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일반적인 공유 결합과 배위 결합의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 배위 결합은 넓은 의미에서 공유 결합의 한 형태이지만 전자가 어떻게 제공되는지에 따라 일반적인 공유 결합과 차이가 생깁니다. 우선 일반적인 공유결합은 두 원자가 각각 전자 1개씩을 내놓아 공유 전자쌍을 형성하는데요, 예를 들어서 H· + ·H → H:H (H₂ 분자)와 같은 경우이며 즉, 양쪽 원자가 대등하게 전자를 기여하여 결합을 만듭니다. 반면에 배위결합은 결합 전자쌍을 한쪽 원자에서만 제공하고, 다른 쪽 원자는 빈 오비탈을 제공하여 이를 받아들입니다. 예를 들자면 NH₃ + H⁺ → NH₄⁺와 같은 경우가 있는데요, 여기서 NH₃는 비공유 전자쌍을 제공하고, H⁺는 빈 1s 오비탈을 제공하여 결합이 형성되며, 따라서 결합이 형성되는 순간에는 전자쌍의 출처가 한쪽으로 치우쳐 있음이 특징이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.23
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SN1 반응에서 생성물이 라세미 혼합물이 되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 SN1 반응을 진행했을 경우에는 이론적으로 라세미 혼합물이 형성될 수 있습니다. SN1 반응의 속도 결정 단계에서는 친핵체가 공격하기 전에 먼저 할로젠화알킬 같은 기질에서 이탈기가 떨어져 나가면서 탄소 양이온이 형성되는데요, 이때 중심 탄소는 sp² 혼성화가 되며, 평면 삼각형의 구조를 가지게 됩니다. 즉, 친핵체가 들어올 수 있는 공간이 평면 위에서 120°로 대칭적으로 열리게 됩니다. 이러한 평면 구조를 이루었을 때 친핵체는 평면 구조의 탄소양이온에 대해 앞·뒤 양쪽 면에서 동일한 확률로 접근할 수 있습니다.따라서 만약 출발 물질이 키랄 중심을 가진 할로젠화알킬이었다면, 탄소양이온 형성 단계에서 입체선택성이 사라지며, 따라서 친핵체가 공격할 때 R형 또는 S형 거울상 이성질체가 50:50 비율로 생성됩니다. 결과적으로 이 두 입체이성질체가 동량 섞인 혼합물인 라세미 혼합물이 형성되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.23
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VNTR을 이용한 DNA 지문법은 다른 분자생물학 기법들과 비교했을 때 어떤 장점과 한계를 가지나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 VNTR을 이용한 DNA 지문법은 1980년대 Alec Jeffreys가 처음 고안한 이후 사람 개체식별, 친자감정, 법의학 분야에서 크게 주목받았던 기법인데요, 이후 STR 분석이나 SNP 분석 같은 다른 분자생물학적 기법들이 등장하면서 현재는 거의 대체되었다고 보시면 됩니다. 우선 장점으로는 높은 다형성을 지닌다는 점인데요, VNTR 영역은 반복 단위가 수십 염기쌍 이상으로 길고, 개체마다 반복 횟수가 크게 차이가 나기 때문에 따라서 개체 간 변별력이 매우 높아 초기의 개인식별 기술로 적합했습니다. 또한 제한효소 절편 길이 다형성(RFLP) 분석과 전기영동만으로 VNTR 차이를 확인할 수 있었기 때문에, 분자생물학적으로 특별히 정교한 장비 없이도 원리를 구현할 수 있었습니다. 이와 함께 이후 STR이나 SNP 분석으로 발전하게 된 기초 기술을 제공했다는 점에서 역사적 의의가 큽니다. 다만 VNTR 분석은 긴 반복 서열을 전기영동으로 구분하는 방식이므로, 상당히 많은 양의 고품질 DNA가 필요했으며 손상된 샘플에서는 적용하기 어려웠습니다. 