안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 산 염기 중화반응의 평형 상수값이 매우 큰 이유는 무엇인가요?
중화반응의 경우 수용액에서 산과 염기가 만나면 수소이온(H⁺)과 수산화이온(OH⁻)이 물을 생성하며, 이는 평형적으로 매우 안정합니다. 예를 들어 강산과 강염기의 중화반응에서 평형 상수는 사실상 물 생성 반응의 자유 에너지 변화(ΔG)가 매우 큰 음수이므로, K>>1이 됩니다. 이처럼 평형상수가 매우 큰 이유는 생성물의 안정성 때문인데요, 산–염기 반응의 주요 생성물인 물(H₂O)은 매우 안정한 분자이며 강산과 강염기의 경우 거의 모든 H⁺와 OH⁻가 물로 결합하기 때문에 반응이 거의 완전히 진행됩니다.반면에 약산이나 약염기도 중화반응에서는 반응 후 짝염기, 짝산이 형성되는데요 물이 매우 안정하므로, 산–염기 사이의 H⁺ 이동은 거의 완전히 진행됩니다. 따라서 강산–강염기, 약산–강염기, 강산–약염기 반응 모두 평형이 거의 생성물 쪽으로 치우치면서 K가 큰 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 핵에서 세포질로 방출될 경우에는 에너지를 사용하는 이유는 무엇인가요?
핵과 세포질 사이의 단백질·RNA 수송은 단순 확산이 아니라 Ran GTP/GDP 시스템이라는 에너지 의존적인 메커니즘으로 이루어지기 때문입니다. Ran 단백질은 GTP 결합형(Ran-GTP)과 GDP 결합형(Ran-GDP) 두 가지 상태가 있는데요, 세포는 Ran의 상태를 핵 안에서는 GTP형, 세포질에서는 GDP형으로 유지합니다.핵으로 물질이 유입되는 경우, 운반할 단백질은 importin에 붙어 핵공을 통해 들어갑니다. 이때 핵 안에 들어오면 Ran-GTP가 importin에 결하면서 importin-화물 복합체가 분해됩니다. 즉, Ran-GTP가 결합하면서 화물을 방출하는 구조적 변화가 일어나며 이후 importin-Ran-GTP 복합체는 세포질로 나가고, 세포질에서 RanGAP이 GTP를 가수분해 하며 importin이 재활용됩니다. 여기서는 핵으로 들어가는 과정 자체에서 GTP 가수분해가 필요하지 않고, Ran-GTP의 결합만으로 방출이 일어나기 때문에 에너지가 소비되지 않는 것입니다. 하지만 핵에서 물질이 방출되는 경우, 세포질에서 RanGAP이 Ran-GTP로부터 Ran-GDP로 가수분해되는 과정에서 복합체가 해체되며 화물이 방출됩니다. 즉 여기서는 세포질에서 Ran-GTP의 가수분해가 반드시 있어야만 화물이 풀려날 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포분열 진행 시 cyclin은 어떻게 분해되는 것인가요?
말씀하신 것처럼 세포주기는 cyclin의 합성과 분해를 통해 엄격히 조절됩니다.세포주기에서 cyclin의 분해는 주로 유비퀴틴-프로테아솜 경로를 통해 이루어지는 것인데요, 특수한 단백질 분해 신호가 붙어 있는 cyclin에 대해, E1(유비퀴틴 활성화 효소), E2(유비퀴틴 결합 효소), E3(유비퀴틴 리가아제)가 연속적으로 작용하며 특히 세포주기에서는 E3 유비퀴틴 리가아제 복합체가 핵심 역할을 합니다.유비퀴틴 사슬이 붙은 cyclin은 26S 프로테아솜으로 이동해 잘게 분해됩니다. 이때 세포주기의 특정 시점에서 cyclin을 분해하는 주요 E3 리가아제는 두 가지인데요, SCF 복합체와 APC가 있습니다. 이중 APC는 주로 분열기에서 작동하며 Cyclin A, Cyclin B 같은 M기 사이클린을 분해하고 Securin 같은 단백질도 함께 분해해서, 세파라제가 활성화되며 자매 염색분체가 분리됨. 감사합니다.
