안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 라세미 혼합물은 광학 비활성인 이유가 무엇인가요?
라세미 혼합물이 광학적으로 비활성인 이유는 광학 활성의 원리와 분자 배열의 대칭성을 이해할 필요가 있는데요, 카이랄 중심이란 탄소 원자에 네 가지 서로 다른 치환기가 붙어 있는 경우를 말하는 것으로 두 가지 거울상 이성질체(R형, S형) 존재합니다. 이러한 분자를 거울상 이성질체라고 하며, 서로 겹치지 않는 거울상 구조를 가집니다. 카이랄 분자는 평면편광된 빛을 회전시키는 능력이 있는데요, 따라서 한 가지 카이랄 분자는 광학 활성을 보입니다. 라세미 혼합물은 R형과 S형이 1 : 1의 비율로 섞여있는 혼합물인데요, R형이 평면편광을 +α만큼 회전시키면, S형이 −α만큼 회전시키게 되므로 따라서 빛을 회전시키지 않아 광학적으로 비활성이라고 하는 것입니다. 즉 라세미 혼합물은 전체적으로 거울 대칭성을 가지고 있으며 분자 단위에서는 카이랄하지만, 혼합물 전체에서는 대칭이 존재하는 것입니다. 광학 활성은 분자의 비대칭성과 전체 혼합물에서의 편광 회전이 필요한데 라세미 혼합물은 두 이성질체가 서로 상쇄되기 때문에 편광 회전이 나타나지 않습니다. 감사합니다.
화학
Q. 크로마토그래피 진행 시 이동상과 고정상에 선택이 결과에 미치는 영향은 무엇인가요?
크로마토그래피는 혼합물의 구성 성분이 고정상과 이동상 사이에서 친화도 차이를 보이는 성질을 이용하여 분리하는 기법을 말하는데요, 이때 고정상이란 이동하는 혼합물을 흡착하거나 통과시키는 겔을 말하는 것이며, 이동상이란 혼합물을 고정상을 따라 이동시키는 액체 또는 기체를 말하는 것입니다. 이때 혼합물 성분이 이동상과 고정상 사이에서 얼마나 잘 결합하는지가 분리 효율을 결정하게 됩니다. 이동상을 어떻게 선택하느냐에 따라서 결과에 영향을 미칠 수 있는데요, 우선 이동상 극성이 높으면 극성 화합물이 이동상에 잘 녹아 이동하게 되며 이동상 극성이 낮으면 극성 화합물은 고정상에 더 머무르게 됩니다. 또한 이동상 극성이 적절하지 않으면 모든 성분이 한꺼번에 이동하게 되면서 분리에 실패할 수 있습니다. 다음으로 극성 고정상은 극성 화합물과 강한 상호작용을 하기 때문에 이동속도가 느려지게 되며, 비극성 고정상의 경우에는 비극성 화합물과 상호작용을 하면서 분리 조절이 가능합니다. 즉 이동상과 고정상의 조합이 적절해야 원하는 성분이 분리되고, 잘못 선택하면 분리에 실패할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 산과 염기를 정의하는 범위는 어떠한 포함 관계로 정리할 수 있을까요?
아레니우스, 브뢴스테드-로우리, 루이스 정의는 모두 산과 염기를 설명하는 관점이 다르지만 서로 포함 관계로 이해할 수 있습니다. 우선 아레니우스 정의의 경우에는 수용액 상태에서의 산-염기 정의인데요, 산은 수용액 상태에서 수소 양이온을 내놓는 물질로, 염기는 수용액 상태에서 OH-를 내놓는 물질로 정의합니다. 다음으로 가장 많이 사용하는 브뢴스테드 로우리 정의에서는 산을 H+를 내놓는 물질, 염기를 H+를 받는 물질로 정의하며, 마지막으로 루이스 정의에서는 산은 비공유 전자쌍 받개, 염기는 비공유 전자쌍 주개로 정의합니다. 따라서 모든 아레니우스 산/염기는 브뢴스테드 산/염기이며, 모든 브뢴스테드 산/염기는 루이스 산/염기에 속하지만, 루이스 산/염기 중 일부는 브뢴스테드 산/염기 범위 밖에 있는 것이라고 포함 관계를 정리할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 실제 기체와 이상 기체의 차이가 발생하는 이유는 무엇인가요?
