안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 퍼옥시좀의 카탈라아제와 산화효소는 어떻게 과산화수소를 처리 할 수 있나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 퍼옥시좀은 지방산의 β-산화나 아미노산 대사 과정에서 산화효소들이 기질을 산화시키는 반응을 담당하는데, 이때 부산물로 독성이 강한 과산화수소(H₂O₂)가 발생합니다. 퍼옥시좀은 이 과산화수소를 무해하게 처리하기 위해 산화효소와 카탈라아제라는 두 가지 효소 체계를 가지고 있습니다.우선 퍼옥시좀 안에는 산화효소들이 존재하여 여러 기질을 산화하는데요, 이 단계에서 과산화수소(H₂O₂)가 생성되며, 그대로 방치되면 DNA, 단백질, 지질을 손상시키는 활성산소종(ROS)으로 작용할 수 있습니다. 퍼옥시좀의 대표 효소가 카탈라아제인데요, 카탈라아제는 과산화수소를 해독하는 두 가지 경로로 작용할 수 있습니다. 우선 과산화수소 두 분자를 반응시켜 물과 산소로 바꾸며, 과산화수소를 전자수용체로 사용하여 다른 기질을 산화시킵니다. 퍼옥시좀 내부는 산화적 대사에서 발생한 과산화수소를 즉시 처리할 수 있는 시스템을 갖추고 있으며, 이로써 세포 전체가 활성산소에 의해 손상되는 것을 막습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 핵공복합체는 선택적으로 분자를 수송하는데 NLS 및 NES 서열이 인식되는 분자적 과정은 어떻게 이루어지나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 핵공복합체(NPC)는 단순히 구멍이 아니라 수백 개의 핵공 단백질이 모여 이룬 거대한 단백질 복합체로, 핵과 세포질 사이의 분자 교통을 정밀하게 조절하는데요, NPC는 작은 분자는 자유롭게 확산할 수 있게 하지만, 그보다 큰 단백질이나 RNA는 반드시 특정 서열 신호와 수송 단백질을 통해 선택적으로 이동해야 합니다. 이때 중요한 것이 NLS와 NES입니다. NLS 서열은 보통 양전하 아미노산이 풍부한 짧은 서열인데요, 핵 안쪽에는 Ran-GTP가 고농도로 존재하며, Ran-GTP가 Importin-β에 결합하면 수송 복합체가 해체되고, NLS 단백질은 핵 안으로 방출됩니다. 반대로 NES는 보통 소수성 아미노산이 규칙적으로 배열된 서열인데요, 삼자 복합체가 NPC의 FG-nucleoporin과 상호작용하며 세포질로 이동하며 세포질에는 RanGAP이 있어 Ran-GTP를 Ran-GDP로 가수분해시킵니다. 이때 Exportin이 화물 단백질을 방출하고, Ran-GDP는 다시 핵 안으로 돌아가 GTP로 재충전됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 리소좀이 낮은 PH를 유지하기 위해 사용하는 분자적 기작은 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 리소좀은 세포 내에서 단백질, 지질, 핵산 등 불필요하거나 손상된 분자를 분해하는 역할을 하며, 이를 위해 약 pH 4.5~5.0의 산성 환경을 유지해야 하는데요, 따라서 이 낮은 pH는 리소좀 안에 존재하는 가수분해 효소들이 최적 활성도를 갖도록 하는 조건이라고 할 수 있습니다.우선 리소좀의 막에는 V형 ATPase라는 양성자 펌프가 존재하는데요, 이 효소는 ATP를 가수분해하면서 얻는 에너지를 이용하여, 세포질에서 리소좀 내부로 H⁺ 이온을 능동 수송하며 그 결과 리소좀 내부의 H⁺ 농도가 점차 증가하여 산성 환경이 형성되는 것입니다. 이때 H⁺가 리소좀 내부로 계속 들어가면 전하 불균형으로 인한 막 전위가 생길 수 있는데요, 이때 Cl- 통로를 통해 음전하를 띠는 염화이온을 함께 유입시켜 전하 균형을 맞추며, K⁺ 또는 Na⁺ 교환 기작을 통해 양이온 이동을 통해 전위 차이를 완화시키게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 소포체내 단백질 접힘 과정에서 샤페론 단백질의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 소포체에서 단백질이 합성되고 접히는 과정은 세포 생존과 기능 유지에 매우 중요한데요, 이 과정에서 샤페론 단백질은 중요한 역할을 수행합니다.