안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 식물 세포벽은 원핵생물이나 균류의 세포벽과 어떤 점에서 차이가 있나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 세포벽은 동물 세포에는 없지만 식물, 원핵생물, 균류에는 공통적으로 존재하는 중요한 구조인데요 그러나 세포벽은 단순히 세포를 둘러싸는 보호막이 아니라 생명체의 계통과 생태적 요구에 따라 화학적 구성과 구조가 크게 달라집니다. 이때 식물의 세포벽은 셀룰로오스 미세섬유, 펙틴, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되어 있으며, 셀룰로오스라는 불용성 다당류가 뼈대 역할을 하며, 헤미셀룰로오스와 펙틴이 이를 교차 연결하여 강도와 유연성을 동시에 제공하게 됩니다. 다음으로 원핵생물의 세포벽은 펩티도글리칸이라고 하는 점액성 다당류로 구성되어 있는데요, 펩티도글리칸은 N-아세틸글루코사민(NAG)과 N-아세틸뮤람산(NAM)이 β-1,4 결합으로 연결된 다당류 골격에, 펩타이드 사슬이 교차 결합된 독특한 고분자 구조입니다. 마지막으로 균류의 세포벽은 키틴으로 구성되어 있는데요, 키틴은 N-아세틸글루코사민(NAG)이 β-1,4 결합한 직선성 고분자로, 곤충 외골격과 같은 성분이며 강도와 유연성을 동시에 제공할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포벽을 구성하는 펙틴과 헤미셀룰로오스는 어떻게 합성하나요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것처럼 셀룰로오스는 세포막에 위치하는 셀룰로오스 합성효소 단백질 복합체가 UDP-글루코오스를 기질로 사용해 세포 외부로 직접 합성하는데요, 반면에 펙틴과 헤미셀룰로오스는 합성 경로와 장소가 셀룰로오스와는 차이가 있습니다.우선 펙틴은 주로 골지체에서 합성되는데요, UDP-갈락투론산, UDP-아라비노오스, UDP-람노오스 등 다양한 UDP-당 뉴클레오타이드가 기질로 사용되며 여러 종류의 펙틴 합성 효소가 작용하여 복잡한 다당류 구조를 형성합니다. 이후 합성된 펙틴은 소포에 담겨 세포막까지 운반된 후, 세포 외부로 방출되어 세포벽에 축적됩니다.다음으로 헤미셀룰로오스 역시 마찬가지로 골지체에서 합성되는데요 UDP-자일로오스, UDP-만노오스, UDP-갈락토오스 등 UDP-당을 기질로 사용합니다. 여러 종류의 글리코실트랜스퍼라아제가 관여하여, 자일란, 글루코만난, 자일로글루칸 같은 다양한 헤미셀룰로오스를 만들어내며 펙틴과 동일하게 소포에 담겨 세포막을 거쳐 세포벽으로 운반됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 1차세포벽과 2차 세포벽은 구조적으로 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 식물 세포벽은 생명체의 구조적 지지와 보호, 그리고 물질 이동에 있어 매우 중요한 역할을 하며, 크게 1차 세포벽과 2차 세포벽으로 나누어집니다. 우선 1차 세포벽이란 세포가 아직 활발히 분열하고 팽창하는 동안 먼저 형성되며, 세포막 바깥쪽에 자리하고 있는 세포벽을 말하는데요, 비교적 유연하고 늘어날 수 있어 세포의 성장에 맞추어 함께 확장됩니다. 다음으로 2차 세포벽이란 세포의 성장이 끝난 뒤, 1차 세포벽 안쪽에 추가적으로 형성되는 세포벽으로 더 단단하고 두껍게 축적되기 때문에 세포가 더 이상 팽창하지 못하게 합니다.1차 세포벽은 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 펙틴으로 이루어져 있으며, 그물처럼 헐겁고 유연하게 배열되어 있는데요 펙틴은 세포벽을 부드럽고 수화 상태로 유지시켜 세포가 성장할 수 있도록 돕습니다. 다음으로 2차 세포벽 역시 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로 구성되어 있으나 훨씬 더 조밀하게 배열되며, 여기에 리그닌이 포함되는 경우가 많습니다. 리그닌은 소수성을 띠고 세포벽을 매우 강하고 단단하게 만들어 물과 미생물에 대한 저항성을 높입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전자의 이동에 의한 산화환원 반응 잘 모르겠어요