또한 전통적인 VNTR 분석은 RFLP 방식과 결합되었는데, 제한효소 처리 후 Southern blotting 같은 복잡한 과정을 거쳐야 했기 때문에 시간이 오래 걸리고 자동화가 어렵다는 한계가 있었습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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RFLP와 VNTR 분석은 어떤 점에서 유사하고, 어떤 점에서 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 우선 질문해주신 것처럼 RFLP와 VNTR 분석은 모두 DNA 상의 개체 간 변이를 탐지하고, 이를 바탕으로 유전적 구별이나 계통 연구, 법의학적 분석에 활용되는 기법이라는 점에서 유사합니다. 일단 둘 다 DNA 서열 상의 삽입, 결실, 중복 등의 횟수 차이로 인해 절편 길이나 밴드 패턴이 달라지며, 이를 전기영동을 통해 시각화합니다. 또한 특정한 유전자 자리에서 개인별 차이가 뚜렷이 나타나므로, 개인 식별, 친자 확인, 집단 간 유전적 유사성 분석 등에 응용될 수 있으며, DNA를 제한효소 처리 후 겔 전기영동을 수행하여 절편 크기를 비교한다는 공통점이 있습니다.하지만 RFLP는 제한효소 인식 서열의 변이 때문에 절편의 길이가 달라지는 것으로 즉, 서열 자체의 변화가 주요 원인입니다. 반면에 동일한 염기서열 단위가 반복되는 횟수가 다르기 때문에 절편의 길이가 달라지는 것이며 이 경우는 반복수 변이가 핵심입니다. 또한 RFLP는 변이가 제한효소 절단 부위에서만 일어나므로 다형성이 상대적으로 적고, 분해능도 낮은데요, 반면에 VNTR은 반복 횟수의 변화 폭이 크기 때문에 다형성이 높아, 개체 간 식별력도 훨씬 뛰어납니다. 게다가 많은 양의 DNA가 필요한 RFLP와는 달리 VNTR은 PCR 기법을 이용해 소량의 DNA로도 증폭할 수 있고, 개인별 구별력이 뛰어나 현재 법의학, 유전학, 족보 분석 등에서 더 활발히 쓰입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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VNTR 반복 횟수 차이가 진화적 유연관계 분석에 어떻게 활용될 수 있나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것처럼 'VNTR(Variable Number Tandem Repeat)'은 반복되는 염기서열의 단위 자체는 동일하지만, 그 반복 횟수가 개체, 집단, 종에 따라 다르게 나타나는 특성을 가지고 있는데요, 이러한 특성을 가지고 있기 때문에 진화적 유연관계 분석에 활용할 수 있는 것입니다. 우선 반복 횟수 차이는 중립적 변이로 작용합니다. VNTR의 반복 횟수 변화는 보통 단순한 삽입/삭제 돌연변이에 의해 생기며, 이는 유전자의 기능과 크게 관련되지 않는 경우가 많은데요, 따라서 선택압보다는 무작위적인 돌연변이와 유전적 부동의 결과로 축적되며, 진화적 시간에 따라 개체군이나 종마다 서로 다른 패턴을 형성하게 됩니다.두번째로는 개체·집단 간 유전적 거리 산출이 가능합니다. 특정 VNTR 자리에서 각 개체의 반복 횟수를 조사하면, 서로 다른 개체군 사이에 얼마나 많은 차이가 있는지를 정량화할 수 있는데요, 이러한 차이를 바탕으로 유전적 거리를 계산하고, 이를 통해 개체군 간 또는 종 간의 계통도를 그릴 수 있습니다.세번째로는 근연종 간 변이 탐지에 유리합니다. VNTR은 짧은 시간 척도에서도 빠르게 변할 수 있기 때문에, 종 수준보다는 아종, 집단, 개체 수준의 관계 규명에 적합한데요, 예를 들어, 같은 종 내에서 집단 간 유전적 유사성, 분화 정도, 이주의 역사 등을 VNTR 데이터로 분석할 수 있습니다. 