안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
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.
화학
Q. 속도 상수를 구하기 위한 초기 속도법과 적분법의 차이점은 무엇인가요?
안녕하세요. 반응 속도 상수 k를 실험적으로 구할 때 사용하는 초기 속도법과 적분법은 접근 방식과 장단점이 다르다고 할 수 있습니다. 우선 초기 속도법의 경우에는 반응 초기에 기질 농도가 거의 변하지 않은 상태에서 사용하며, 초기 속도는 반응 속도식에 단순하게 적용할 수 있어, 속도 상수 k를 쉽게 추정할 수 있습니다. 즉 측정 시점은 반응 시작 직후, 기질 변화가 거의 없는 순간이며, 초기 조건이 단순하므로 단순한 수식 적용 가능하다는 장점이 있으나 정확한 초기 속도를 측정해야 하므로 정밀한 시점 관찰이 필요합니다.다음으로 적분법이란 반응이 진행되는 동안 전체 농도 변화를 시간 함수로 기록하고, 반응 속도식을 적분하여 계산하는 방식인데요, 즉, 시간 t에 따른 농도 [A]를 측정하고 적분된 반응 속도 식을 사용해 선형 그래프를 그리거나 방정식을 풀어 k를 구합니다. 반응 전 구간, 초기부터 일정 시간 동안 농도 변화를 측정하는 것이며, 초기 속도를 정확히 측정하기 어렵더라도 사용 가능하다는 장점이 있지만, 전체 농도 변화를 측정해야 하므로 시간과 시료가 필요하다는 단점이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 원핵생물의 전사 종결 방식인 로우 의존성 종결과 비의존성 종결의 특징은 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 원핵생물의 전사 종결은 RNA 중합효소가 mRNA 합성을 끝내고 DNA에서 떨어져 나오는 과정인데, 크게 ρ 인자 의존성 종결과 ρ 인자 비의존성 종결로 나눌 수가 있습니다. 먼저 의존성 종결과정은 RNA에 특정 rut서열이 존재하는데, ρ 단백질이 이 rut 서열에 결합하고 RNA를 따라 이동하면서 RNA-DNA 복합체를 따라잡고 RNA 중합효소에 도달하면 RNA-DNA 복합체를 분리시켜 전사를 종료시키는 방식입니다. 다음으로 비의존성 종결과정은 RNA에 GC-rich 반복 서열이 존재하여 전사되면 RNA가 자기상보적 줄기-고리(stem-loop) 구조를 형성하는데 그 뒤에 U-rich 서열이 따라오며, RNA-DNA 상보성이 약해진 상태가 되고, RNA 중합효소가 이 구조에 도달하면 약한 U-A 결합과 줄기-고리 구조 때문에 RNA가 떨어져 나가는 방식입니다. 이때 ρ 의존성 종결은 단백질 헬리케이스가 필요하고, 주로 조절적인 기능을 수행한다면, ρ 비의존성 종결은 RNA 서열과 구조 자체로 종결하며, 효율적이고 일반적인 방식이라는 특징이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 RNA에 존재하는 인트론의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것처럼 진핵생물의 pre-mRNA는 엑손과 인트론으로 구성되어 있으며, 전사 후 스플라이싱을 거치면 인트론이 제거되고 성숙 mRNA에는 엑손만 남습니다. 인트론은 단백질 비암호화 서열이지만 여러 중요한 역할을 담당하고 있는데요, 우선 유전자 발현의 다양성을 확보합니다. 하나의 유전자에서 인트론을 포함한 다양한 스플라이싱 패턴을 통해 서로 다른 단백질 동형체를 만들어낼 수 있는데요 예를 들어, 인간에서는 전체 유전자의 수인 약 20,000~25,000개에 비해 훨씬 다양한 단백질이 생성되는데, 이는 대체 스플라이싱 덕분입니다.또한 인트론 내부에도 전사 조절 서열이 포함되어 있어, 해당 유전자의 발현 수준과 시기를 조절하는 데 기여할 수 있으며 인트론이 길면 전사에 시간이 오래 걸리므로 유전자의 발현 속도를 조절하는 역할도 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 특수 전사인자의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 진핵생물의 전사 과정에서 특수 전사인자는 특정한 유전자에서 발현 여부와 수준을 정밀하게 조절하는 역할을 하며, 이외에 모든 세포들이 가지고 있는 보편 전사인자가 RNA 중합효소 II가 프로모터의 핵심 서열(TATA box)에 결합해 기본적인 전사 개시를 가능하게 한다면, 특수 전사인자는 그 위에 덧붙여서 어떤 세포에서, 어떤 시기에, 어떤 강도로 전사가 일어날지를 결정하게 되는 것입니다.특수 전사인자는 세포 종류에 따라 발현 양상이 달라지는데요 예를 들어, 간세포에는 간 특이적 전사인자인 HNF가, 근육세포에는 MyoD 같은 전사인자가 존재하며, 이들이 해당 조직에서만 특정 유전자의 발현을 유도하여 조직의 기능과 정체성을 부여합니다. 또한 보편 전사인자가 주로 핵심 프로모터에 작용하는 반면, 특수 전사인자는 enhancer, silencer, upstream element 등 DNA의 다양한 조절 서열에 결합하는데요 이로써 전사 개시 복합체의 형성 여부와 효율이 크게 달라지게 됩니다. 즉, 특수 전사인자는 진핵세포가 환경 자극에 반응하고, 세포 분화 상태를 유지하며, 다세포 생물에서 조직별 특성을 발휘하도록 만드는 역할을 수행하는 것입니다. 감사합니다.