안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. NMR에서 왜 알켄이 알카인보다 shift가 많이 되나요?
네, 말씀하신 것처럼 직관적으로는 알카인(C≡C)이 파이 전자가 더 많으므로 전자 밀도가 높아 차폐되어야 하고, 따라서 NMR에서 낮은 ppm(아래쪽)으로 나타날 것 같지만, 실제로 ¹H NMR에서 알켄(H-C=) 수소가 알카인(H-C≡C) 수소보다 더 downfield에서 나타나는 결과를 얻을 수 있습니다.우선 ¹H NMR에서 화학적 이동(δ, ppm)은 핵 주변의 전자 밀도에 의해 결정되는데요, 전자 밀도가 높으면 차폐되어 화학적 이동값이 낮아지고, 전자 밀도가 낮으면 탈차폐되어 화학적 이동값이 높아집니다. 이때 알켄의 경우에는 C=C 결합의 파이 전자 구름은 핵 주변에 완전히 차폐되지 않고, 결합 방향과 분자 구조 때문에 수소 핵을 부분적으로 탈차폐하는데요 특히, 알켄의 평면 구조에서 π 전자가 수소 핵 위/아래로 존재하며 외부 자기장에 의해 유도된 전류가 수소를 탈차폐시키는 효과가 발생하기 때문에결과적으로 화학적 이동 δ ≈ 4.5–6.5 ppm 정도로 알카인에 비해서 downfield에 나타나는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. NMR을 찍었을 때 아마이드의 피크가 상온에서와 고온에서 개수가 다른 이유는?
NMR에서 아마이드(-CONH-)의 피크 개수가 온도에 따라 달라지는 현상은 화학적 교환과 수소 결합 때문인데요, 우선 아마이드 N-H 수소는 전자쌍을 가진 산소(C=O)와 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 이러한 수소 결합은 분자 내 또는 분자 간에서 동적으로 만들어졌다 깨졌다 하며, 상온에서는 상대적으로 느린 속도로 일어나기 때문에 NMR에서 서로 다른 환경으로 인식됩니다.우선 상온에서는 아마이드의 N-H가 서로 다른 수소 결합 환경에 놓여 있는데요 예를 들어, 어떤 N-H는 자유 상태, 어떤 N-H는 수소 결합에 참여한 상태라면, 동일한 화학적 위치라도 다른 피크로 나타내며 그래서 상온에서 3개의 서로 다른 환경으로 인해 3개의 피크가 관찰되는 것입니다.반면에 온도가 높아지면 분자 운동이 활발해지고, 수소 결합의 생성과 소멸 속도가 매우 빨라지는데요 이때 NMR에서 핵은 빠른 평균화 상태로 인식하게 되어, 서로 다른 환경에 있던 N-H가 하나 또는 몇 개로 합쳐진 피크로 나타나게 됩니다. 즉, 상온에서는 구분되던 환경이 고온에서는 평균화되어 신호가 통합되면서 피크 개수가 줄어드는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. NMR을 찍을 때 테트라메틸실란을 같이 넣는 이유는 무엇인가요?
네, 질문해주신 것과 같이 NMR을 측정할 때 테트라메틸실란(TMS, (CH₃)₄Si)을 넣는 이유는 화학적 이동(chemical shift)을 기준으로 잡기 위해서입니다. NMR 스펙트럼에서는 각 핵(¹H, ¹³C 등)이 주변 전자 환경에 따라 흡수하는 주파수가 조금씩 달라지는데요 이때 절대 주파수만으로는 비교가 어렵기 때문에, 모든 신호의 위치를 상대적인 값(ppm, parts per million)으로 나타냅니다. 즉 TMS는 ¹H와 ¹³C 모두에서 0 ppm을 기준점으로 잡기 위해 사용됩니다.TMS가 기준점으로 사용하기에 적합한 이유는 화학적으로 안정하기 때문인데요, 대부분의 용매나 화합물과 반응하지 않고, NMR 측정 과정에서 변하지 않습니다. 또한 (CH₃)₄Si의 12개의 수소와 4개의 탄소가 모두 같은 환경에 있어서 ¹H·¹³C NMR에서 단일 피크를 주며, Si가 전기음성도가 낮아 주변 CH₃의 핵이 강하게 차폐되어, 스펙트럼에서 가장 상대적으로 높은 필드(0 ppm) 신호를 나타내기 때문에 사용하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. NMR에서 말하는 공명이라는 것은 무엇인가요?
