안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
Q. 세포내 단백질 합성에 관해 알고싶습니다.
안녕하세요.세포 내 단백질 합성 과정은 유전자에서 단백질이 만들어지는 일련의 과정으로, 크게 유전자 발현 조절, 전사, 전사 후 조절, 번역, 번역 후 조절 단계를 포함합니다. 이 중 유전자 발현의 조절과 전사 후 및 번역 후 조절 메커니즘은 세포가 필요에 따라 단백질을 효율적으로 합성하고 기능을 조절하는 데 매우 중요합니다. 먼저, 유전자 발현 조절은 주로 전사 단계에서 이루어집니다. DNA에서 특정 유전자의 전사를 시작하거나 억제하는 조절인자(전사 인자, 조절 서열 등)가 작용하여 RNA 중합효소가 유전자 프로모터에 결합하는 것을 촉진하거나 방해합니다. 이로써 세포는 어떤 유전자가 언제, 얼마나 전사될지를 결정할 수 있습니다. 환경 변화, 신호 전달, 세포 주기 등 다양한 생리적 조건에 맞춰 유전자 발현이 조절됩니다. 다음으로, 전사 후 조절(post-transcriptional regulation)은 전사된 mRNA가 번역되기 전 단계에서 일어나는 조절을 의미합니다. 여기에는 mRNA의 가공(스플라이싱), 5' 캡 추가, 3' 폴리아데닐화, 그리고 mRNA의 안정성 조절과 이동, 번역 효율 조절 등이 포함됩니다. 예를 들어, alternative splicing(선택적 스플라이싱)을 통해 하나의 유전자로부터 다양한 단백질이 만들어질 수 있고, 특정 miRNA(마이크로 RNA)가 mRNA에 결합해 분해를 촉진하거나 번역을 억제할 수도 있습니다. 이러한 조절은 단백질 생성의 다양성과 시기를 세밀하게 조절하며, 세포의 적응과 분화, 발달에 중요한 역할을 합니다. 마지막으로, 번역 후 조절(post-translational regulation)은 이미 합성된 단백질에 일어나는 변형 및 조절을 의미합니다. 단백질은 번역 후 인산화, 당화, 메틸화, 유비퀴틴화 등 다양한 화학적 변형을 겪어 그 기능, 활성, 위치, 안정성 등이 조절됩니다. 예를 들어, 단백질에 인산기가 붙으면 효소 활성 변화나 신호 전달 경로가 조절될 수 있고, 유비퀴틴화는 단백질 분해를 유도하여 불필요한 단백질을 제거하는 역할을 합니다. 이러한 번역 후 조절은 세포 내 단백질의 활성을 빠르게 조절하고, 세포 내 환경 변화에 신속히 대응할 수 있도록 합니다. 앞선 내용을 정리해보자면, 세포는 유전자 발현의 전사 단계에서 기본적인 단백질 합성의 방향과 양을 결정하고, 전사 후 단계에서 mRNA의 종류와 안정성을 조절하여 단백질 다양성과 적절한 생산 타이밍을 조절하며, 번역 후 단계에서는 단백질의 기능과 수명을 조절하여 세포 내에서의 생리적 기능을 최적화합니다. 이 모든 조절 과정이 조화롭게 작용함으로써 세포는 효율적이고 정밀한 단백질 합성을 통해 생명 활동을 유지할 수 있습니다.
