답변 내역

안녕하세요.카탈레이스는 과산화수소를 매우 빠른 속도로 분해하는 효소로 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂ 반응을 촉매하는데요 즉, 카탈레이스는 세포 내에서 생성되는 독성이 강한 과산화수소를 물과 산소로 분해하여 무독화하는 역할을 합니다. 과산화수소는 세포 호흡, 지방산 산화, 면역 반응 등 정상적인 대사 과정에서도 끊임없이 생성되는 부산물이지만 과산화수소는 강한 산화력을 가지므로, 그대로 축적되면 단백질, 지질, DNA를 손상시키는 산화 스트레스의 원인이 됩니다. 따라서 생물체는 과산화수소를 즉시 제거할 수 있는 방어 장치를 반드시 필요로 하며, 그 핵심 효소 중 하나가 바로 카탈레이스입니다.감자의 경우, 살아 있는 식물 조직으로서 활발한 호흡과 대사를 수행하고 있기 때문에 과산화수소가 지속적으로 생성됩니다. 감자를 잘라 과산화수소를 떨어뜨리면 거품이 발생하는 실험은, 감자 조직 내에 존재하는 카탈레이스가 과산화수소를 즉각 분해하고 있다는 직접적인 증거입니다. 또한 간은 인체에서 해독의 중심 기관으로, 각종 대사 반응과 독성 물질 처리 과정에서 과산화수소가 대량으로 발생합니다. 따라서 간세포에는 카탈레이스를 포함한 항산화 효소들이 매우 고농도로 존재하여, 세포 손상을 막고 생리적 항상성을 유지합니다.인체에 존재하는 대표적인 생체효소로는 항산화 및 해독 관련 효소 중에서 카탈레이스 외에도 슈퍼옥사이드 디스뮤타아제가 있으며 이는 초과산화물을 과산화수소로 전환하고, 글루타티온 퍼옥시다아제는 과산화수소와 유기 과산화물을 물이나 알코올로 환원합니다. 이 효소들은 서로 연계되어 활성산소를 단계적으로 제거하는 방어 시스템을 구성합니다.이외에도 많은 소화 효소가 존재하는데요 입에서는 아밀레이스가 전분을 분해하고, 위에서는 펩신이 단백질을 분해합니다. 소장에서는 트립신, 키모트립신, 리파아제, 말타아제 등 수많은 효소들이 탄수화물, 단백질, 지방을 흡수 가능한 단위로 분해합니다. 감사합니다.

안녕하세요.사과를 자른 뒤 시간이 지나면 표면이 갈색으로 변하는 현상은 효소가 관여하는 산화 반응의 결과입니다. 사과를 자르거나 껍질을 벗기면, 그동안 세포 내부에 분리되어 있던 물질들이 서로 접촉하게 되는데요 이때 핵심 역할을 하는 것이 폴리페놀 산화효소라는 효소입니다. 이 효소는 사과 속에 존재하는 폴리페놀류 화합물을 산소와 반응시켜 퀴논이라는 물질로 산화시키고, 이 퀴논들이 서로 중합되면서 갈색 색소를 형성하게 됩니다. 즉, 사과 갈변은 공기 중 산소와 효소, 그리고 폴리페놀이 동시에 존재할 때 일어나는 효소적 산화 반응입니다.이때 레몬즙을 사용하게 되면 pH를 감소시켜서 효소 활성을 억제하게 됩니다. 폴리페놀 산화효소는 중성에 가까운 pH에서 가장 활발하게 작동하는데요, 레몬즙에는 구연산이 풍부하여 사과 표면의 pH를 급격히 낮춥니다. pH가 낮아지면 효소의 단백질 구조가 미세하게 변형되어 활성 부위가 제대로 작동하지 못하게 되고, 그 결과 산화 반응 속도가 크게 감소합니다. 즉, 레몬즙은 효소가 제 역할을 하지 못하는 환경을 만들어 주는 것입니다. 특히 레몬즙에는 비타민 C가 풍부한데, 이 물질은 매우 강한 환원제입니다. 비타민 C는 폴리페놀 산화 과정에서 생성된 퀴논을 다시 원래의 폴리페놀 형태로 환원시켜 버리며 즉 갈색 물질이 만들어지기 직전 단계에서 이를 되돌려 놓는 역할을 하는 것입니다. 따라서 설령 산화가 일부 진행되더라도, 비타민 C가 이를 상쇄하여 눈에 보이는 갈변으로 이어지지 않게 됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.방울뱀의 꼬리에서 나는 방울 소리는 꼬리 끝에 특화된 구조물이 매우 빠르게 충돌하면서 발생하는 기계적 진동음입니다. 