이상기체 상태방정식 PV=nRT는 단순하고 직관적이지만, 실제 기체를 계산할 때는 이상기체 가정이 성립하지 않기 때문에 보정이 필요한 것인데요, 우선 이상기체라는 것은 분자 간 상호작용이 없다, 즉 기체 분자끼리는 인력이 없으며, 충돌만 일어난다고 가정한 것이며 기체 분자가 차지하는 부피를 무시한 것입니다. 하지만 실제 기체의 경우에는 반데르발스 힘이 존재하기 때문에 특히 저온이나 고압에서는 분자 간 인력이 커져, 기체가 압축되거나 부피가 이상적으로 계산한 것과 달라집니다. 또한 실제 기체 분자는 점이 아니라 부피가 있는 입자인데요, 따라서 고압에서 분자들이 서로 가까워지면, 점유 공간 때문에 압력이 이상기체보다 더 크게 나타나거나 계산된 부피보다 작게 나타납니다. 이로 인하여 저압, 고온에서는 분자 간 인력이 작고 분자 부피가 상대적으로 무시 가능하여 이상기체 방정식과 거의 일치하지만 고압, 저온 조건에서는 분자 부피가 무시할 수 없고 분자 간 인력이 무시할 수 없으므로 보정이 필요한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포질 모계 효과는 왜 일어나는 것인가요?
말씀하신 세포질 모계 효과는 유전자 자체가 자손에게 전달되지 않아도, 모체가 제공한 세포질 내 분자 때문에 자손의 표현형에 영향을 주는 현상을 말하는 것입니다. 즉 모체의 세포질에 존재하는 mRNA나 단백질이 난자에 미리 저장되어 수정 이후 초기 배아 발달에 영향을 주는 현상인데요 자손의 유전자형과 무관하게, 모체의 유전자형에 의해 표현형이 결정됩니다. 예를 들자면 초파리 배아에서 bicoid, nanos 단백질은 모체 난자에서 이미 mRNA 형태로 저장되며 이 단백질 농도 기울기가 전후축 형성을 결정합니다. 수정 직후 배아는 자체적으로 전사를 시작하기 전이므로, 필요한 단백질과 신호분자는 모체가 미리 제공한 mRNA와 단백질에 의존하는데요, 세포질 모계 효과 덕분에, 배아는 즉각적인 발달 신호를 받을 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 메틸화를 통해서 유전자 발현을 촉진하는 경우도 있나요?
네, 일반적으로 DNA 메틸화는 유전자 발현 억제와 연관되어 있지만, 경우에 따라 메틸화가 발현을 촉진하는 상황도 존재하는데요 프로모터에 있는 CpG 서열이 메틸화되면, 전사인자 접근이 방해되고, 메틸-CpG 결합 단백질이 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)를 불러 염색질 응축을 유발하기 때문에 유전자 전사가 억제됩니다. 이와 같은 후성유전학적 억제의 대표적인 사례로는 X염색체 불활성화, 유전자 각인, 종양 억제 유전자 전사 억제이 있습니다.반면에 프로모터가 아닌 유전자 몸체 또는 인핸서 영역의 CpG 메틸화는 오히려 전사를 촉진할 수 있는데요, 메틸화된 DNA가 억제 인자 결합을 막기 때문에 오히려 전사는 촉진됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 각인은 바소체와 어떻게 다른 것인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 바소체 형성과 유전자 각인은 둘 다 후성유전학적 메커니즘과 관련이 있지만 차이가 있습니다. 우선 바소체는 여성 포유류 세포에서 XX 염색체 중 하나를 거의 완전히 불활성화시켜 핵 주변에 응축된 구조를 형성한 것을 말하는데요, 이는 X염색체 전체 불활성화이며 X염색체 유전자 발현량을 남성과 맞추기 위한 것입니다.반면에 유전자 각인의 경우 특정 유전자가 부계 또는 모계에서 유래한 하나의 대립유전자만 선택적으로 발현되는 현상으로 나머지 유전자는 메틸화 등 후성유전적 기작으로 억제됩니다. 즉 유전자 각인은 부모별 발현 차이를 통해 발달 과정 조절을 말하는 것이며 모계냐 부계냐에 따라서 그 효과가 달라진다는 특징이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물세포 원심분리 시 고장액 처리하는 이유는?