Q. 닭살은 왜 돋는 것이고 어떤 원리인가요?
안녕하세요.닭살이 돋는 현상은 의학적으로 ‘치료모근 반사(piloerection)’라고 불리며, 우리 몸에서 자동으로 일어나는 반사 작용 중 하나입니다. 닭살은 피부 표면에 있는 아주 작은 근육인 ‘모근근(털세움근, arrector pili muscle)’이 수축하면서 발생합니다. 이 근육은 각 모낭(털이 자라는 부위)에 붙어 있는데, 이 근육이 수축하면 털이 곧추서게 되고, 그 결과 피부 표면이 울퉁불퉁하게 올라와 닭살 모양이 됩니다. 닭살이 돋는 주된 원인은 주로 체온 유지와 감정 반응인데요 먼저, 체온 유지 측면에서 몸이 추워지면 자율신경계 중 교감신경이 활성화되어 모근근이 수축하게 됩니다. 털이 곧추서면서 털 사이에 공기층이 형성되어 피부와 외부 사이에 단열 효과를 높여 체온을 보존하려는 역할을 합니다. 사람은 체모가 비교적 적어 큰 보온 효과를 얻지는 못하지만, 원시 조상 시절에는 중요한 체온 유지 기전이었습니다. 또한, 닭살은 공포, 놀람, 감동 같은 강한 감정이 작용할 때도 나타납니다. 이 경우도 교감신경이 자극되어 모근근이 수축하며, 이는 ‘투쟁-도피 반응’의 일부로 몸을 긴장 상태로 만드는 신경계 반응입니다. 닭살처럼 피부가 울퉁불퉁해지는 모습은 바로 이 모근근의 수축에 의한 털의 곧추섬 효과 때문입니다. 털이 서면서 피부가 작은 봉우리 모양으로 올라오게 되고, 이 때문에 닭살이 돋아 보입니다. 즉, 닭살은 모근근이 자율적으로 수축해 털을 세우는 반사 작용이며, 이는 환경 변화(추위)나 심리적 자극(감정)으로 인해 교감신경이 활성화될 때 나타나는 자연스러운 생리 현상입니다.
Q. 야생 겨자에서 품종개량으로 나온 식물에는 어떤 것들이 있나요?
안녕하세요.네, 말씀하신 것처럼 야생 겨자(학명: Brassica 속)에서 품종개량을 통해 나온 다양한 채소들이 매우 많습니다. 흔히 우리가 알고 있는 양배추뿐만 아니라 브로콜리, 콜리플라워, 케일, 브뤼셀 스프라우트, 그리고 청겨자(머스타드) 등도 모두 야생 겨자에서 유래한 품종들입니다. 이들은 모두 같은 조상 식물인 야생 겨자를 바탕으로 인위적인 선택과 교배를 통해 여러 가지 특성을 강화하거나 변형시켜 개발된 것입니다. 이 식물들은 모두 같은 속(Brassica)에 속하며, 야생 겨자를 품종 개량한 결과, 각각의 부위(잎, 꽃, 줄기, 싹 등)를 집중적으로 키우거나 다르게 발달시킨 형태로 구분됩니다. 예를 들어, 양배추는 잎이 단단하게 뭉쳐진 형태이고, 브로콜리와 콜리플라워는 꽃봉오리 부분이 크게 발달한 형태이며, 케일은 잎을 주로 먹는 품종입니다. 브뤼셀 스프라우트는 줄기에서 작은 싹들이 모여 자라는 모양을 한 식물입니다. 야생 겨자에서 이렇게 다양한 품종이 만들어질 수 있었던 이유는 크게 두 가지로 설명할 수 있는데요, 첫째, 야생 겨자는 유전적 다양성이 매우 풍부한 식물군이었습니다. 이런 유전적 다양성 덕분에 특정한 유전자가 돌연변이 또는 변형되어 다양한 형태의 기관(잎, 줄기, 꽃봉오리 등)을 발달시킬 수 있었고, 인간이 원하는 특성을 선택하여 개량할 수 있었습니다. 둘째, 야생 겨자의 유전적 구조가 비교적 단순하면서도 유전자가 모듈식으로 작동하여 특정 부위의 성장을 강화하거나 억제하는 유전자 조절이 비교적 쉽고 효과적으로 이루어졌습니다. 이 덕분에 한 종에서 다양한 부위가 강조된 여러 품종을 얻을 수 있었습니다. 이처럼 야생 겨자는 한 식물 속 내에서 유전적 변화와 선택이 이루어지면서 다양한 농작물로 진화할 수 있었고, 이를 통해 인간은 다양한 용도의 채소를 확보할 수 있었습니다. 그래서 우리가 매일 먹는 여러 채소들이 사실은 같은 야생 겨자라는 조상 식물에서 유래한 것임을 알 수 있습니다.