네, 말씀하신 것처럼 화학에서 흔히 사용하는 '공명'이라는 용어는 루이스 구조에서 파이 전자가 이동하면서 여러 공명 구조로 분자를 나타낼 수 있다는 의미로 쓰이는데요 하지만 NMR에서 말하는 공명은 이와는 전혀 다른 개념입니다.NMR에서 관찰하는 대상은 주로 ¹H(양성자), ¹³C 등과 같은 핵인데요, 이때 이 핵들은 스핀이라는 자기적 성질을 가지고 있어, 외부 자기장(B₀)에 놓이면 스핀 방향이 자기장과 평행할 경우 저에너지 상태로 또는 반평행할 경우는 고에너지 상태로 정렬됩니다. 핵이 자기장에 놓여 있을 때, 라디오파(RF) 에너지를 흡수하면 스핀 상태가 저에너지에서 고에너지 상태로 전이할 수 있는데요 이때 핵이 특정 주파수의 전자기파를 흡수하는 현상을 바로 공명이라고 하는 것입니다. 즉, NMR에서 말하는 공명은 핵이 외부 자기장과 특정 주파수의 전자기파 에너지 조건에서 에너지를 흡수하여 스핀 상태가 전이되는 상태를 의미합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포 연접에서 간극연접과 원형질 연락사는 어떤 차이가 있나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 동물세포의 간극연접과 식물세포의 원형질 연락사는 둘 다 세포 간 직접적인 통로 역할을 하여 작은 분자나 이온의 이동을 가능하게 하지만, 구조적 기원과 작동 방식에서 중요한 차이가 있습니다.우선 간극연접이란 동물세포에서 관찰되는 세포 간 이온통로인데요 넥신 단백질이 모여 육각형의 통로 단위를 이루며 이를 통해 인접 세포의 세포질이 연결됩니다. 이 통로는 선택적으로 열리고 닫히며, 세포 간에 이온, 작은 대사물질, 2차 전달자(cAMP, Ca²⁺ 등)가 빠르게 이동할 수 있는데요, 대표적인 예시로 심장 근육세포에서 활동전위가 빠르게 전달되는 것도 간극연접 때문입니다. 따라서 간극연접은 막 단백질 복합체가 세포막을 직접 관통하여 형성된 통로라는 보시면 됩니다. 다음으로 식물세포가 가진 원형질연락사란 식물 세포벽을 뚫고 있는 세포질 연결 통로인데요, 이 통로 내부에는 소포체의 연속 부분이 포함되기도 하며 세포질끼리 직접 연결되어 RNA와 단백질과 같은 거대분자까지도 이동할 수 있습니다. 식물은 세포벽이 단단히 존재하기 때문에 동물과 같은 간극연접을 형성할 수 없고, 대신 세포벽을 관통하는 원형질 연락사가 세포 간 신호전달과 대사물질 교환의 주요 경로로 작용하며 또한 필요에 따라 단백질 복합체가 원형질 연락사의 구멍 크기를 조절하여 이동 가능한 분자의 범위를 바꿀 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식충식물이 벌레를 잡아먹는 기작을 택한 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 대부분의 식물은 빛과 물, 이산화탄소를 이용한 광합성을 통해 스스로 양분을 합성하며 성장합니다. 그런데 식충식물이 곤충을 잡아먹는 기작을 택한 이유는 주로 영양 결핍 환경, 특히 토양 내 질소와 인과 같은 무기 영양분이 부족한 조건에 적응한 결과라고 볼 수 있습니다.습지, 늪지, 산성 토양과 같이 배수가 잘 안 되고 영양분이 쉽게 씻겨 내려가는 곳에서는 빛은 충분히 제공되기 때문에 광합성으로 에너지를 만드는 데는 문제가 없지만, 식물체를 구성하는 거대분자인 단백질이나 핵산 합성에 필수적인 질소나 인을 충분히 얻기가 어렵습니다. 따라서 이런 환경에 사는 식물들은 오랜 진화 과정에서 토양 의존도를 줄이고, 곤충이나 작은 동물로부터 직접 질소, 인, 황, 미량 원소를 보충하는 전략을 발달시킨 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 과일이 성숙하면서 녹색에서 붉은색이나 노란색으로 변하는 이유는 무엇인가요?
네, 질문해주신 것과 같이 원래 익지 않은 상태에서의 과일은 초록색을 나타내지만 과일이 성숙하면서 색깔이 녹색에서 붉은색이나 노란색으로 변하는 이유는 광합성과 관련된 색소의 변화와 성숙 과정에서의 호르몬 작용 때문입니다. 아직 미성숙한 과일은 잎과 마찬가지로 광합성을 수행하기 위해 엽록소를 많이 함유하고 있는데요, 엽록소는 녹색 파장의 빛을 잘 흡수하지 못하기 때문에 과일은 이 시기에 초록색으로 보입니다. 그러나 과일이 점차 성숙해지면 더 이상 광합성을 주된 기능으로 하지 않고, 동물이나 곤충에 의해 씨앗이 퍼질 수 있도록 시각적으로 눈에 띄는 색을 갖게 됩니다.성숙 과정에서는 에틸렌이라는 식물 호르몬이 중요한 역할을 하는데요, 에틸렌은 엽록소의 분해를 촉진하고 동시에 노란색이나 주황색을 나타내게 하는 카로티노이드나 붉은 색을 나타내는 안토시아닌과 같은 다른 색소의 합성을 유도하는데 이 과정에서 녹색은 사라지고 붉은색, 주황색, 노란색으로 과일이 변하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 병원균에 대항하기 위해 사용하는 물리화학적 방어 기작은 어떤 것이 있나요?