식물세포 내에서 엽록체, 미토콘드리아, 퍼옥시좀 등의 세포소기관을 분리하여 얻기 위해 원심분리를 수행하는데요, 세포벽, 세포막, 소기관 등의 밀도 차이를 이용하여 층별로 분리합니다. 이때 고려해야 할 사항은 식물세포는 두꺼운 세포벽과 높은 삼투압을 가진 큰 vacuole을 가지고 있다는 것인데요 액포가 터지면 소기관이 파손되거나, 세포 내용물이 섞여 원심분리 효율이 떨어집니다. 식물 세포의 vacuole에는 고농도의 용질이 들어있는데요 원심분리 과정에서 세포가 급격히 물리적 압력을 받으면 vacuole이 터져 소기관 손상이 발생할 수 있습니다. 따라서 고장액에 포함된 당류 또는 염은 세포 내부와 외부의 삼투압을 맞춰, 세포와 소기관이 팽창하거나 파열되는 것을 방지합니다. 게다가 세포소기관 효소는 pH와 이온 환경에 민감하기 때문에 고장액에 완충제를 넣어 pH를 일정하게 유지하면, 소기관 기능과 구조를 보존할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물세포의 지방산 베타 산화는 왜 퍼옥시좀에서만 하는 것인가요?
식물세포에서 지방산 β-산화가 주로 퍼옥시좀에서 일어나는 이유는 세포의 대사 특성과 효소 분포, 부산물 처리 문제와 밀접하게 관련되어 있는데요, 베타 산화는 지방산을 2탄소 단위의 아세틸-CoA로 분해하는 과정으로 생성된 Acetyl-CoA는 이후 TCA 회로나 기타 대사 경로로 들어가 에너지 생산 또는 탄소 골격 합성에 사용됩니다.이때 동물과는 달리 식물의 β-산화는 주로 씨앗 발아 시 저장 지방을 포도당을 포함한 당류로 전환하기 위해 필요합니다. 이 과정에서 생성된 Acetyl-CoA → 말산경로(glyoxylate cycle) → 포도당(gluconeogenesis)로 전환이 중요하며 퍼옥시좀 내 isocitrate lyase, malate synthase와 같은 효소가 glyoxylate cycle과 연결되어 있어 효율적입니다. 즉 식물은 배아, 씨앗 발아, 잎, 줄기 세포에서 필요에 따라 지방산 분해가 조절되어야 하는데요 퍼옥시좀 내 β-산화는 조절이 용이하며, glyoxylate cycle과 연결되어 탄소 흐름 조절이 가능합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 초파리에서 결정 방식은 어떤 방식인가요?
네, 말씀하신 것처럼 초파리의 성 결정 방식은 인간과 구조적으로 비슷하게 XY 염색체를 가지고 있지만, 성 결정 메커니즘은 인간과 다른데요, 인간의 경우에는 SRY 유전자가 들어있는 Y염색체가 있는지 없는지에 따라서 남성과 여성으로 구분됩니다. 반면에 초파리의 경우에는 X염색체 수와 상동 염색체 수의 비율로 결정되는데요, 이 비율이 0.5 이하일 때 수컷이고 이 값을 초과하게 되면 암컷이 되는 것입니다. 감사합니다.