안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 원핵의 DNA 복제 과정에서 지연가닥 합성 시 DNA polymerase 1이 필요한 이유는?
네, 말씀해주신 것과 같이 원핵생물의 DNA 복제 과정에서 지연가닥 합성 시 DNA polymerase I이 필요한데요, 우선 DNA는 항상 5’→3’ 방향으로만 합성됩니다. 이때 선도가닥과는 달리 지연가닥은 복제 포크 방향과 반대 방향으로 합성되므로 짧은 조각, 즉 오카자키 단위로 만들어집니다. 각 오카자키 절편은 RNA 프라이머로부터 중합이 시작되는데요, 이때 DNA polymerase III는 주요 DNA 합성 효소로, RNA 프라이머로부터 DNA를 합성하여 오카자키 절편을 만들어냅니다. 그러나 DNA polymerase III는 RNA 프라이머를 제거할 수 없고, RNA로 된 시작점을 DNA로 바꿀 수 없습니다.반면에 DNA polymerase I은 2가지 중요한 기능을 가지고 있는데요, 5’→3’ exonuclease 활성을 통한 RNA 프라이머 제거와 5’→3’ DNA polymerase 활성을 통한 DNA 채움 기능입니다. 따라서 DNA polymerase I 덕분에 RNA 프라이머가 DNA로 교체되고, 지연가닥이 연속된 DNA 사슬로 연결될 수 있는 것이기 때문에 DNA polyerase 1이 필요한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 백색소음이 왜 집중력에 도움이 되는건가요?
질문해주신 백색소음이 집중력에 도움을 주는 원리는 뇌 과학적 관점에서 뇌의 신호 처리와 주의 집중 메커니즘과 관련이 있습니다. 우선 인간의 뇌는 주변 환경에서 들어오는 모든 자극을 처리하려고 하는데요, 완전히 조용한 환경에서는 미세한 잡음이나 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 긴장 등의 체내 신호도 뇌가 잠재적 신호로 인식하여 주의를 분산시킬 수 있습니다. 이 때문에 조용할수록 오히려 산만해지거나 졸음이 몰려올 수 있습니다.이때 백색소음은 모든 가청 주파수의 소리를 균등하게 포함하는 소리를 말하는 것인데요, 이 때문에 특정 주파수에 편향되지 않고 지속적이고 일정한 배경 소리로 작용합니다. 이러한 백색소음은 뇌가 불규칙한 외부 자극에 과민 반응하지 않도록 도와주는데요, 불규칙한 소음보다 일정한 소음이 존재하면 뇌는 이를 배경으로 인식하고, 중요한 과제나 학습 자극에만 주의를 집중시킬 수 있으며 또한 주변 환경의 돌발 소음을 마스킹하여, 외부 방해로 인한 주의 분산을 줄여줄 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA만을 순수 분리하고자 할 때 알칼리 분해법을 사용할 수 있는 이유는 무엇인가요?
질문하신 알칼리 분해법을 이용해 DNA만을 선택적으로 분리할 수 있는 이유는 DNA와 RNA가 알칼리 조건에서 갖는 화학적 안정성 차이를 갖기 때문인데요, 우선 DNA는 2′ 위치의 수산화기(–OH)가 없는 2′-deoxyribose를 갖고 있으나 RNA는 2′ 위치에 수산화기(–OH)가 존재하는 리보오스 오탄당을 가집니다.따라서 RNA의 리보스 2′-OH가 염기성 환경에서 자기 가수분해를 일으킬 수 있는데요 구체적으로, OH가 인접한 인산 결합을 공격하여 인산-에스터 결합을 절단하게 되므로, RNA 사슬이 잘게 쪼개집니다. 이 반응은 pH가 높을수록 빠르게 일어나며, RNA가 쉽게 분해됩니다. 반면에 DNA는 2′-deoxyribose이므로 2′-OH가 없고, 따라서 같은 메커니즘으로 가수분해되지 않으며, 결과적으로 DNA는 알칼리 조건에서도 거의 손상되지 않고 안정하게 남는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA 전기영동 시에 초나선일 수록 전기영동이 잘 되는 이유는 무엇인가요?