방울뱀의 꼬리 끝에는 일반적인 뱀에서는 볼 수 없는 각질로 이루어진 속이 빈 고리 구조물이 여러 개 연결되어 있는데요 이 고리 하나하나는 방울이라고 부를 수 있으며, 뱀이 탈피를 할 때마다 기존 꼬리 끝에 새로운 고리가 하나씩 추가됩니다. 따라서 방울의 개수는 뱀의 나이를 어느 정도 반영하지만, 마모나 파손도 일어나기 때문에 정확한 연령 지표는 아닙니다.이때 방울 구조의 핵심은 서로 맞물려 있으나 완전히 고정되어 있지 않다는 점인데요 각각의 방울은 단단한 각질로 되어 있지만, 내부는 비어 있고 서로 느슨하게 연결되어 있어, 움직일 때마다 서로 부딪히고 진동할 수 있는 상태를 유지합니다. 방울뱀이 위협을 느끼면 꼬리 근육을 극도로 빠르게 수축 및 이완시키는데, 이때 꼬리는 초당 수십 회에 달하는 매우 빠른 진동 운동을 하게 됩니다. 이 진동으로 인해 방울 구조물들이 연속적으로 충돌하면서, 공기가 빠르게 흔들리고 건조한 딸깍거리는 소리가 발생하는데요 이 소리가 단순한 한 번의 타격음이 아니라, 수많은 미세 충돌이 짧은 시간 동안 연속적으로 일어나면서 만들어지는 지속적인 소음이기 때문에 사람의 귀에는 마치 작은 방울을 흔드는 듯한 소리로 인식되는 것입니다. 감사합니다.

안녕하세요.방사선은 크게 자외선, 그리고 X선과 감마선 같은 전리 방사선으로 나눌 수 있습니다. 자외선은 DNA 염기 사이에 비정상적인 공유결합을 형성하여 티민 이합체를 만들고, 이로 인해 이중 나선이 국소적으로 휘어지며 전리 방사선은 더 직접적이며 강한 에너지를 전달해 DNA 당-인산 골격을 절단합니다. 이때 한 가닥만 끊어지는 단일가닥 절단과, 양쪽 가닥이 동시에 끊어지는 이중가닥 절단이 발생합니다. 특히 이중가닥 절단은 구조적으로 매우 치명적이며, 잘못 복구되면 염색체 재배열이나 결실이 생깁니다.화학적 발암 물질의 경우에는 DNA 염기와 직접 반응하여 염기 부가체를 형성하거나, 산화 스트레스를 유발하여 염기를 변형시키는데요 예를 들어 담배 연기 속 다환방향족탄화수소는 DNA 염기에 결합해 복제 시 염기쌍 오류를 일으킵니다. 또한 활성산소종은 구아닌을 8-옥소구아닌으로 산화시켜 잘못된 염기 짝짓기를 유도합니다. 이러한 변화는 결국 염기 치환, 삽입, 결실 같은 돌연변이로 축적됩니다. 세포에는 이러한 손상을 복구하는 다양한 기전이 존재합니다. 염기 절제 복구, 뉴클레오타이드 절제 복구, 불일치 복구, 그리고 이중가닥 절단에 대한 상동 재조합 복구 등이 대표적입니다. 그러나 장기적이고 반복적인 노출은 손상 빈도를 복구 능력 이상으로 증가시키거나, 복구 유전자 자체에 돌연변이를 일으켜 시스템을 약화시킬 수 있습니다. 또한 암 발생은 단일 돌연변이로 일어나는 것이 아니라, 여러 단계에 걸쳐 누적되는데 예를 들어 세포 주기를 조절하는 종양 억제 유전자나 세포 증식을 촉진하는 원암유전자에 돌연변이가 축적되면 세포 분열 통제가 무너집니다. 대표적으로 TP53는 DNA 손상 감지와 세포 사멸 유도를 담당하는 핵심 종양 억제 유전자이며, 이 기능이 상실되면 손상된 세포가 제거되지 않고 살아남게 됩니다. 또한 BRCA1과 같은 DNA 복구 유전자에 이상이 생기면 이중가닥 절단 복구 능력이 크게 떨어지고 이런 변화가 누적되면 세포는 자가 복구와 세포사멸 경로를 우회하게 되고, 결국 통제되지 않는 증식과 침윤 능력을 획득하여 악성 종양으로 발전할 수 있습니다.다만 중요한 점은 생식 세포의 경우, 체세포에서 발생하는 암과는 결과가 다를 수 있는데요 생식 세포에 돌연변이가 생기면 그것은 주로 다음 세대로 전달되는 유전적 변이로 나타나며, 해당 세포가 직접 암으로 발전하는 경우는 상대적으로 드뭅니다. 암은 대개 체세포에서 다단계 돌연변이 축적을 통해 발생합니다. 감사합니다.

