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효소로 인해서 활성화 에너지가 낮아지는 것은 전이상태 이론으로 어떻게 설명 가능한가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 효소는 반응이 진행될 때에 필요한 최소한의 에너지인 활성화에너지를 낮추는 역할을 하는데요, 우선 기본적으로 모든 화학 반응은 반응물이 전이상태라는 고에너지 상태를 거쳐 생성물로 전환됩니다.전이상태는 반응물과 생성물 사이에 존재하는 매우 불안정하고 수명이 극히 짧은 상태이며, 이 상태에 도달하기 위해 필요한 최소 에너지가 바로 활성화 에너지(Ea)인데요, 이때 반응 속도는 전이상태에 도달하는 분자의 수에 의해 결정됩니다. 즉, 활성화 에너지가 낮을수록 더 많은 분자가 전이상태에 도달할 수 있어 반응이 빨라지는 것입니다. 이 과정에서 효소의 활성 부위는 반응물보다는 전이상태에 더 잘 맞도록 진화했는데요 따라서 기질이 효소에 결합하면, 효소는 기질을 전이상태에 가까운 구조로 변형시켜 주고, 전이상태가 더 안정적으로 형성될 수 있게 해주는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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버섯 가운데에서 먹으면 환각 작용이 있는 버섯이 있는데, 왜 그런 버섯이 생긴 걸까요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 버섯 가운데 일부 종, 예를 들어 광대버섯이나 환각 버섯 같은 것들은 사람이 섭취했을 때 환각, 지각 왜곡, 기분 변화 등을 유발하는 물질을 함유하고 있는데요 이보텐산, 무시몰, 실로시빈이나 실로신 같은 성분입니다. 이와 같은 작용은 버섯의 일종의 생존 전략이라고 할 수 있는데요, 환각 물질은 사실상 신경독의 일종인데요, 동물이 이런 버섯을 먹었을 때, 신경계가 교란되면서 정상적인 행동을 하기 어렵게 만들기 위함입니다. 즉 환각, 방향 감각 상실, 불쾌한 경험 등을 일으켜 다시는 그 버섯을 먹지 않게 만들어서 버섯을 보호하는 화학적 무기인 셈입니다.또한 버섯은 진화 과정에서 다양한 2차 대사산물을 만들어내는데요, 이 물질들은 생존에 꼭 필요하지는 않지만, 환경에서 다른 생물과 경쟁하거나 방어할 때 유리하게 작용할 수 있습니다. 그중 일부가 동물 신경계의 특정 수용체에 작용하여 환각 효과를 일으키는 것이며 즉, 우연히 신경계에 강한 영향을 주는 물질이 생겼고, 이것이 포식자 회피에 유리했기에 유지된 것이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.17
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신생아 시기에 많이 가지고 있는 갈색 지방 세포가 하는 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 신생아 시기에 많이 존재하는 갈색 지방 세포는 성인의 백색 지방 세포와는 그 기능이 크게 다른데요 백색 지방은 주로 에너지를 저장하는 저장고의 역할을 하는 반면, 갈색 지방은 에너지를 소모하면서 열을 발생시키는 기관으로 작용합니다. 즉 신생아는 체온 조절 능력이 미숙하고 체표면적에 비해 체적이 작아 쉽게 열을 잃기 때문에, 갈색 지방은 생존을 위한 중요한 열원 역할을 하는 것입니다. 구체적으로 말씀드리자면 갈색 지방 세포에는 일반 세포보다 훨씬 많은 미토콘드리아가 존재하며, 이 미토콘드리아에는 UCP1이라고 하는 특수한 짝풀림 단백질이 있는데요, 정상적인 세포 호흡에서는 미토콘드리아의 전자전달계가 양성자 기울기를 형성하고, 이 기울기를 ATP 합성효소가 사용하여 ATP를 합성합니다. 반면에 갈색 지방에서는 UCP1이 양성자 기울기를 ATP 합성 대신 열로 소모시켜 버리는데요 즉 에너지 생산 효율을 희생하는 대신, 전자전달계의 에너지를 곧바로 열로 변환하는 것입니다. 이 과정을 비떨림 열발생이라고 부르는 것인데요, 성인은 근육 떨림으로도 체온을 유지할 수 있지만, 신생아는 근육량이 적고 떨림 반응이 약하기 때문에 갈색 지방을 통한 비떨림 열발생이 필수적인 체온 유지 기작이 됩니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.17