DNA 전기영동에서 초나선(supercoiled) DNA가 직선형(linear) DNA보다 전기영동이 더 잘 되는 이유는 DNA의 형태와 전하 밀도, 그리고 마찰 저항과 관련이 있는데요, 우선 기본적으로 DNA는 인산 골격 때문에 전체적으로 음전하를 나타내기 때문에 따라서 전기영동 시 양극(+) 방향으로 이동합니다. 전기영동을 했을 때 선형의 DNA는 길고 풀린 형태로 존재 하기 때문에 아가로오스 겔 매트릭스를 통과할 때 마찰 저항이 큽니다. 반면에 환형의 DNA는 닫힌 원의 형태이고, 이중에서도 초나선형과 같은 경우에는 DNA가 자기 자신을 꼬아서 작게 압축되기 때문에 겔 매트릭스에서 이동할 때 마찰 저항이 줄어듭니다. 즉, DNA가 더 콤팩트하게 꼬여 있을수록 같은 전하량에도 불구하고 겔을 통과하기가 용이해지는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA가 음성초나선일 때 안정화되는 원리는 무엇인가요?
네, DNA는 기본적으로 이중나선 구조를 가지고 있으며, 나선 자체가 꼬여 있는 정도를 Linking number (Lk), Twist (Tw), Writhe (Wr)로 정의할 수 있는데요, 이때 환형 DNA에서는 양 끝이 자유롭지 않으므로 전체 연결 수 Lk가 일정하게 유지됩니다. 이때 관계식으로는 Lk = Tw + Wr로 정의할 수 있으며, 여기서 Tw는 DNA 염기쌍이 꼬인 횟수, Wr은 DNA가 공간에서 실제로 꼬인 정도(초나선)를 나타냅니다. 원핵 DNA는 보통 초나선 상태를 음성으로 유지하는데요, 음성 초나선이란 DNA 이중나선이 기본 나선보다 왼쪽으로 풀리면서 꼬인 것을 말합니다. 이 상태는 DNA 가닥을 약간 덜 꼬이게 만들어 이중나선의 국부적인 풀림이 용이하게 합니다. 음성 초나선은 DNA의 이중가닥을 풀 필요가 있는 과정인 복제와 전사 과정에서 에너지적으로 유리한데요, 우선 DNA가 음성 초나선 상태일 때 부분적인 가닥 분리가 용이하므로 헬리케이스 같은 효소가 DNA를 풀 때 에너지가 덜 필요합니다.또한, 초나선이 음성일 경우 과도한 꼬임을 완화하여 DNA 구조 전체의 안정성을 높이게 되며 토폴로이소머라아제(Topoisomerase II)는 DNA 절단과 재결합을 통해 이 음성 초나선을 생성하거나 유지함으로써 DNA 구조를 기능적 안정 상태로 조절합니다. 즉 즉, 음성 초나선은 단순히 꼬인 구조라서 안정한 것이 아니라, DNA 복제나 전사 효율과 꼬임 에너지의 최적화를 통해 세포 내에서 안정화되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 왜 pH와 pOH의 합은 일정한 것인가요?
질문해주신 것처럼 pH와 pOH의 합이 일정하게 14가 되는 이유는 물 자체의 이온화 균형에서 비롯된 것인데요, 물은 극히 적은 양이지만 자기 자신과 반응하여 H⁺ 이온과 OH⁻ 이온으로 나누어지는 자가이온화 과정을 겪습니다.이때, 25°C에서 물의 이온곱 상수 Kw는 10^-14으로 유지되는데요, 즉, pH와 pOH의 합이 14로 일정한 이유는 물이 스스로 이온화하면서 생성되는 H⁺와 OH⁻ 농도의 곱이 온도 25°C에서 항상 1.0×10^-14로 일정하게 유지되기 때문입니다. 다만 온도가 바뀌면 Kw 값이 달라지므로 합도 14에서 약간 변할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 주기율표에서 1족과 2족은 어떤 특성 차이가 있나요?