안녕하세요.술을 먹고 필름이 끊어지는 현상은 당시의 경험이 뇌에 기억으로 저장되지 못한 상태, 즉 기억 형성 장애가 발생한 결과라고 보시면 됩니다. 우선 인간의 기억은 크게 감각 입력 → 단기 기억 → 장기 기억의 단계로 형성되며, 이 과정의 핵심 관문 역할을 하는 부위가 해마인데요 해마는 지금 일어난 일을 나중에 다시 떠올릴 수 있는 정보로 변환하는 역할을 담당합니다. 즉, 해마가 제대로 작동해야 새로운 기억이 장기 기억으로 저장됩니다.하지만 알코올이 체내로 들어가게 되면 이 해마의 기능을 강하게 억제하는데요 우선 알코올이 뇌에서 억제성 신경전달물질인 GABA의 작용을 강화하고, 동시에 흥분성 신경전달물질인 글루탐산, 특히 NMDA 수용체의 활성을 억제합니다. 이 두 작용이 동시에 일어나면, 해마 신경세포 간의 신호 전달과 시냅스 가소성, 즉 기억 형성의 분자적 기반이 심각하게 손상됩니다. 그 결과, 술을 마시는 동안에는 말도 하고 행동도 하며 주변 자극에 반응하지만, 그 경험이 장기 기억으로 저장되지 못하고 사라지게 되는 것입니다.사람마다 이런 현상이 나타나는 정도에는 상당한 개인차가 존재하는데요, 가장 주된 이유는 체내 알코올 분해 능력에 차이가 있기 때문입니다. 알코올 분해 효소의 유전적 차이에 따라 혈중 알코올 농도가 같은 속도로 오르지 않습니다. 또한 음주 속도 역시 영향을 미칠 수 있는데요, 짧은 시간에 많은 양을 마시면 혈중 알코올 농도가 급격히 상승하면서 해마 기능이 갑작스럽게 차단되어 기억 상실이 더 쉽게 발생할 수 있습니다. 감사합니다.

안녕하세요.물뱀이 지느러미가 없음에도 불구하고 물속에서 매우 빠르고 효율적으로 헤엄칠 수 있는 이유는 지느러미 대신 몸 전체를 추진 기관으로 사용하기 때문입니다. 물고기는 지느러미로 물을 뒤로 밀어 추진력을 얻지만, 물뱀은 전혀 다른 전략을 사용하는데요 물뱀은 육상에서 이동할 때 사용하는 S자형 측방 굴곡 운동을 그대로 유지하되, 이를 물의 저항 특성에 맞게 최적화합니다. 즉, 몸 전체를 좌우로 크게 휘두르면서 물을 연속적으로 뒤쪽으로 밀어내고, 그 반작용으로 앞으로 나아가는 것이며 이 과정에서 뱀의 몸은 하나의 길고 유연한 물결치는 날개처럼 작용합니다.또한 물뱀은 근육 수축의 파형을 매우 정교하게 조절하는데요 머리에서 시작된 굴곡 파동이 몸을 따라 꼬리까지 전달되면서 점점 진폭이 커지는데, 이 파동이 물에 전달하는 에너지가 곧 추진력이 됩니다. 물속에서는 마찰보다 관성력이 더 크게 작용하므로, 이러한 연속적이고 리드미컬한 파동 운동은 매우 효율적인 이동 방식이 되는 것이며 이는 물고기의 몸통과 꼬리가 만드는 추진 파동과 물리적으로 거의 동일한 원리입니다. 감사합니다.

