중수(重水, Heavy Water)가 달콤한 이유

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-14 11:11:39
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(3분 50초 읽기)
- 중수(D2O)는 일반 물(H2O)과 수소 동위원소가 다르다.
- 1931년 우레이(Urey)중수소 발견으로 1934년 노벨 화학상 수상
- 우레이는 '중수와 경수(일반물)의 맛이 같다'고 주장
- 연구 결과 중수는 경수에 비해 뚜렷하게 단맛을 낸다. 이유는 인간만의 단맛 수용체 반응

중수가 달콤한 이유
중수소와 혼합된 물은 인간의 달콤한 수용체를 반응시킨다.


놀라운 차이점 :
중수(Heavy Water)는 단지 수소 동위원소인 중수소만 일반 물과 차이가 있다. 

하지만 생화학적으로 행동하는 것은 다르다.
정상적인 H2O와는 달리 미각 수용체에서 반응을 일으킨다. 결과적으로 중수는 중성 맛이 아니라 약간 달콤하다. 연구결과로 나온 이 반응의 증거는 거의 100년 동안 존재해온 논쟁을 정리한다. 

▲ Heavy Water(중수, Deuterium oxide)

1931년에 화학자 해롤드 우레이(Harold Urey)는 수소 원소에 무거운 동위 원소가 있음을 발견했다. 자연적으로 발생하는 수소 원자 6,400개 중 약 1개는 핵에 추가 중성자를 가지고 있어 중수소가 된다. 이 중수소가 산소와 반응하면 중수(D2O)가 생성된다. 밀도가 약 10% 더 높고 빙점과 끓는점이 약간 다르지만 중수는 일반 물과 동일한 방식으로 화학적으로 반응한다.
▲ 해롤드 우레이(Harold C. Urey) 1931년에 중수소를 발견한 공로로 1934년 노벨 화학상을 수상했다. 이것은 물리학자인 Ferdinand Brickwedde와 George Murphy와 협력하여 이루어졌다.

* 화학적 관점에서 중수(Deuterumoxid 산화 중수소)는 화학식 D2O를 갖는 물이다.
동위 원소 protium(기호 H)의 정상 수소 원자가 동위 원소 중수소(기호 D)의 중수소 원자로 대체되었다는 점에서 "경수"라고도 하는 기존의 물 H2O와 다르다. Protium은 원자핵에 단 하나의 양성자를 가지고 있는 반면, 중수소는 하나의 양성자와 하나의 중성자를 가지고 있다. 따라서 중수의 분자량과 밀도는 일반 물보다 높다.
반면에 화학식 HDO의 반 중수(수소산화수소)는 하나의 정상 원자와 하나의 중수소 원자를 포함한다. 통계적으로 말하면 중수보다 자연에서 훨씬 더 자주 발생한다.
지구상에는 수소 원자 7천 개당 중수소 원자가 약 1개 있다(눈 또는 빗물 1:9000, 염분 함량이 높은 해수 1:5500).
실험식 T2O의 초중수(산화 삼중 수소)는 일반 수소 대신 삼중 수소(기호 T)로 표기한다.

중수의 맛은 다른가?

우레이(Urey) 시대 이후 사람들은 한때 논쟁을 벌였다. "중수의 맛이 보통의 중립적인 H2O 맛과 다르다는 1930년대의 일회적인 보고가 있었다"고 히브리 예루살렘 대학의 나탈리 벤 아부(Natalie Ben Abu)와 동료들이 설명했다. 이에 따르면, D2O는 약간 달콤하다.

Urey는 동료와 함께 이 소문을 따라가며 1835 년에 다음과 같이 말했다.
"우리 중 누구도 일반 증류수의 맛과 순수한 중수의 맛에서 약간의 차이를 눈치채지 못했다."이로 인해 추측은 끝나고 지금까지 아무도 더 질문을 하지 않았다.

뚜렷하게 단맛이다.

Ben Abu와 그녀의 팀은 이제 현대적인 방법을 사용하여 미각 문제를 재검토했다.
이를 위해 인간 피험자와 생쥐를 대상으로 미각 테스트를 수행하고 중수의 미각 수용체 세포 배양물에 대한 결합 거동을 분석하고 생물 물리학적 모델링을 수행했다.

놀라운 결과 : Urey는 틀렸다.
"두 개의 동위 원소가 실제로 화학적으로 동일하고 맛도 동일해야 하지만, 우리는 사람들이 맛으로 H2O와 D2O를 구별 할 수 있음을 분명히 보여 주었다"고 프라하의 체코 과학 아카데미의 공동 저자 Pavel Jungwirth는 보고했다. “중수는 단맛이 뚜렷다.”

인간의 달콤한 수용체가 반응

이상하게도 생쥐는 이 단맛을 느끼지 못하는 것 같다.
테스트에서 그들은 보통 단것에 매우 민감하지만 중수를 선호하지 않았다.
분명히, 그들의 미각 수용체는 중수소가 풍부한 물에 반응하지 않았다. 따라서 과학자들은 D2O가 쥐가 아닌 인간에게만 있는 달콤한 수용체를 활성화한다고 의심했다.

실제로, 인간 피험자를 대상으로 한 보충 테스트에서 이 TAS1R2/TAS1R3 수용체에 대한 억제제를 중수에 첨가하면 D2O와 함께 단맛을 더 맛볼 수 없는 것으로 나타났다.
연구진은 세포 배양에서 이 수용체가 중수의 존재 하에 전기생리학적으로 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있었다. 첨가된 물 샘플에서 10%의 중수 비율이 이 반응에 충분했다.

▲ 붉은 반점은 중수가 결합할 때 달콤한 수용체가 진동 동작에서 벗어나는 위치를 보여준다.

© Ben Abu et al./ Communications Biology, CC-by-sa 4.0


여전히 혼란스러운 메커니즘

연구팀은 “이 결과는 중수가 맛 센서 TAS1R2/TAS1R3에서 단맛을 얻는다는 것을 확인시켜 준다”고 말했다. “우리 연구는 중수의 맛에 대한 오래된 논란을 해결한다. 따라서 사람들은 맛에 따라 중수와 일반 물을 매우 잘 구분할 수 있다.”

이것이 왜 그런지 그리고 이 달콤한 수용체가 중수에 반응하는 이유는 여전히 열려 있다.
연구자들이 설명했듯이, 물 분자의 중수소는 산소와 다소 더 강한 결합을 일으키므로 분자의 양자 상태를 약간 변경한다. 이것은 또한 분자 진동을 변화시키고 수용체의 단백질은 순수한 물보다 약간 더 단단하고 조밀해 보인다.

그러나 이것이 수용체 단백질에 영향을 미치기에 충분한 이유는 모델에서도 명확히 알 수 없다. 여기에서 과학자들은 미래의 분석 결과를 희망한다.

다른 신체 조직에서도 반응?

새로 발견된 달콤한 효과는 호기심으로도 흥미로울 뿐만 아니라, 중수는 예를 들어 자기 공명 영상과 같은 대비 마커로 의학에서도 사용된다.
"단맛 수용체는 혀뿐만 아니라 인체의 다른 조직에서도 발견되기 때문에 중수가 그 안에서 반응을 일으킨다는 우리의 발견은 의사와 환자에게도 관련이 있다."
(Communications Biology, 2021, doi : 10.1038 / s42003-021-01964-y)
출처 : Czech Academy of Sciences (IOCB Prague)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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