안녕하세요. 우선 산화환원 반응식은 잘 작성해주셨습니다. 쉽게 설명드리자면 우선 원자마다 전자를 얼마나 세게 끌어당기는지가 다른데요, 아연(Zn)은 전자를 꽉 잡는 힘, 즉 전기음성도이 비교적 약해서, 금속 상태에서 전자를 쉽게 잃고 Zn²⁺ 이온으로 바뀌려고 합니다. 반대로 구리(Cu²⁺)는 전자를 더 잘 끌어당겨서 전자를 받고 싶어합니다. 작성해주신 산화환원 반응식에서 Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ 는 반응물 쪽에 있던 아연이 전자를 내어주고 산화되었음을 의미하는데요, 즉 아연이 산화되어 이온이 되고 전자는 밖으로 방출하였음을 의미합니다. 반면에 Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu는 구리가 아연이 내놓은 전자를 받아서 금속으로 변하고 환원된 것을 나타내는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 매미가 소변을 잘 누는 이유가 무엇인가요
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 매미가 다른 곤충보다 유난히 소변을 자주 많이 보는 이유는 매미의 독특한 먹이 습성과 배설 구조 때문인데요, 우선 매미는 성충이 되면 주로 나무의 체관 수액을 빨아먹습니다. 체관 수액은 주성분이 물이고, 그 안에 소량의 당류와 아미노산 등이 들어 있습니다. 이처럼 수액에 들어있는 영양분 함량이 낮기 때문에 매미가 필요한 만큼의 에너지를 얻으려면 몸 크기에 비해 매우 많은 양의 수액을 섭취해야 합니다.영양분을 획득하기 위해서 많은 수액을 흡수하면 곤충 몸속에 과도한 물이 쌓이게 되는데요 매미는 이를 빨리 배출하기 위해 말피기관이라는 배설기관을 통해 수분을 걸러내고, 거의 희석된 소변 형태로 몸 밖으로 내보내는데, 이 과정에서 매미는 섭취량의 대부분을 소변으로 내보내는 셈입니다. 물론 진딧물이나 방패벌레 같은 다른 흡즙성 곤충도 수액을 먹지만, 보통은 꿀물 같은 점성의 배설물을 소량씩 배출하는 반면 매미는 몸집이 크고 섭취량도 방대하기 때문에 배설량이 압도적으로 많으며, 배출되는 액체가 거의 물처럼 보일 정도로 묽고 양이 많아 보입니다. 감사합니다.
화학
Q. 왜 단일 단계 반응에서는 계수가 차수라고 단정지을 수 있는 것인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 단일 단계 반응에서 반응식의 계수가 반응 속도식에서의 차수와 일치하는 이유는 반응 속도를 결정하는 분자 수준 과정과 반응 차수의 정의와 관련이 있습니다.반응속도식에서 반응 차수는 속도가 각 반응물 농도에 얼마나 민감한가를 나타내는데요, 우선 단일 단계 반응은 한 번의 충돌로 반응이 일어나는 과정입니다. 이 반응은 단일 단계에서 A와 B가 동시에 충돌해야만 C가 형성되는데요 따라서, 반응 속도는 충돌 확률에 비례합니다. 이때 단일 단계 반응에서 반응물 계수는 반응물 분자가 동시에 참여해야 하는 수를 나타내는데요 반응 속도는 바로 그 동시 충돌 확률에 비례하므로, 반응식의 계수와 속도식의 지수가 일치하는 것입니다. 다만 복합 반응에서는 속도 결정 단계가 전체 반응과 다를 수 있는데요 이 경우 반응식의 계수와 속도식 차수가 일치하지 않을 수 있기 때문에 따라서, 계수가 차수와 일치한다는 것은 단일 단계 반응에만 해당되는 일반 법칙이라고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 초파리 살충제가 마늘에 닿았는데 닦고 먹어도 될까요?
안녕하세요. 우선 가장 좋은 것은 안 드시는 것을 추천드립니다. 홈키파 같은 초파리 살충제는 피레스로이드 계열이 많은데요 이런 성분들은 껍질 표면이나 흙 입자에 잘 달라붙을 수 있고, 물로 씻는 것만으로 완전히 제거되기 어렵습니다. 특히 마늘과 양파처럼 흙이 묻어 있고 껍질이 있는 상태라면, 표면에 흡착된 살충제가 씻겨 나가지 않을 가능성이 있습니다.또한 껍질을 벗기면 일부 표면 오염물은 제거되지만, 살충제가 껍질 속 깊이 스며들었을 가능성까지 배제할 수는 없는데요 집에서 사용하는 살충제는 독성이 낮더라도, 소량이라도 섭취 시 민감한 사람이나 어린이는 문제될 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 촉매를 사용했을 때 왜 활성화 에너지는 낮출 수 있지만 평형상수에는 영향을 미치지 않는가요?