생물·생명
Q. p53과 p21은 어떻게 다른건가요?
네, 말씀하신 것처럼 p53과 p21은 모두 세포 분열을 억제하고 종양 발생을 막는 중요한 단백질이지만 차이가 있습니다. 우선 p53은 전사인자인데요, DNA 손상이나 세포 스트레스(산화 스트레스, 저산소 상태 등)를 감지했을 때 활성이 증가합니다. 자외선이나 방사선으로 인해 DNA 손상되었을 경우에 활성화되며, DNA 손상 복구를 유도하거나 세포주기의 진행을 억제합니다. 다음으로 p21은 CDK inhibitor (CKI)로, 사이클린-의존성 인산화효소(CDK)의 활성을 직접 억제합니다. 주로 p53에 의해 전사적으로 유도되지만, p53 독립적으로도 성장 억제 신호에 의해 발현될 수 있습니다. 즉 p21은 Rb 단백질의 인산화를 막아서 E2F 전사인자 비활성화를 유도하여 세포가 S기로 진입하지 못하게 만드는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사마귀와 메뚜기는 겉모습이 비슷하지만, 생태적으로 어떤 차이가 있나요
네, 사마귀와 메뚜기 겉모습은 유사하지만 서로 다른 종에 해당합니다.우선 둘의 공통점으로는 둘 다 곤충강에 속하며 큰 겹눈, 긴 뒷다리, 날개를 가지고 있고풀숲에서 생활하며, 위장술에 유리한 녹색이나 갈색을 띤다는 점입니다.하지만 이 둘은 분류학적 차이를 가지고 있는데요, 사마귀는 사마귀 목에 해당하며 메뚜기는 메뚜기목에 속하기 때문에 겉모습은 닮았지만 사실 가까운 친척은 아니고, 독립적으로 진화한 그룹입니다.또한 사마귀는 대표적인 육식성 포식자인데요 앞다리가 발달해 낫처럼 먹이를 덥석 잡아 채우며 다른 곤충, 작은 개구리, 심지어 새끼 도마뱀까지 잡아먹습니다. 반면에 메뚜기는 주로 초식성으로 강력한 입을 이용해 풀잎, 곡물, 농작물을 뜯어 먹고 때로는 대규모 군집으로 이동해 농업에 큰 피해를 줍니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사마귀는 포식자임에도 불구하고 어떤 동물이나 곤충에게 사냥당할 수 있을까요?
네, 맞습니다. 사마귀는 날카로운 앞다리와 위장술 덕분에 곤충 중에서도 강한 포식자로 알려져 있지만, 자연 생태계에서 절대적인 최상위 포식자는 아닙니다. 사마귀를 잡아먹는 주요 천적으로는 참새, 까치, 딱새, 파랑새 같은 곤충식 조류가 대표적인데요, 날아다니는 성충 사마귀도 새에게 쉽게 포식당할 수 있습니다. 또한 개구리, 두꺼비, 도마뱀, 작은 뱀들이 사마귀를 잡아먹는데요, 특히 사마귀가 풀숲이나 땅에 있을 때 잘 노려집니다.이처럼 사마귀가 포식자임에도 천적이 존재한다는 것은, 먹이사슬이 균형을 이루는 생태계 원리를 보여주는 것인데요 즉, 사마귀가 해충 개체수를 조절하는 역할을 하지만, 자신 또한 상위 포식자들의 먹이가 되면서 먹이망 속에서 조화를 이루는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전적으로 다면 발현은 왜 일어나는 것인가요?