즉 VNTR의 반복 횟수 차이는 시간에 따라 무작위적으로 축적되는 변이이므로, 이를 여러 유전자 자리에서 비교하면 집단 간의 유전적 유연관계를 추론할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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VNTR과 STR의 차이점은 무엇이며, 각각 어떤 상황에서 더 유리하게 사용되나요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 VNTR과 STR은 모두 DNA 상에서 반복 서열을 활용하는 분자생물학적 기법이지만 차이가 있습니다. 우선 VNTR의 경우에는 보통 10~100 bp 정도의 비교적 긴 서열이 반복되는 경우이며, 이때 반복 횟수가 크게 달라질 수 있어 개인 간 차이가 뚜렷합니다. 예전에는 제한효소 절단 후 전기영동(RFLP) 기법을 이용하여 분석했으며, 현재도 Southern blot 같은 기법으로 확인할 수 있는데요, 방금 전 말한 것과 같이 개인간의 변이 폭이 크기 때문에 친자 감정이나 계통 분석에서 강력한 지표가 될 수 있습니다. 다만 서열이 길고 크기가 커서 PCR 증폭 효율이 낮고, 많은 양의 DNA와 고품질 샘플이 필요합니다.반면에 STR은 보통 2~6 bp 정도의 짧은 서열이 반복되는 경우인데요, 이 역시 반복 횟수 차이에 의해 개인 간 구분이 가능합니다. PCR로 손쉽게 증폭할 수 있고, 형광 표지와 전기영동을 통해 고해상도로 분석할 수 있습니다. 게다가 짧은 반복 단위라서 작은 양의 DNA에서도 쉽게 분석할 수 있고, 분해된 시료에서도 유리하며 따라서 법의학, 개인 식별, 유전자 지도 작성에서 널리 쓰입니다. 단점이라면 반복 단위가 짧아 VNTR에 비해서는 변이 폭은 작습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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알켄의 할로젠 첨가 반응에서 anti-addition이 주로 일어나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 알켄의 할로젠 첨가 반응에서 anti-addition이 주로 일어나는 이유는 반응 중간체가 가지는 입체적 제약과 전하 분포 때문인데요, 우선 알켄이 Br₂와 같은 할로젠 분자와 반응할 때, 먼저 π 전자가 할로젠 분자에 공격을 가해 할로늄 이온이라는 삼원환 중간체가 형성됩니다. 이때, Br–Br 결합이 깨지면서 한쪽 Br 원자는 양전하를 띠게 되고, 알켄의 두 탄소와 세 원자 고리를 이루게 되는데요, 이 할로늄 이온은 세각 고리 구조 때문에 매우 입체적으로 긴장되어 있으며, 동시에 고리 내부에는 부분적으로 양전하가 분산되어 있습니다.이후 남아 있는 Br⁻가 친핵체로 작용해 고리를 열게 되는데, 중요한 점은 고리의 같은 면은 이미 전자가 가득 차 있고 Br⁺가 막고 있기 때문에 접근이 불가능하며, 따라서 Br⁻는 반드시 반대쪽에서 공격할 수밖에 없고, 이로 인해 결과적으로 두 할로젠 원자는 서로 반대쪽 입체 배열(anti)로 첨가되는 것입니다.이와 같은 현상은 친핵성 치환 반응에서 SN2 기작의 후면공격과 유사하게, 전자적·입체적 이유 때문에 한쪽 면에서의 공격이 차단되고 반대쪽으로만 반응이 진행되는 과정이라고 이해하시면 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.23
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핵산과 단백질 전기영동에 서로 다른 매질을 이용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵산과 단백질 전기영동에서 서로 다른 겔 매질을 사용하는 이유는 두 분자의 물리적 특성과 분석 목적이 다르기 때문인데요, 먼저 핵산은 크기가 크고 선형적으로 길게 뻗은 음전하를 고르게 가진 분자입니다. 이때 DNA나 RNA는 기본적으로 분자량에 비례해서만 전기장에서 이동하기 때문에, 크기에 따른 분리만 잘 이루어지면 됩니다. 이때 사용되는 아가로오스 겔은 기공의 크기가 상대적으로 크고, 100bp에서 수십 kb까지의 큰 DNA·RNA 단편들을 분리하기에 적합하며 아가로오스는 준비가 간단하고 비교적 취급이 쉬워서 핵산 전기영동에 표준적으로 쓰입니다. 