편, TypeⅡ에서는 40.7Å. 단, 이 수치는 8잔기분 이므로 2잔기당에서는 10.2Å이 되며, TypeⅠ과 비교하면 조금 짧을 뿐이다. 즉, TypeⅡ염의 입체배좌는 후술하는 폴리-1,4-□-글루코사민이나 폴리-1,4-□-갈락토사민과 같은 완만한 진폭이 큰 Wide helix(그림-1.10)가 아니고 TypeⅠ염처럼 잘 늘어난 나선이다.

표-1. 2  키토산염의 입체배좌에 의한 분류

Type	Ⅰ	Ⅱ
입체배좌	2회 나선	8회(8/5) 나선
무기산 염	질산 과염소산 불소산* 요오드산*	브롬산 염산 황산 인산 과요오드산
유기산염	폴리플로로 초산	초산 포름산

(주) *다른 쪽 구조도 소량 함유한다

Saito등은 고체  고분해능  13C-NMR을 이용하여 상기 6종류의 염 외에, 몇 가지의 무기·유기산염의 해석을 행하여, 모든 염은 TypeⅠ,Ⅱ 중에서의 입체 배좌를 취한다는 것을 밝혀냈다. 또한, X선 회절법에서는 검출되지 않았지만, NMR에 의해 브롬산, 요오드산염에는 소량의 TypeⅡ염이 존재하고 또한, 초산, 포름산염에도 양 Type의 염이 공존한다는 것을 알았다(표-1.2).

키토산염 생성의 기구는 해명되지 않았지만, 분자쇄의 입체배좌는 2종류밖에 없고, 모두가 본래의 키토산 처럼 잘 늘어난 구조라는 것은 아마도 키토산 분자의 강직성(입체장해)에 의한 것일 것이다. 또한 무수의 annealed  chitosan염을 형성하지 않는다는 점으로부터 분자간에 존재하는 水, 산의 水和 등, 물분자가  염의 형성과 입체 배좌를 결정하는 요인이 된다.  tendon chitosan의 분자쇄간에 존재하는 물분자를 추출하도록 하여 산이 들어가 염을 형성하는데 그 때, 물분자를 갖지 않고 들어가는 산(TypeⅠ염), 갖고 들어가는 산(TypeⅡ염)이 있다. 전자에서는 키토산의 입체배좌를 거의 변화시키지 않지만, 후자에서는 변화시켜, 키토산은 조금 줄어든 구조를 취한다. 또한 酸측의 요인으로써, 그것의  水和만으로는 모든 것을 설명할 수 없다. Saito등은 산의 hardness로 설명 해보려고 시도하였다.

1. 3. 2  키토산-중금속 복합체

키토산은 천이금속 이온을 선택적으로, 또한 효율 좋게 배위결합 하므로 뛰어난 중금속 포집제이다. Ogawa등은 연신하여 분자쇄를 배향시킨 키토산필름(결정형은 수화형의 tendon chitosan)을 천이금속(코발트, 니켈, 동, 아연, 카드뮴, 수은 : 모두 2가의 이온)의 황산 및 염산염의 수용액에 침적하여 복합체를 제조하였다. 그것들이 나타내는 섬유도형으로부터, 복합체가 형성되어도 키토산의 2회 나선 구고(그림-1.6(a))는 유지된다는 것, 복합체의 결정형은 금속이온의 종류에는 관계없이 對 이온(황산, 염산)에 의해 결정된다는 것을 알았다. 또한, 모든 복합체에 있어서 글루코사민 잔기 두 개에 대해서 하나의 금속염이 배위 된다는 것(2:1 복합체), 염산염 복합체에서는 잔기당 1분자의 물이 들어있는 것에 비해 황산염 복합체에서는 6분자 존재하는 것을 밝혀냈다.