말씀해주신 '다면발현'은 멘델의 유전법칙의 예외 현상 중 하나입니다. 다면발현이 일어나는 이유는 유전자의 산물이라고 볼 수 있는 단백질이 생체 내에서 여러 기능을 담당하거나, 여러 대사 경로에 관여하기 때문인데요 즉, 한 유전자가 고장 나면 그 단백질이 쓰이는 모든 곳에서 문제가 생겨, 다양한 표현형으로 나타나게 됩니다.즉 같은 단백질이라도 뇌, 간, 피부 등 다양한 조직에서 쓰일 수 있으며 따라서 유전자에 문제가 생기면 여러 기관에서 증상이 나타납니다. 또한 특정 효소가 결핍되면, 그 효소가 담당하는 대사산물이 제대로 만들어지지 않거나 쌓이게 되며, 이로 인해 연쇄적인 대사 장애가 발생하고, 여러 신체 기능이 동시에 영향을 받아 다양한 증상이 나타납니다.대표적인 예시로는 말씀해주신 페닐케톤뇨증이 있는데요, PAH 유전자 돌연변이로 인하여 페닐알라닌 수산화효소 결핍된 것입니다. 결과적으로 페닐알라닌 대사 불가로 인해 혈중에 페닐알라닌이 축적되면서 뇌 발달 장애, 지적 장애 발생하며 티로신 부족해지면서 멜라닌 합성 장애로 인해 피부나 머리카락이 옅은 색을 띠고, 기타 대사산물 축적으로 소변에 특유의 냄새가 나게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사마귀의 앞다리는 어떤 방식으로 먹이를 잡는 데 적응했나요?
네, 맞습니다. 사마귀의 앞다리는 포식에 특화된 무기라고 할 수 있는데, 곤충학에서는 이를 포획다리라고도 합니다. 사마귀의 앞다리를 보면 앞다리의 긴 대퇴부와 경골부에는 뾰족한 가시들이 줄지어 나 있는데요, 이 가시들이 먹이를 단단히 눌러 고정하는 역할을 하며, 미끄러지지 않게 해주며 즉, 다리가 일종의 톱니가 달린 집게처럼 작동합니다. 평상시에는 앞다리를 접어서 가슴 쪽에 붙이고 있다가, 먹이가 접근하면 빠르게 뻗어 먹이를 붙잡습니다. 또한 앞다리 관절에는 강한 근육이 발달해 있어서 순간적으로 큰 힘을 내며 먹이를 끌어당기는데요, 이로 인하여 잡힌 먹이는 거의 빠져나가기 어렵습니다. 이런 앞다리 구조 덕분에 사마귀는 메뚜기, 나비, 벌, 심지어 작은 도마뱀까지 다양한 먹이를 잡는 매복형 포식자로 살아남을 수 있었습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 다인자 유전과 복대립 유전은 어떻게 다른 것인가요?
'다인자유전'과 '복대립유전'은 둘 다 멘델의 유전법칙의 예외에 해당하는 현상이 맞습니다.우선 '다인자유전'은 여러 개의 다른 유전자 자리가 함께 형질을 결정하는 경우를 말하는 데요 즉, 2개 이상의 유전자가 모여 하나의 형질에 영향을 줍니다. 보통 키, 피부색, 체중, 지능처럼 연속적인 양적 형질에서 나타납니다. 예를 들자면 사람의 피부색은 여러 유전자에서 멜라닌 합성을 조절하기 때문에 피부색이 흰색~검은색까지 연속적으로 다양하게 나타나게 됩니다.다음으로 '복대립유전'은 한 유전자 자리에 세 가지 이상 대립유전자가 존재하는 경우를 말하는데요, 하지만 실제로는 한 개체가 이들 중 두 개만 가질 수 있으며 이때 대립유전자가 많을수록 표현형이 더 다양하게 나타날 수 있습니다. 대표적인 예시로는 ABO식 혈액형이 있는데요, 한 유전자 자리에서 A, B, O 세 가지 대립유전자가 존재하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 염기성과 알칼리성은 결국 같은 뜻인가요
'염기성'과 '알칼리성'은 유사한 개념이긴 하나 약간의 차이가 있습니다.우선 '염기성'은 산과 반응해서 수소 이온(H⁺)을 받거나, 수산화 이온(OH⁻)을 내놓을 수 있는 성질을 말하는데요, 즉 브뢴스테드-로우리 정의에서는 H⁺를 받아들이는 물질, 루이스 정의에서는 전자쌍을 주는 물질을 말하는 것입니다. 다음으로 '알칼리성'의 알칼리는 알칼리 금속(Na, K 등)과 알칼리 토금속(Ca, Ba 등 일부)의 수산화물을 의미하는데요, 즉, 물에 잘 녹아서 OH⁻ 이온을 내놓는 물질을 지칭합니다. 따라서 알칼리성은 염기성 중에서도 수용액에서 OH⁻을 내놓는 경우에 한정된 부분집합이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.