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갈색 지방의 미토콘드리아가 다량의 열을 발생시킬 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 갈색 지방의 미토콘드리아가 다량의 열을 발생시킬 수 있는 이유는 전자전달계와 산화적 인산화 과정의 연결이 특이적으로 조절되기 때문인데요, 일반적인 세포의 미토콘드리아에서는 전자전달계를 통해 생성된 양성자(H⁺) 기울기가 ATP 합성효소를 통해 흘러 들어오면서 ATP 합성에 이용됩니다. 이때 방출되는 에너지가 대부분 ATP 합성에 집중되므로 열 발생은 상대적으로 제한적입니다. 반면에 갈색 지방세포의 미토콘드리아에는 UCP라고 하는 짝풀림 단백질이 존재하는데요, 이 단백질은 미토콘드리아 내막에 위치하여 양성자들이 ATP 합성효소를 거치지 않고 직접 기질 쪽으로 새어 들어오도록 통로를 제공합니다. 즉, 전자전달계를 통해 생성된 양성자 기울기가 ATP 합성에 사용되지 않고, 그 에너지가 열로 방출되는 것입니다. 따라서 갈색 지방의 미토콘드리아는 전자전달계는 정상적으로 작동하지만 ATP 합성이 억제되고, 대신 그 에너지가 열 발생으로 전환되는 것이며 이 과정은 특히 신생아나 겨울잠을 자는 동물에서 체온 유지에 매우 중요한 역할을 한다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.17
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농도차 전지의 전압을 발생시킬 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 농도차 전지는 겉으로 보면 같은 금속과 같은 금속 이온만이 관여하기 때문에 전압이 발생할 것 같지 않지만, 사실은 용액 내 이온 농도의 차이가 가지는 열역학적 불균형 때문에 전압이 생기는 것인데요, 전위차가 생기는 이유는 금속 전극과 용액 사이에는 항상 평형 전위가 형성되는데, 이 전위는 용액 속 금속 이온의 농도에 의존하기 때문입니다. 예를 들어서 [Cu2+]가 높은 쪽은 전극이 상대적으로 더 높은 환원 성향을 보이고, 반대로 [Cu2+]가 낮은 쪽은 금속이 이온으로 용해되려는 경향이 더 커지기 때문에 따라서 두 전극 사이에 전위차인 전압이 생기는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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산화수를 부여할 때 우선순위는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 산화수를 정하는 규칙은 전자 이동을 단순화해서 화합물 내 각 원자가 전자를 얼마나 얻거나 잃은 것처럼 보이는지를 정해주는 일종의 규칙인데요 모든 경우에 예외가 없지는 않지만, 일반적으로 산화수를 부여할 때는 우선순위 규칙이 존재합니다. 우선은 원소가 단독으로 존재할 때, 예를 들자면 H₂, O₂, Na, Cl₂의 경우에는산화수 = 0입니다. 다음으로 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같은데요, 예를 들자면 Na⁺는 +1, Cl⁻는 -1입니다. 다음으로 알칼리 금속은 항상 +1이고, 알칼리 토금속은 항상 +2이며, 플루오린은 전기음성도가 가장 크기 때문에 -1이며, 수소는 비금속과 결합했을 때에는 +1이고, 금속과 결합했을 때에는 -1입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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전이 원소들의 전기 음성도와 이온화 에너지가 주기적 성질의 일반적 경향과 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 d오비탈에 전자를 채우는 전이 원소의 주기적 성질은 s, p 블록 원소들의 일반적인 주기적 경향과는 다른 양상을 보이는데, 이는 d 오비탈 전자들의 특성과 차폐 효과 때문이라고 생각하시면 됩니다. 우선 s, p 블록을 기준으로 했을 때 일반적으로 전기음성도는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 높아지고, 같은 족에서 아래로 내려갈수록 낮아지며, 이온화에너지는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈 수록 증가하고, 같은 족에서는 아래로 내려갈 수록 감소하는 경향을 나타냅니다. 