향은 왜 분자 구조가 조금만 달라도 완전히 달라질까요?

Question

안녕하세요. 분자식이 같아도 구조가 다른 이성질체라는 개념이 있잖아요. 이때 이성질체는 왜 전혀 다른 냄새가 나는 것이며 이는 후각 수용체와의 입체화학적 결합 특성과 어떤 관련이 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

분자식이 같고 구성 원자도 동일한데, 구조가 조금만 달라졌을 뿐인데 냄새는 완전히 달라지는 현상은 후각이 작동하는 방식이 화학 조성 자체보다는 분자의 3차원 구조와 물리적 성질을 인식하는 감각이기 때문입니다.

우선 이성질체는 같은 분자식을 가지더라도 원자의 연결 방식이 다른 구조 이성질체나 공간적 배열이 다른 입체 이성질체로 나뉩니다. 이 차이는 분자의 크기, 모양, 극성 분포, 전자 밀도, 회전 자유도 등 여러 물리화학적 성질을 바꾸며, 이 변화는 곧 후각 수용체와 상호작용하는 방식의 차이로 이어지는데요 즉 후각은 분자가 무엇으로 이루어졌는지보다 어떤 모양과 성질로 접근하는지에 훨씬 민감한 감각입니다. 이때 후각 수용체는 비강 상피에 존재하는 G-단백질 연결 수용체로, 각각이 특정한 분자적 특징 조합에 반응하도록 진화해 있는데요 흔히 이를 열쇠–자물쇠 모델로 비유하는데, 이는 단순한 비유가 아니라 실제 구조생물학적으로도 상당 부분 타당합니다.

또한 후각은 단일 수용체–단일 분자의 일대일 대응이 아니라, 여러 수용체가 동시에 활성화되는 조합 부호화 방식을 사용하는데요 하나의 냄새 분자는 여러 수용체를 약하게 혹은 강하게 자극하고, 뇌는 이 활성화 패턴 전체를 하나의 ‘향’으로 해석합니다. 따라서 분자 구조가 조금만 바뀌어도 활성화되는 수용체의 조합이 달라지고, 뇌가 인식하는 향의 질은 연속적으로 변하는 것이 아니라 질적으로 전혀 다른 범주로 점프할 수 있습니다. 일부에서는 분자 진동 이론처럼, 분자의 진동 스펙트럼 차이가 냄새 차이를 만든다는 가설도 제안되었지만, 현재까지의 실험적 증거를 종합하면 입체화학적 결합 특성과 수용체 활성화 패턴이 냄새 차이의 주된 원인이라는 해석이 가장 널리 받아들여지고 있습니다. 즉, 진동 특성은 보조적 요인일 수는 있어도, 냄새 인식의 핵심 결정 인자는 아닙니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

질문 자체에서 질문자님의 식견을 읽을 수 있습니다.

이성질체는 분자식은 동일하지만 입체에서 구조나 배열이 달라 성질이 다른 물질을 말합니다.

마치 거울을 보는 것처럼 생긴 이성질체를 거울상 이성질체 라고 합니다. 한때 독일에서 만들어진 신약이 이 거울상 이성질체의 존재를 몰라서 기형아를 만들었던 슬픈 역사를 가지고 있습니다. 이성질체를 R 형 S 형으로 구분할 수 있는데 R 형은 임산부의 입덧을 막아주는 효과가 있는 반면 S 형은 기형아를 유발시킬 수 있었기 때문입니다.

이렇듯 냄새 역시도 이성질체라고 해도 전혀 다른 향을 띌 수 있습니다. 이는 분자식은 동일하지만 우리 내부의 수용체가 이를 동일한 것으로 받아들이는 것이 아니라 마치 자물쇠 처럼 다른 것으로 인식하고 받아들이기 때문입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)