안녕하세요. 말씀해주신 것처럼 고세균이 형태적으로는 원핵생물임에도 불구하고, 유전자 발현 시스템에서는 진핵생물과 더 유사합니다. 원래 생물은 핵의 존재 여부에 따라 원핵생물과 진핵생물로 나뉘어 왔고, 고세균 역시 세균과 함께 원핵생물로 묶여 왔습니다. 그러나 분자생물학이 발전하면서 rRNA 염기서열, 전사와 번역 관련 단백질, RNA 중합효소 구조 등을 비교한 결과, 고세균은 진정세균보다 오히려 진핵생물과 더 많은 공통점을 가진다는 사실이 드러났습니다. 예를 들어 고세균의 RNA 중합효소는 구조와 작동 방식이 진핵생물의 RNA 중합효소 II와 매우 유사하며, 전사 개시 인자와 가까운데요, 이는 단순한 수렴 진화로 설명하기 어려운, 공통 조상으로부터의 계통적 연속성을 보입니다.이러한 발견을 바탕으로 Carl Woese는 생물을 세균, 고세균, 진핵생물의 세 영역으로 구분하는 새로운 계통 체계를 제안했는데요, 이 체계는 고세균과 진핵생물이 하나의 공통된 조상 계통에서 갈라졌으며, 세균은 그보다 더 이른 시점에 분기한 독립적인 계통이라는 점을 나타냅니다. 즉, 고세균은 세균의 한 종류가 아니라 진핵생물의 출현과 직접적으로 연결된 자매 계통에 해당한다고 보시면 됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.원핵생물에 속하는 고세균의 세포막이 극한 환경에서도 안정하게 유지되는 이유는 에터 결합, 가지형 아이소프레노이드 사슬과 단일층 구조를 가지고 있기 때문입니다. 지질과 글리세롤 사이의 결합 방식을 보면 진정세균과 진핵생물의 세포막 인지질은 지방산이 글리세롤에 에스터 결합으로 연결되어 있는데요 에스터 결합은 물과 열에 비교적 취약하여, 고온이나 극단적인 pH 조건에서는 가수분해가 일어나기 쉽습니다. 반면 고세균의 지질에서는 지방산 대신 아이소프레노이드 사슬이 글리세롤에 에터 결합으로 연결되어 있습니다. 에터 결합은 에스터 결합과 달리 C=O를 포함하지 않기 때문에, 산성이나 염기성 조건, 고온에서도 가수분해가 훨씬 잘 일어나지 않습니다. 이 점이 극한 환경에서의 화학적 안정성을 크게 높여 줍니다. 또한 고세균의 막 지질 사슬은 대부분 가지가 많이 달린 아이소프레노이드 구조를 가지며, 이는 직선형 지방산보다 훨씬 단단하고 촘촘한 포장을 가능하게 합니다. 이러한 가지 구조는 고온에서 분자 운동이 격렬해질 때도 막이 느슨해지는 것을 억제하고, 동시에 고염 환경에서는 이온이 막 내부로 쉽게 침투하는 것을 방지합니다. 즉, 물리적 충격과 삼투 스트레스에 대한 저항성이 함께 증가하는 것입니다. 특히 일부 고세균에서는 인지질 단일층 구조가 관찰되는데요 진정세균의 세포막은 두 겹의 인지질이 마주 보는 이중층 구조인 반면, 고온성 고세균 중 상당수는 하나의 지질 분자가 양쪽 끝에 극성 머리를 가지며 세포막 전체를 관통하는 테트라에터 지질을 형성합니다. 이 경우 세포막은 사실상 한 장으로 이루어진 구조가 되는데, 이는 두 겹이 분리될 위험 자체가 없다는 의미이며 고온에서는 막의 유동성이 지나치게 커지기 쉬운데, 단일층 구조는 이러한 분리나 붕괴를 원천적으로 차단하여 막의 구조적 완전성을 극도로 높여주게 됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.