(주) 세로의 직선은 키토산 분자쇄

N :  아미노기의 질소원자

M : 금속이온

X : 전자 공여체(배위자)

(a) 가교모델          (b) 펜던트모델

그림-1. 8  키토산-금속 복합체의 가교모델과 펜던트 모델

종래, 복합체에 있어서 예를 들어 4배위의 동(銅) 이온은 키토산 분자의 4개의 아미노기에 배위되는 여러 가지 「가교설」이 제창되었다. 즉, 동 이온은 키토산 분자쇄 내의 두 개의 아미노기와 인접하는 분자쇄의 두 개의 아미노기에 의해 배위 된다(그림-1.8(a)). 그러나, 이 모델에서는 X선 회절의 결과를 설명할 수 없다.  두 개의 동 이온이 배위되는 경우, 한 가운데 동 이온이, 네 모퉁이에 배위자(이 모델에서는 아미노기의 질소원자)가 있는 정사면체 구조를 취하는 것이 일반적이다. 한편, 섬유도형의 해석은 종료되지 않았지만, 前記와 같이, 복합체에 있어서 키토산 분자쇄는 잘 늘어난  2회 나선이다. 그 분자쇄 내에서 제일 가까운 두 개의 질소간의 거리는 7.6Å이나 되어, 안정된 착체의 생성에는 너무 길다. 그러면, 분자쇄간은 어떨까? 결정격자 내에서 인접 분자쇄간의 두 개의 질소 원자가 제일 가까운 모델을 가정해도 그 거리는 8.1Å이나 된다. 더욱이, 적어도 결정상태에서는 「가교」모델은 불가능하다. 가장,  질소-동 이온간(더욱이 두 개의 질소 간)의 거리가 길어도 약한 배위결합은 가능하다. 그럼에도 불구하고 결정 내에는 강한 배위능을 가진 물분자 외에, 對 이온 또는 구조단위인 글루코사민의 수산기(배위력은 약함)도 존재하므로 굳이 「가교」구조를 취할 필연성은 없다.

Ogawa등은 키토산-금속 복합체의 구조 모델로써, 글루코사민의 2량체의 한 개의 아미노기가 한 개의 금속 이온을 배위결합한 「펜던트 모델 說」을 제창하였다. 4배위 금속이온의 경우의 모델을 그림-1.8(b)에 나타내었다. 금속이온(M)은 키토산 분자쇄의 하나의 아미노기와 세 개의 전자 공여체(X)에 의해 배위되어 있다. 염산염 복합체의 경우는, 세 개의 전자공여체 중 두 개는 염소이온이고, 나머지  하나가 물분자이다. 황산염 복합체에서는 세 개 모두 물분자가 익, 황산이온은 강하게 수화되어 금속이온과 그리 멀지 않은 곳에 존재한다. 또한, 전술한 키토산염의 형성과 똑같이, 무수형의 anealed chitosan에서는 복합체 생성에 필요하다고 할 수 있다. 이 경우에도 앞의 염의 형성과 똑같이, 분자쇄간의 물분자를 추출하도록 하여 금속 염이 들어가는 것으로 생각된다.

현재, 이 두 가지 說을 둘러싸고 논쟁이 일어났다. X선 회절법의 약점은 시료의 非晶부분이 「보이지  않는」것이다. 그러나, 비결합원자간의 에너지 계산(분자 내에서 서로 결합하지 않은 원자간의 van der waals 반발 에너지의 계산)에 의하면, 비정부분이라해도 키토산 분자쇄 내의 두 개의 질소원자간의 거리가 4.2Å이하로 되는 것 같은 입체배좌는 먼저 불가능하다.  더욱이, 대부분은 「펜던트 모델」구조를 받아들이지 않은 것으로 생각된다. 「가교설」론자는 키토산의 입체배좌를  고려하지 않았다.

Domard, Rinaudo와 Domard는 용액중의 키토산-동 복합체의 구조로써, 모든 글루코사민 잔기에 동 이온이 배위된 펜던트 모델을 제창하였다. 용액에서는 인접한 키토산 분자쇄는 서로 떨어져 있으므로, 이러한 1:1 복합체의 형성이 충분히 가능하다. 그들은 키토산-동 복합체의 겔이  생성되지 않는 점 등으로부터 「가교설」을 부정하고 있다.