소포체 내로 새로 합성된 단백질은 처음에는 선형 폴리펩타이드 사슬 상태인데요, 이때 샤페론 단백질은 이 사슬이 자발적으로 잘못 접히거나 응집되는 것을 막아줍니다. 대표적인 샤페론 단백질로는 BiP가 있는데요, Hsp70 계열 단백질로, 새로 합성된 폴리펩타이드에 결합해 조기 응집을 방지하며 올바른 접힘이 완료되면 BiP가 떨어져 나갑니다.단백질이 제대로 접히지 못하면, 세포는 독성 응집체 축적을 막기 위한 시스템이 작동하게 되는데요, 우선 ER 연관 분해 경로로 잘못 접힌 단백질은 샤페론에 의해 인식되며 이후 소포체 막을 통해 세포질로 역수송되고 최종적으로 세포질의 유비퀴틴-프로테아좀 시스템에 의해 분해됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 오리너구리는 포유류에 속하는데 어떻게 알을 낳나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 오리너구리는 분류학적으로는 분명히 포유류에 속하지만, 우리가 일반적으로 떠올리는 태생으로 새끼를 낳고, 젖을 먹이는 포유류와는 조금 다른 특징을 가지고 있습니다.오리너구리와 바늘두더지만 속하는 아주 원시적인 포유류 그룹을 '단공류'라고도 부르는데요 이들은 약 2억 년 전 포유류가 진화하던 초기 단계의 특징을 여전히 유지하고 있습니다. 대부분의 포유류는 알이 아닌 새끼를 낳는데요, 그러나 오리너구리는 난생의 방식을 택하며, 즉 알을 낳습니다. 다만 파충류나 조류처럼 단단한 석회질 껍질이 아니라, 가죽 같은 부드러운 껍질을 가진 알을 낳으며 알 속에서 일정 기간 배아가 발달한 후, 어미가 따뜻하게 품어주면서 부화합니다.또한 오리너구리는 외형에서 파충류, 조류, 포유류의 특징이 섞여 있는데요 오리처럼 넓고 납작한 부리를 가지고 있으며, 이 부리는 전기 수용기를 포함해 물속 먹이를 감지하는 데 사용됩니다. 또한 물갈퀴가 달린 발로 수중 생활에 적응했으며 포유류처럼 일정한 체온을 유지하지만, 다른 포유류에 비해 체온이 낮습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 스트레스수치를 검사하는방법있는지궁금합니다
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 스트레스는 단순히 심리적 느낌이 아니라 실제로 신체의 호르몬, 신경계, 자율신경 반응으로 나타나기 때문에 여러 생리적 지표를 통해 수치화가 가능한데요, 스트레스 측정 방법으로는 우선 호르몬 및 혈액 기반의 방식이 있습니다. 코르티솔은 대표적인 스트레스 호르몬으로, 혈액이나 소변, 타액에서 측정 가능하며 객관적 수치화 가능하다는 장점이 있고, 다만 아침에 높고 저녁에 낮기 때문에 하루 주기에 영향을 받습니다. 아드레날린이나 노르아드레날린도 스트레스 반응 시 교감신경에서 분비되며 혈액, 소변 검사로 측정 가능합니다. 아무래도 미래에 등장할 수 있는 기술로는 다중 바이오마커 패널이 있는데요 혈액이나 타액에서 코르티솔, 염증성 사이토카인, 대사체 등을 동시에 측정하여 스트레스 지수 산출이 가능해질 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 수면 기술에대해궁금해서질문합니다.
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 비침습 뇌 자극 기술을 통한 수면 개선 연구는 활발히 진행 중이며, 향후 10년, 15년 이내에는 수면제 없이도 일반인, 노인, 예민한 분들이 깊은 수면을 안정적으로 취할 수 있는 수준의 기술이 일부 구현될 가능성이 있습니다. 주요 비침츱 수면 자극 기술의 예시인 rTMS, 즉 반복 경두개 자기자극은 저주파 1 Hz 활용 시 각성 과잉 상태를 억제하고 수면 구조 개선에 긍정적 효과 보고되었으며, Closed-loop 실시간 자극 방식은 수면 중 뇌파 감지 후 특정 타이밍에 맞춰 자극하는 방식으로 예시로는 CLAS, Portiloop 시스템이 있습니다. 하지만 아직까지는 자극 위치, 강도, 주파수, 타이밍 등의 표준화가 필요하며, 현재는 대부분 단기간 실험한 결과이기 때문에 장기 반복 시 안정성, 효과 지속성 입증이 필요할 것으로 보입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 전신 획득 저항성이 동물의 면역기억과 비슷하다고 할 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 식물은 항체나 순환하는 면역세포가 없지만, 전신 획득 저항성(SAR, Systemic Acquired Resistance)이라는 메커니즘을 통해 병원체 경험을 기억하고 이후 공격에 빠르게 대응하는 능력을 가질 수 있습니다. 