이는 오른쪽으로 갈수록 유효핵전하(Zeff)가 증가, 아래로 갈수록 원자 반지름이 증가하기 때문입니다. 하지만 이와는 달리 전이 원소의 경우에는 d 오비탈이 채워지면서, 핵과 외곽 전자 사이 차폐 효과가 증가하기 때문에 결과적으로, 전이 원소에서는 주기 내에서 전기음성도 증가가 완만하거나 거의 일정한데요, 따라서 전이 원소의 전기음성도는 같은 주기의 s, p 블록 원소에 비해 상대적으로 낮고, 변화 폭도 작습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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왜 알칼리 금속은 반응성이 매우 크고 알칼리 토금속은 상대적으로 반응성이 낮은가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 1족과 2족 금속은 모두 외각 전자를 잃어 양이온이 되려는 성향이 반응성에 영향을 미치는데요, 우선 1족에 해당하는 알칼리 금속은 최외각 전자가 1개이기 때문에 쉽게 전자를 잃고 1가 양이온이 되며 높은 반응성을 나타냅니다. 다음으로 2족에 해당하는 알칼리 토금속은 최외각 전자가 2개이며 두 전자를 잃어야 안정화되기 때문에 1족 금속에 비해서 상대적으로 반응성이 낮은 것입니다. 즉 1족 금속은 단 한 번의 전자 손실만으로 반응 가능 하기 때문에 반응성이 높은 것이지만 2족 금속은 두 번의 전자 손실이 나타나야 하기 때문에 반응성이 상대적으로 낮은 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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단백질을 검출할 때 사용하는 뷰렛 반응은 산화환원 반응으로 어떻게 설명 가능한가요?
안녕하세요. 질문해주신 뷰렛 반응은 알칼리성 용액에서 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요 일반적으로 단백질 내 최소 2개 이상의 펩타이드 결합이 필요하며, 착화합물 형성을 통해 시각적 검출이 가능합니다. 이때 Cu²⁺는 d⁹ 전자 배치를 가지며, 펩타이드 결합의 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데요, 배위 결합을 형성하게 되면서 Cu²⁺의 d 오비탈 에너지 준위가 분리되며 d 오비탈로의 전자 전위가 발생 하고 특정 파장대역을 흡수하면서 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 즉, 이 단계 자체는 착화합물 형성에 의한 전자 이동이지, Cu²⁺의 실제 산화 상태 변화가 반드시 일어나는 산화환원 반응은 아니라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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뷰렛 반응 시에 전자 구조적으로 어떤 변화가 착색을 유발하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 단백질 검출 시 사용하는 뷰렛 반응은 펩타이드 결합(-CO-NH-)과 Cu²⁺ 이온이 만나 보라색 착화합물을 형성하는 반응인데요, 알칼리성 용액(NaOH 존재)에서 반응이 잘 일어납니다. 이때 색 변화는 전자 전이, 즉 전자 구조 변화에 의해 발생합니다. 구리 이가 이온은 d⁹ 전자 배치를 가진 이온인데요, 알칼리성 조건에서 [Cu(OH)₄]²⁻ 또는 Cu²⁺ 수산화 착물 형태로 존재합니다. 이때 펩타이드 결합의 질소와 산소는 비공유 전자쌍을 가지고 있는데요 이때 질소 원자는 전자쌍을 구리 이온과 공유하여 배위 결합을 형성합니다. 즉 Cu²⁺가 질소 원자의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 형성하는데, 이때 펩타이드 결합의 전자가 Cu²⁺의 d 오비탈과 상호작용하는 것입니다. 착색은 d 오비탈의 전자 전이로 인한 것인데요, Cu²⁺의 d 오비탈이 펩타이드 결합과 배위 결합을 형성하면서 에너지 준위가 분리되는데, 광자가 Cu²⁺ 착화합물에 흡수되면서 하위 d 오비탈 전자가 상위 d 오비탈로 전이되고 특정 파장의 빛이 흡수되고, 흡수되지 않은 빛의 보색이 나타기 때문에 뷰렛 반응에서는 보라색 착색이 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.17
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