1. 4  폴리글루코사민과 폴리갈락토사민

다당류로써 제일 잘 알려진 것으로 포도당(글루코오스)의 중합물이 있다. 그림-1.1 나타낸 셀룰로오스는 □-글루코오스가 1,4-결합으로  연결된 것이다. 글루코오스(2번의 R이 수산기)에는 1번(환원성)과 4번 이외에도, 2번, 3번과 6번에 수산기가 있다. 더욱이, 1,4-결합 이외에 1,2-, 1,3-, 1,6-의 세 종류 중합양식이 가능하다. 또한, 처음에도 서술했듯이, 1번의 산소가 피라노스 고리에 대해서 수직인가 수평인가에 의해 □-와  □-글루코오스가 있다. 즉, 포도당의 중합물(글루칸 이라고 한다)은 8종류 생각되고, 또한 그 모두가 자연계에 존재한다. 그 중에서 현재까지 입체배좌가 밝혀진 것은 1,3-□-, 1,3-□-, 1,4-□-, 1,4-□-와 1,6□-글루칸이다. 필자는 이전, 1,3-과  1,4-글루칸에 대해서 결합양식에 의한 입체배좌의 차이(다름)를 소개하였다. 前記와 같이  1,4-□-글루칸(셀룰로오스)은 키틴, 키토산과 같이 잘 늘어난 2회 나선으로 분자쇄는 강직하지만, 여기에 가까운 것이 1,3-□-글루칸이다. 한편, 1,4-□-글루칸(전분의 아밀로오스)과 1,3-□-글루칸은 모두 완만한 6회 나선 구조이다. 또한, 양 글루칸의 분자쇄는 유연하고, 환경의 변화에 의해 입체배좌를 크게 바꾼다.

이러한 결합양식에 의한 글루칸의 입체배좌의 상위는 키틴, 키토산, 적어도 키토산의 유사물질에도 일어난다. 왜냐하면, 키토사의 구조단위인 글루코사민의 2번의 아미노기와 글루코오스의 수산기의 체적에는 그다지 차이가 없다. 유감스럽게도 현재까지 1,4-□-결합 이외의 폴리글루코사민에  대해서는 입체배좌의 연구가 이루어지지 않았다. 한편, 구조단위의 2번 탄소에 아미노기가 결합하고 있다는 점으로부터, 키토산의 유사물질로 생각되는 폴리-1,4-□-갈락토사민에 대해서는 입체배좌가 밝혀졌다. 이 절에서는 구조단위의 입체배좌(conformation)에 대해서  소개한다.

글루코사민(GluN)과 갈락토사민(GalN)과의 입체배치의 차이는, 피라노스 고리의 4번 탄소에 결합된 산소가 고리의 면에 대해서 GluN에서는 거의 수평, GalN에서는 수직으로 결합되어 있다는 것이다(그림-1.9). 더욱이, 이들 단당이 각각 1,4-결합으로 중합한 경우, 생성되는 다당의 입체배좌는 상당히  다른 물질이 된다고 생각된다. 키토산(폴리-1,4-□-글루코사민)의 구조단위인 □-GluN(그림-1.9 좌하)에서는, 처음에도 서술했듯이, 1번과 4번의 산소는 모두 피라노스 고리에 대해서 수평으로 결합하고 있다. 한편, 폴리-1,4-□-갈락토사민의 모노머의 □-GalN(그림-1.9 우상)에서는, 양 산소와도 수직이다. Ogawa등은 X선 회절에 의해 폴리-1,4-□-GalN의 입체 배좌는 2회 나선인데, 키토산과는 달리, 약간 굴곡된 지그재그 구조라는 것을 밝혀냈다(그림-1.6(b)).