안녕하세요. 촉매가 반응 속도를 높이지만 평형 상수에는 영향을 미치지 않는 이유를 이해하려면, 촉매가 반응 경로에 미치는 영향과 열역학적 평형의 원리를 함께 이해해야할 필요가 있습니다.우선 반응이 일어나기 위해서는 분자들이 특정한 에너지를 가진 전이 상태를 거쳐야 하는데요, 이때 필요한 최소 에너지가 바로 활성화 에너지 Ea입니다. 촉매는 반응물과 상호작용하여 더 안정적인 전이 상태를 제공하거나, 다른 경로를 만들어 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 높이는데요 중요한 점은 반응물과 생성물의 자유에너지 차이가 바뀌지 않는 다는 점입니다. 즉, 촉매는 단순히 활성화 에너지를 낮춰주는 역할만 하며, 반응물과 생성물의 최종 에너지 상태 자체는 변경하지 않습니다. 평형 상수 K는 반응물과 생성물의 자유에너지 차이에 의해 결정되는데요, 즉 이때 촉매는 반응물과 생성물 사이의 자유에너지 차이를 바꾸지 않으므로 평형 상수는 동일하게 유지됩니다. 정리하자면 촉매는 활성화 에너지를 낮춰주기 때문에 반응 속도를 증가시키지만 촉매는 반응물과 생성물의 자유에너지 차이를 바꾸지 않기 때문에 평형 상수 K가 변하지는 않습니다. 따라서 촉매는 반응 속도를 조절하는 동역학적 인자이지, 평형을 바꾸는 열역학적 인자가 아니라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 화학에서 평형 상수 K가 온도에 따라서 변화하는 이유를 반트 호프 방정식으로 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 평형 상수 K가 온도에 따라 변하는 이유는 화학 평형의 열역학적 특성과 깊게 관련이 있으며, 이를 반트 호프 방정식으로 정량적 계산이 가능합니다. 반트 호프 방정식은 평형 상수와 온도 사이의 관계를 정량적으로 보여주며, 발열 반응에서는 ΔH가 음수이므로 온도가 증가하면 lnK가 감소하여 평형 상수 K가 줄어들고, 반대로 흡열 반응에서는 ΔH가 양수이므로 온도가 증가하면 lnK가 증가하여 평형 상수가 커지는데요 즉, 반트 호프 방정식을 통해 평형 상수가 온도에 따라 변화하는 이유를 설명할 수 있으며, 발열 반응에서는 온도 상승이 생성물 형성을 억제하고 흡열 반응에서는 촉진하는 방향으로 평형을 이동시키는 동역학적, 열역학적 현상을 수학적으로 정량화할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 발열 반응은 온도를 올렸을 때 평형 상수가 감소하게 되는데 이를 동역학적으로는 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 반응물보다 생성물의 에너지가 더 낮아지는 발열 반응에서 온도가 올라갈 때 평형 상수 K가 감소하는 현상은 열역학적으로는 르 샤틀리에 원리로 설명할 수 있지만, 이를 동역학적 관점에서 이해할 수도 있습니다. 발열 반응에서는 생성물이 반응물보다 에너지가 낮고, 반응 과정에서 열을 방출하는데요, 이를 열역학적으로 이해해보자면 온도가 올라가면 반응계에 추가적인 열 에너지가 공급되는데 발열 반응에서는 열을 생성물로 방출하므로, 시스템이 추가 열을 흡수하려고 역반응을 촉진하게 되는 것입니다. 결과적으로 정상 상태에서 생성물 농도가 감소하고 평형 상수 K가 감소하게 됩니다.다음으로 동역학적 관점에서는 반응 속도 상수(k)를 통해 설명할 수 있는데요, 온도가 올라가면 모든 속도 상수가 증가하지만, 활성화 에너지 Ea가 큰 반응에서 더 크게 증가합니다. 이때 발열반응에서는 역반응의 활성화에너지가 더 크기 때문에 역반응 속도가 전방 반응 속도보다 더 크게 증가합니다. 이로 인해 평형점에서 생성물 농도가 줄어들면서 평형 상수 K가 감소하며 따라서 동역학적으로도 온도가 올라가면 평형이 역반응 쪽으로 이동한다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.