안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 이중결합과 단일결합이 반복되면 흡광도가 증가하는 이유는?
말씀해주신 것처럼 단일결합과 이중결합이 연속적으로 번갈아 존재하는 구조에서는 π 전자가 여러 이중결합 사이에서 자유롭게 이동하면서 비편재화됩니다. 비편재화된 구조의 π 전자는 에너지 준위가 서로 근접한 여러 분자 껍질에 존재하게 되는데요, 이는 전자가 상위 에너지 준위로 쉽게 들뜰 수 있음을 의미합니다. 즉 이러한 비편재화된 구조가 증가할 수록 π→π* 전이 에너지가 낮아지게 되며, 따라서 가시광선이나 자외선에서 흡수 가능합니다. 결론적으로 이중결합과 단일결합이 반복되면 전자 구름이 넓게 퍼져서 광자를 흡수할 확률이 커지게 되고, 따라서 핵산이나 방향족 아미노산처럼 공액 구조를 가진 분자는 UV에서 높은 흡광도를 나타내는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 공명안정화를 이루고 있는 화합물이 그렇지 않은 화합물에 비해서 연소열이 적은 이유는 무엇인가요?
말씀해주신 벤젠과 같은 공명 안정화 화합물의 연소열이 알켄 등 비공명 화합물보다 작은 이유는 분자의 내재적 안정성과 관련이 있는데요, 연소열은 화합물이 산소와 반응하여 CO₂와 H₂O로 완전 연소할 때 방출되는 에너지를 말합니다. 즉, 연소열이 크다는 것은 반응물의 결합이 상대적으로 불안정하여 많은 에너지를 방출함을 의미합니다.벤젠과 같은 방향족 화합물은 π 전자가 고르게 분포되어 있어 특정 위치에 국부화되지 않는데요, 이를 공명에너지라고 부르며, 분자의 실제 에너지가 단일 구조보다 낮습니다. 즉, 벤젠은 기본 구조 자체가 이미 안정화되어 있는 것입니다. 일반적인 알켄(C=C) 화합물은 π 전자가 국부화되어 있어 벤젠보다 에너지가 높고 불안정한데요 따라서 연소할 때 더 많은 에너지가 방출하게 됩니다. 벤젠의 실제 연소열은 같은 수의 C=C 결합을 가진 가상의 알켄 합보다 작은데요, 이는 벤젠이 이미 안정화되어 있어 추가 에너지를 많이 방출하지 않기 때문이라고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 생리 활성 유기 화합물이 구조이성질체의 종류에 따라서 다른 작용을 나타내는 이유는?
생리 활성 유기 화합물이 구조이성질체에 따라 서로 다른 작용을 나타내는 이유는 분자의 입체 구조와 화학적 상호작용 특성 때문인데요, 우선 구조이성질체는 결합의 연결순서가 서로 다른 이성질체를 말하는데 관여하는 작용기의 위치가 달라지기 때문에 효소나 수용체와 결합 방식이 다릅니다. 따라서 단백질 수용체는 3차원 구조에 맞춰 특정 모양의 분자만 결합하기 때문에 구조이성질체가 다르면 결합 친화도와 결합 위치가 달라지게 됩니다. 또한 구조 이성질체에서 작용기 위치가 바뀌면, 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용 등 분자간 상호작용 패턴이 달라지는데요, 결과적으로 효소 반응 속도나 신호 전달 활성에 차이가 발생하게 됩니다. 즉, 같은 화학식을 가졌더라도 구조나 입체 배열이 달라서 생체 내 단백질과 결합하는 방식이 달라지고, 그 결과 생리 활성도 달라지게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포가 분열할 때 DNA 복제가 정확히 어떻게 이루어지나요??
세포 분열 전 DNA가 정확히 복제되는 과정은 매우 정밀하게 조절되며, 여러 효소와 단백질 복제 기구가 작용하게 됩니다. DNA는 이중 나선 구조를 가지고 있으며, 두 가닥이 서로 상보적인 염기쌍(A-T, G-C)으로 연결되어 있는데요, 이때 DNA의 복제는 반보존적 방식으로 이루어집니다. 즉, 기존 DNA 가닥 한 가닥은 주형으로 사용되고, 새로 합성되는 가닥은 상보적 염기 서열을 가지게 됩니다.우선 먼저 특정 DNA 서열, 즉 복제원점에서 DNA 복제가 시작되는데요, 헬리케이스는 이중 나선을 풀어 복제분기점을 형성하며 SSB 단백질이 단일가닥에 결합하여 풀린 단일 가닥을 안정화, 꼬임을 방지하게 됩니다. 이후 DNA 중합효소는 기존 가닥에 상보적 염기를 추가하지만, 새로운 DNA를 처음부터 합성할 수 없는데요 따라서 프라이머라는 짧은 RNA 염기서열이 복제에는 필요합니다. 이후 DNA 중합효소가 5'말단에서 3'말단 방향으로 중합을 시작하며, 잘못 붙인 염기의 경우에는 3'에서 5'방향으로의 엑소뉴클레이즈의 작용으로 제거합니다. 감사합니다.
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.