우선 SAR은 국소 부위에 병원체가 침입하면, 감염된 세포에서 살리실산(SA) 같은 신호 분자가 생성되어 식물 전체(전신)에 방어 준비 상태를 유도하는 현상을 말하는데요, 국소 감염은 전신 조직으로 신호 전달되는데 방어 관련 유전자(PR genes) 발현 증가하게 되고 이후 병원체가 들어오면 빠르고 강력하게 반응하게 됩니다. 즉, 식물이 과거 침입 경험을 기억하고 면역을 강화하는 것처럼 행동하는 것입니다. SAR이 면역기억과 비슷한 이유는 신호 기반의 기억이기 때문인데요, SAR에서는 국소 감염 후 SA와 같은 신호가 식물 전신에 퍼져 방어 유전자를 활성화하는데, 이는 동물 면역에서 기억 B/T세포가 존재하여 재감염 시 빠르게 항체를 생산하는 것과 유사합니다. 또한 SAR이 활성화되면 식물은 실제 병원체가 침입하기 전에 항균 펩타이드, 효소, 세포벽 강화 등 방어 자원을 미리 준비하는데요, 이는 동물 면역기억에서 항체가 미리 존재하여 재감염을 신속히 억제하는 것과 기능적으로 비슷합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 특정한 식물 종이 어떠한 병원체에 대해 강한 저항성을 나타내는 것은 유전적 차이로 인한 것인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 특정 식물 종이 특정 병원체에 대해 강한 저항성을 보이는 현상은 주로 유전적 차이에 의해 결정되지만, 환경적 요인도 중요한 역할을 합니다. 우선 유전적 요인으로는 R유전자가 있는데요, 식물 내 R 단백질(NLR 계열 등)을 코딩하는 유전자가 병원체의 효과기 단백질을 인식할 수 있으면 강한 저항성이 나타내는데 예를 들어, 토마토의 Pto 유전자는 특정 세균의 AvrPto 단백질을 인식하여 ETI를 활성화하며 이런 직접적/, 간접적 인식 능력은 유전적으로 결정됩니다.반면에 이와 같은 유전적 요인 이외에 환경적 요인 역시 영향을 미치는데요, SA, JA, ET 같은 면역 호르몬 경로는 온도, 습도, 빛 조건에 따라 활성화 정도가 달라지는데요, 고온에서는 SA 경로가 억제되어 세균 저항성이 감소할 수 있습니다. 또한 질소, 인, 칼슘 같은 영양소가 부족하면 세포벽 강화, 항균 단백질 합성 등 방어 반응이 약화될 수 있으며, 가뭄, 염류 스트레스, 기계적 손상 등은 식물의 면역 자원을 분산시키거나 호르몬 균형을 변화시켜 병원체 저항성을 낮출 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 살리실산, 자스몬산, 에틸렌과 같은 호르몬을 이용하여 면역 반응을 조절하는 방식은 각각 어떻게 다른가요?
안녕하세요, 질문해주신 것과 같이 식물은 살리실산(SA), 자스몬산(JA), 에틸렌(ET) 같은 호르몬을 이용해 병원체 유형과 공격 부위에 따라 면역 반응을 조절하는데요 이들 호르몬은 서로 상호작용하며 병원체 특이적 방어를 가능한 것입니다. 우선 살리실산은 주로 바이러스와 일부 세균 병원체에 대한 방어를 조절하는 호르몬으로 국소 감염 부위에서 면역 반응을 유도하고, 전신적 횡전을 촉진하는 역할을 담당합니다. 병원체 침입 시 SA가 축적되면서 NPR1 단백질 활성화가 되고 방어 관련 유전자(PR genes) 발현되며 국소적 세포 사멸을 유도하여 병원체 확산을 억제하게 됩니다. 다음으로 자스몬산은 곰팡이, 일부 세균, 초식 곤충 공격 방어 역할을 하며 조직 손상이나 기계적 스트레스에도 반응합니다. 병원체 침입 또는 조직 손상 시 JA 합성하여 COI1 복합체를 활성화하고 방어 유전자(JA-responsive genes)를 발현시키며, 항균 단백질, 단백질분해효소 억제 단백질 생성하게 만들어 병원체 성장을 억제합니다. 마지막으로 에틸렌은 JA와 협력하여 곰팡이, 진딧물 같은 병해충에 대한 방어 강화 역할을 수행하며 세포 노화, 스트레스 신호, 기계적 손상에도 관여합니다. 병원체나 손상에 의해 ET 합성하여 EIN/EIL 전사인자를 활성화하고 JA/ET 공동 방어 유전자 발현시키며 JA 신호와 함께 작용하면 병원체 특이적 항균 펩타이드 생성하게 됩니다. 감사합니다.