반면에 단백질은 크기가 상대적으로 작고, 무엇보다 구조와 전하가 다양한데요, 아미노산 조성에 따라 전하가 달라지고, 구조에 따라 이동 속도도 달라질 수 있습니다. 따라서 단백질을 전기영동할 때는 분자량에 따라 정밀하게 분리할 수 있는 매질이 필요한데요, 이때 쓰이는 것이 폴리아크릴아마이드 겔인데, 이는 아가로오스보다 훨씬 작은 기공을 형성할 수 있어 5~250 kDa 정도의 단백질들을 효과적으로 분리할 수 있습니다. 특히 SDS-PAGE와 같이 계면활성제를 사용하면 단백질을 변성시켜 모두 음전하를 띠게 만든 뒤, 크기만을 기준으로 이동하게 할 수 있기 때문에 핵산 전기영동과는 다른 매질을 사용하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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딱따구리가 나무를 쪼는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 딱따구리가 나무를 쪼는 주된 목적은 먹이를 얻기 위함입니다. 딱따구리는 주로 나무껍질 속이나 목질 속에 숨어 있는 곤충, 유충, 개미 등을 먹이로 삼는데요, 이때 나무를 쪼아서 구멍을 내고 혀를 집어넣어 곤충을 끌어내어 먹으며 딱따구리의 혀는 길고 끈끈한 점액으로 덮여 있어 벌레를 쉽게 붙잡을 수 있습니다.두번째 목적은 둥지를 만들기 위함입니다. 딱따구리는 번식기에 나무줄기에 구멍을 파서 그 속에 알을 낳고 새끼를 기르는데요, 비교적 속이 썩은 나무나 부드러운 목질을 가진 나무를 선택해서 일정 크기의 둥지 구멍을 파는데, 이런 구멍은 나중에 다른 새나 동물들에게도 서식처로 이용됩니다. 이외에도 의사소통과 영역 표시를 위해서 나무를 쪼는 행동을 하기도 합니다. 딱따구리는 '드러밍'이라고 불리는 행동을 하는데, 이는 실제로 먹이를 찾거나 구멍을 파는 것이 아니라 일부러 단단한 나무나 금속 같은 물체를 빠르게 쪼아 큰 소리를 내며, 이 소리는 노래처럼 짝짓기 신호나 자신의 영역을 알리는 신호로 사용됩니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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PCR을 사용하는 중합효소는 어떻게 발견했나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 소량의 DNA를 시험관 내 환경에서 증폭시키는 PCR에는 고온에 저항성을 가진 DNA 중합효소가 필요합니다. 이때 PCR에서 사용하는 DNA 중합효소는 대표적으로 Taq polymerase인데, 이는 고온 환경에서 살아가는 미생물의 연구 과정에서 발견되었습니다. 1970년대 초, 미국 몬태나주의 옐로스톤 국립공원과 같은 온천 지역의 70~80 ℃ 이상 되는 뜨거운 환경에서 생존하는 고온성 세균 Thermus aquaticus가 분리 및 동정되었고, 연구자들은 이렇게 극한 환경에서 사는 세균이 어떻게 단백질을 안정적으로 유지하는지에 관심을 가졌고, 이 세균에서 추출한 효소들이 고온에서도 변성되지 않고 기능한다는 사실을 알게 되었습니다. 그중에서도 특히 1976년, Thermus aquaticus에서 분리된 DNA 중합효소가 고온에서도 안정적으로 DNA 합성을 지속할 수 있음이 보고되었고, 이후 캐리 멀리스가 1983년에 고안한 PCR 기법에 이 효소를 적용하면서 발전이 이루어진 것입니다.기존에는 고온에서 DNA 이중가닥을 풀어낼 때마다 새로운 효소를 계속 넣어줘야 했지만, Taq polymerase는 95 ℃ 부근의 열 변성 단계에서도 파괴되지 않기 때문에 자동화된 PCR 과정이 가능해졌다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.23
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