네, 질문해주신 것과 같이 식물은 동물처럼 면역세포가 돌아다니는 방식은 없지만, 고유한 물리적 장벽과 화학적 방어 기작을 통해 병원균에 대응합니다. 우선 식물의 대표적인 물리적 방어막으로는 '세포벽'이 있습니다. 셀룰로오스, 펙틴, 리그닌 등이 포함된 세포벽은 병원균의 직접 침입을 막는 1차 장벽인데요 병원균이 분비하는 효소로 세포벽이 일부 분해되더라도, 식물은 칼로스라는 다당류를 빠르게 침착시켜 상처 부위를 보강합니다. 또한 잎과 줄기의 표면에 있는 왁스성 큐티클은 수분 손실을 막을 뿐 아니라, 병원균의 부착과 침입도 어렵게 만듭니다.다음으로 화학적 방어 기작으로는 향균성 물질의 합성이 있습니다. 피토알렉신이란 병원균 침입 후 새로 합성되는 항균 물질로, 세포벽 파괴, 단백질 합성 억제 등을 통해 병원균 성장을 막습니다. 또한 피토안티시펀은 병원균이 침입하기 전부터 존재하는 방어 화합물로, 잠재적 항균 효과를 가집니다. 이외에도 식물은 전신획득저항성을 나타내는데요, 한 부위가 감염되면 살리실산(SA)과 같은 신호 물질이 전 식물체로 퍼져, 다른 부위에서도 항균 단백질(PR 단백질) 발현을 증가시킵니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 기공의 개폐 조절에 관여하는 인자는 무엇이며 수분 스트레스를 받는 상황에서 기공은 어떻게 변화하나요?
질문해주신 것처럼 식물 잎의 기공 개폐에 관여하는 인자로는 우선 빛이 있습니다. 특히 청색광은 공변세포 내의 H⁺-펌프를 활성화하여 K⁺ 이온이 유입되게 하는데요, 이 과정에서 이온 유입으로 삼투압이 높아지면 물이 공변세포로 들어가 팽압이 증가하며 이로 인해 기공이 열립니다. 다음으로는 이산화탄소 농도가 관여합니다. 내부 CO₂ 농도가 낮으면 광합성을 더 하기 위해 기공이 열리는데요, 반대로 CO₂가 충분하면 기공이 닫힙니다. 이외에도 수분 상태가 영향을 미치는데요, 토양 수분이 충분할 때는 기공이 열려 증산과 기체 교환이 활발히 일어나지만 수분 부족 시 공변세포 팽압이 줄어들어 기공이 닫힙니다. 마지막으로 앱시스산과 같은 호르몬이 영향을 미칩니다. 식물이 수분 스트레스를 받을 때 뿌리에서 합성되어 잎으로 전달되는데요 ABA는 공변세포의 이온 채널을 조절해 K⁺와 Cl⁻ 이온이 빠져나가도록 하고, 삼투압이 낮아져 세포가 수축하면서 기공이 닫히게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 음지식물이 양지식물보다 엽록소의 함량이 높은 이유는 무엇인가요?
식물은 크게 양지식물과 음지식물로 나눌 수 있습니다. 우선 양지식물은 강한 빛이 충분히 공급되는 환경에서 자라므로, 많은 빛을 흡수할 필요가 없는데요 오히려 과도한 빛은 광합성 장치에 손상을 줄 수 있기 때문에, 잎을 두껍게 하고 광보호 색소를 더 활용하는 방향으로 적응을 했습니다. 반면에 음지식물은 빛이 약하고 산란광만 들어오는 환경에서 살아가므로, 가능한 빛을 최대한 효율적으로 흡수해야 합니다.이때 음지식물은 광합성에 직접 쓰이는 엽록소 a와 보조 역할을 하는 엽록소 b의 함량을 모두 높이는데요 특히 엽록소 b의 비율이 더 증가하여, 빨강, 파랑 영역뿐 아니라 녹색 영역에 가까운 파장까지 흡수 범위를 넓힐 수 있으며 결과적으로 음지식물은 같은 빛 조건에서도 더 많은 광합성 반응을 일으킬 수 있게 된 것입니다.또한 질문 주신 것과 같이 카로티노이드는 광보호 색소로서, 강한 빛이 들어올 때 과도한 에너지를 열로 방출하여 광계(특히 PSII)를 보호하는 역할을 하는데요 광합성에서 보조 흡수 역할도 하지만 주된 기능은 과도한 빛으로 인한 광손상 방지입니다. 따라서 양지식물은 강광에 노출되므로 카로티노이드가 반드시 필요하지만 음지식물은 빛이 약하기 때문에 카로티노이드가 많이 필요하지 않은 것입니다. 그러나 기본적인 광보호 기능은 유지해야 하므로, 크게 줄지는 않고 일정 수준 유지됩니다. 감사합니다.