글루코사민         갈락토사민

(주) ● 질소원자         수소원자는 생략

( )내의 숫자는 산소원자의 번호

그림-1. 9  글루코사민과 갈락토사민의 입체배치

한편, 피라노스 고리에 대해서 1번 산소는 수직, 4번은 수평인 □-GluN(그림-1.9 좌상), 및 반대로 1번 수평, 4번 수직의 □-GalN(그림-1.9 우하)이 각각 1,4-결합한 다당이다. 폴리-1,4-□-글루코사민과 폴리-1,4-갈락토사민에 대해서는 현재, 적당한 시료가 없어서 X선 회절 측정이 이루어지지 않았다. 그럼에도 불구하고, 前出의 비결합 원자간의 에너지 계산에 의해 안정된 입체배좌를 예상할 수 있다. Ogawa 등은 이들 양 다당도 키토산이나 폴리-1,4-□-GalN과 같은 2회 나선구조를 취하는 것은 에너지적으로 불가능 하고, 모든 다당도 앞의 1,4-□-, 1,3-□-글루칸과 같이, 완만한 진폭이 큰 wide helix로 된다고 예상하고 있다. 그리고, 양 다당의 에너지 적으로 가능한 모델을 제안하였다(그림-1.10). 폴리-1,4-□-글루코사민은 6/5나선, 즉, □-글루코사민 6잔기로 좌권으로 1회전하여 반복된 구조를 구성하고 있다. 폴리-1,4-□-갈락토사민은 6/1나선(즉 우권)이다. 또한, 에너지 계산에 의하면, 양 다당과도 큰 구조변화가 가능하다.

(a) 폴리-1,4-□-글루코사민(6/5나선)      (b) 폴리-1.4-□-갈락토사민(6/1나선)

그림-1. 10  에너지 적으로 안정된 폴리-1,4-□-글루코사민과

폴리-1,4-□-갈락토사민의 입체배좌

천연물인 다당류는 생체에 있어서 골격·저장·접착·정보전달 이라고 하는 기능을 갖고 있는데, 이들의 기능은 분자레벨의 입체배좌에 의존하고 있다. 앞의 글루칸에서는, 강직한 2회 나선 구조를 취하는 1,3-□-와 1,4-□-글루칸은 주로 식물의 골격을 구성하고 있는 것에 비해 유연한 wide helix의 1,3-□-, 1,4-□-글루칸은 저장 다당으로써 에너지원이 되고 있다. 今回의 글루코사민과 갈락토사민의 중합물의 생체에 있어서의 기능에 대해서는 현재, 아직 아무 것도 알 수 없지만, 적어도 키토산의 origin인 키틴은 절족동물이나 곤충의 골격이 된다.

1. 5  맺음말

유사이래 광범위하게 이용되어 온 셀룰로오스는 그 입체배좌에 대해서 팽대한 연구가 이루어져 많은 결정형이 발견되었다. 그러나, 거의 모든 결정에 있어서, 개개의 셀룰로오스 분자쇄는 잘 늘어난 2회 나선이다. 화학구조·입체배치도 셀룰로오스와 유사한 키틴, 키토산의 입체배좌는 적어도 현재 판명되어 있는 것에 한해 셀룰로오스와 거의 동일하다. 또한, 염 또는 금속 복합체 형성에 의해서도 분자쇄의 입체배좌를 거의 바꾸지 않는 키토산은 셀룰로오스와 동일한 매우 강직한 분자구조를 갖고 있다고  한다.

키틴, 키토산 및 그 관련 물질의 입체배좌 연구는 셀룰로오스 연구와는 개시가 거의 동일한 시기임에도 불구하고 현재 막 시작했다고 해도 과언은 아니다. 키틴, 키토산의 유효이용 즉, 부가가치가 높은 물질로의 전환에는, 그 물질에 대한 상세한 정보가 필요하다. 입체배좌는 그 한가지로 특히, 제약 관계에서 이루어지는 분자설계에 취하는 필요불가결한 정보이다. 이 분야의 연구 발전을 기원하며 이 章을 마치고자  한다.