Q. 단세포 생물 중 일부가 광합성을 할 수 있는 원리가 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요.네 말씀하신 것처럼 단세포 생물 중에서도 광합성을 할 수 있는 생물이 있는데, 대표적으로 조류(예: 남조류, 규조류)와 일부 남세균(시아노박테리아)이 있습니다. 이들이 광합성을 할 수 있는 원리는 이들이 세포 내에 엽록체(또는 엽록체와 유사한 광합성 색소를 가진 구조)를 가지고 있기 때문입니다. 광합성의 기본 원리는 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 과정입니다. 이 과정에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 색소(주로 엽록소)가 필요합니다. 식물 세포에서는 엽록체라는 막으로 둘러싸인 세포소기관이 이 역할을 담당하지만, 단세포 광합성 생물들은 그와 유사하거나, 아예 세포 전체가 색소를 가진 구조로 되어 있습니다. 단세포 광합성 생물의 구조적 차이는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫번째는 내부에 엽록체를 가진 경우인데요, 규조류나 녹조류 같은 단세포 조류는 식물처럼 세포 내에 엽록체를 가지고 있습니다. 이 엽록체는 식물과 비슷한 막 구조를 가지고 있고, 광합성 색소(엽록소 a, b 등)를 포함하여 빛 에너지를 흡수합니다. 두번째는 전체 세포에 광합성 색소가 분포된 경우로, 남세균과 같은 원핵생물은 식물 세포처럼 명확한 엽록체는 없지만, 세포막 근처에 광합성 색소(엽록소 a, 피코시아닌 등)를 포함한 구조들이 분포해 있어 빛을 흡수하고 광합성을 수행합니다. 이들은 막으로 구분된 광합성 소기관은 없지만, 세포막이 광합성 반응을 위한 공간 역할을 합니다. 즉, 단세포 생물이 식물과 달리 광합성을 할 수 있는 이유는 그들이 광합성에 필요한 색소와 효소를 포함한 구조(엽록체 또는 이와 유사한 막 구조)를 가지고 있기 때문이며, 이 구조가 일반적인 동물 세포와 달리 빛 에너지를 활용할 수 있도록 특화되어 있다는 점입니다. 그래서 비록 식물이 아니지만 빛을 이용해 스스로 영양분을 만들 수 있는 ‘광합성 단세포 생물’이 존재하는 것입니다.
Q. 벨루가 반향정위, 아크릴에 대한 질문입니다.
안녕하세요.벨루가는 해양 포유류 중 하나로, 반향정위(echolocation)를 이용해 주변 환경을 인지하는 능력이 매우 발달한 동물입니다. 반향정위란 벨루가가 고주파 초음파를 내보내고, 그 초음파가 주변 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 신호를 받아 주변의 위치나 크기, 형태 등을 파악하는 능력입니다. 이 기능은 어두운 해저나 탁한 바닷물 속에서도 효과적으로 공간을 탐색하고 먹이를 찾는 데 매우 중요합니다. 아쿠아리움이나 수족관에서 벨루가가 반향정위를 사용할 때, 초음파가 벽에 부딪혀 반사되어 다시 돌아오는 현상이 발생하는데, 이 현상은 좁은 공간에서 특히 두드러집니다. 수족관의 벽은 단단하고 평평한 표면으로, 물속에서 초음파가 쉽게 반사됩니다. 이로 인해 초음파 신호가 여러 번 반사되어 복잡한 잔향(echo) 현상을 만들어 내는데, 이것이 벨루가의 반향정위 신호를 혼란스럽게 만들고, 스트레스나 행동 이상을 유발할 수 있습니다.즉, 초음파가 벽에 부딪혀 계속해서 돌아오는 현상은 수족관이 좁고 벽면이 단단하며 반사율이 높은 환경이라는 구조적인 문제에서 기인합니다. 자연 상태의 바다에서는 초음파가 바닥이나 암석, 해조류 등 다양한 표면에 부딪혀 반사되지만, 넓고 다양한 환경이기 때문에 반사파가 분산되고 잔향이 덜하며, 벨루가는 명확한 신호를 인지할 수 있습니다. 반면, 수족관 내에서는 아크릴이나 콘크리트 벽과 같이 평평하고 반사율이 높은 표면이 좁은 공간에 밀집해 있어 초음파가 여러 번 반사되고 복잡한 잔향이 만들어져 벨루가의 감각에 부담을 줍니다. 이는 벨루가가 자연 상태에서 경험하는 환경과 매우 다르며, 장기적으로 심리적, 신체적 스트레스의 원인이 될 수 있습니다. 따라서, 벨루가의 반향정위 기능과 스트레스 최소화를 위해서는 수족관 공간을 넓히고, 벽면의 반사율을 줄이는 구조적 개선이 필요합니다. 또는 가능한 한 자연에 가까운 환경에서 방생하거나 넓은 해양 보호구역에서 서식할 수 있도록 하는 것이 벨루가의 건강과 복지를 위해 매우 중요합니다.