질문해주신 것처럼 주기율표에서 1족 금속과 2족 금속은 모두 금속 원소로서 화학적, 물리적 성질에서 몇 가지 유사점을 가지지만, 중요한 차이점도 존재합니다.먼저 전자 구조를 보면 1족 금속, 즉 알칼리 금속은 외각에 단 하나의 전자(ns¹)를 가지고 있어 화학 반응 시 이 전자를 쉽게 잃고 +1의 양이온을 형성하는데요 반면 2족 금속, 즉 알칼리 토금속은 외각에 두 개의 전자(ns²)를 가지고 있어 +2 양이온을 형성하며, 전자를 두 개 잃어야 하기 때문에 1족에 비해 화학적 반응성이 상대적으로 낮습니다. 이 때문에 1족 금속은 물과 만나면 폭발적일 정도로 격렬하게 반응하는 반면, 2족 금속은 물과 반응할 때 반응 속도가 느리고 비교적 안정적입니다.또한 1족 금속은 밀도가 낮고 연성이 높아 손으로 자를 수 있을 정도로 부드러운 반면, 2족 금속은 상대적으로 단단하고 밀도가 높으며 녹는점도 1족보다 높습니다. 두 족 모두 금속으로서 이온 결합 화합물을 잘 형성하지만, 1족은 화학적 활성이 더 크고 폭발성이 강하며, 2족은 조금 더 안정적이라는 특징이 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 18족 비활성 기체는 그 자체가 안정하여 결합을 형성하지 않는다고 배웠는데 가끔가다 결합을 형성하는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 8족 비활성 기체가 대부분 결합을 형성하지 않지만, 때때로 화합물을 이루기도 합니다. 18족 비활성 기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)는 가장 바깥 전자껍질이 가득 찬 상태, 즉 옥텟규칙을 만족하고 있습니다. 이 때문에 전자를 잃거나 얻거나 공유하지 않아도 안정하기 때문에, 대부분 화학적으로 반응하지 않는데요, 따라서 일반적인 반응에서는 에너지를 들여서 결합을 만들 필요가 없고, 반대로 결합을 깨는 에너지가 크므로 잘 반응하지 않습니다.하지만 조건이 특수한 경우에서는 반응이 일어나기도 하는데요, 높은 산화력의 상대 원소와 반응할 때입니다. 예를 들자면 Xe + F₂ → XeF₂, XeF₄, XeF₆을 이룰 수가 있는데요 이때 플루오린(F)은 전기음성도가 매우 높고, 전자를 강하게 끌어당기므로 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 또한 전기 방전, 고온, 고압 등으로 비활성 기체의 전자를 들뜨게하여, 전자가 높은 에너지 상태로 올라가게 만들어 반응 가능하게 합니다.또한 질문해주신 것처럼 XeF₄와 같은 화합물을 이룰 수 있는 이유는 Xe는 바깥 전자 8개를 갖고 있지만, 이중 껍질의 d 오비탈을 활용하여 전자를 더 많이 배치할 수 있기 때문인데요, F 원자는 전자를 끌어당겨서 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 결과적으로 XeF₄처럼 평면 사각형 구조의 안정한 화합물이 형성됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 감자 삼투 현상에 대해 궁금한 점이 있습니다
우선 감자를 소금물에 넣으면 감자가 쪼그라드는데요, 감자 세포 내부에는 물과 용질(주로 전분과 소량의 무기염류)이 들어 있습니다. 이때 감자 외부의 소금물이 세포 내부보다 농도가 높으면, 물이 세포 밖으로 빠져나가면서 세포가 쪼그라듭니다. 반대로, 소금물이 세포 내부보다 농도가 낮으면, 물이 세포 안으로 들어가면서 세포가 팽창합니다. 이 과정이 바로 삼투인데요 즉, 반투과성 막을 통해 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상입니다.화학II에서 배우는 총괄성은 용액의 삼투 현상 크기와 직결되는데요, 삼투는 용질 종류가 아니라 총 용질 입자의 농도 차이가 핵심입니다. 예를 들어, NaCl 1M는 Na⁺와 Cl⁻로 쪼개져서 총 2 osmol/L 정도의 삼투압 효과를 내며, 따라서 감자를 소금물에 넣을 때 쪼그라드는 정도는 NaCl 농도와 세포 내부 용질 농도의 차이로 예측할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 아레니우스 산염기 정의가 가진 한계는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 산염기 정의는 크게 3종류로 나뉘게 되는데요, 이중에서 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 정의가 수용액 환경과 특정 반응 유형에 제한되어 있다는 점에 의한 것입니다. 아레니우스 산과 염기 정의에 의하면 산은 수용액에서 H⁺을 방출하는 물질이고 염기는 수용액에서 OH⁻을 방출하는 물질인데요, 즉, 아레니우스 정의는 물에 녹였을 때 H⁺나 OH⁻을 생성하는 것을 산과 염기로 보는 정의입니다.하지만 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 수용액에 한정되는데요, 아레니우스 정의는 반드시 물 용액에서만 적용 가능합니다. 예를 들어서 NH₃(암모니아)는 물에 녹아 NH₄⁺와 OH⁻을 생성하므로 염기로 간주되지만, 비수용성 용매에서는 산과 염기 반응을 설명하기 어렵습니다. 또한 아레니우스 산과 염기 정의를 따르면 OH⁻ 없는 염기 반응을 설명하지 못한다는 한계가 존재합니다. 감사합니다.