끓는점이란 액체 상태에서 분자들이 서로 잡아당기고 있는 힘을 극복하고 기체 상태로 이탈하기 시작하는 온도를 의미합니다. 따라서 끓는점이 높다는 것은 그만큼 분자 사이의 인력이 강하다는 뜻이며 에탄올과 디메틸에터는 분자량이 동일하고, 모두 극성을 띠는 분자이지만, 분자 간에 작용하는 인력의 종류와 세기가 결정적으로 다릅니다.에탄올은 분자 내에 O–H 결합을 가지고 있는데요 산소는 전기음성도가 매우 크고, 수소는 작기 때문에 이 결합은 강하게 극성을 띠며, 그 결과 에탄올 분자는 수소결합의 공여자와 수용자 역할을 동시에 할 수 있습니다. 즉, 한 에탄올 분자의 –OH 수소는 다른 에탄올 분자의 산소에 강하게 끌려가며, 분자들 사이에 방향성과 결합성을 가진 강한 수소결합 네트워크를 형성하는데요 이 수소결합은 일반적인 쌍극자-쌍극자 상호작용보다 훨씬 강한 분자 간 인력으로 작용하며, 액체 상태의 에탄올 분자들을 단단히 묶어 두는 역할을 합니다. 그 결과 에탄올 분자들이 기체로 빠져나가기 위해서는 많은 에너지가 필요하고, 끓는점이 상대적으로 높게 나타납니다.반면 디메틸에터는 구조적으로 산소 원자를 포함하고 있어 극성 분자이기는 하지만, O–H 결합이 존재하지 않습니다. 즉, 수소결합을 받을 수는 있어도 수소결합을 제공할 수는 없는 구조입니다. 이 때문에 디메틸에터 분자들 사이에서는 수소결합이 형성되지 않고, 주된 분자 간 인력은 쌍극자-쌍극자 상호작용과 분산력에 의존하는 것이며 이러한 인력들은 수소결합에 비해 훨씬 약하므로, 디메틸에터 분자들은 비교적 적은 에너지로도 서로 분리될 수 있고, 결과적으로 끓는점이 매우 낮아집니다. 감사합니다.

안녕하세요.벤젠은 겉보기에는 이중결합을 가진 알켄과 유사해 보이지만, 전자구조가 본질적으로 다르다고 할 수 있습니다. 벤젠 분자의 여섯 개 탄소 원자는 모두 sp² 혼성화되어 평면 육각형 구조를 이루며, 각 탄소가 제공하는 p 오비탈이 고리 전체에 걸쳐 연속적으로 겹치면서 π 전자가 고리 전체에 비편재되어 있으며 이로 인해 특정 위치에 고정된 이중결합이 존재하는 것이 아니라, 모든 C–C 결합이 동일한 성질과 길이를 가지는 하나의 전자 구름으로 이해됩니다.공명 구조 각각이 실제 구조가 아니라 그 평균 상태가 실제 벤젠의 구조인데요 따라서 이 공명에 의해 벤젠은 일반적인 시클로헥사트리엔보다 훨씬 낮은 에너지를 가지게 되는데, 이를 공명 안정화 에너지라고 합니다. 이 안정화 에너지가 바로 벤젠의 방향족성의 핵심입니다. 일반적인 알켄에서의 첨가반응은 π 결합 하나를 σ 결합 두 개로 바꾸면서 전체 분자의 안정도가 증가하는 방향으로 진행됩니다. 즉, 알켄의 첨가반응은 에너지적으로 유리하지만 그러나 벤젠의 경우 상황이 정반대입니다. 벤젠이 첨가반응을 일으키면 π 전자계의 연속성이 끊어지고, 방향족성이 붕괴되어 공명 안정화 에너지를 상실하게 됩니다. 이 손실은 매우 크기 때문에, 첨가반응은 전체적으로 에너지적으로 불리한 반응이 됩니다. 반면에 벤젠의 전기친화적 치환반응은 반응 도중 일시적으로 방향족성이 깨지는 σ-복합체를 거치지만, 최종 생성물에서는 다시 방향족 고리가 완전히 회복됩니다. 즉, 반응 전과 후 모두 방향족성이 유지되며, 공명 안정화 에너지가 보존되는 것이며 이 때문에 벤젠은 첨가반응 대신 치환반응을 통해 반응성을 발현하는 것이 열역학적으로 훨씬 유리한 것입니다. 감사합니다.