안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 아스파탐이 얼마나 연구가 되어서 상대적으로 많이 안전하다고 하나요
안녕하세요.네, 대표적인 대체감미료에 해당하는 아스파탐은 현재까지 사용되는 합성감미료 중에서도 가장 오랫동안, 가장 많이 연구된 인공 감미료 중 하나인데요, 1965년 처음 합성된 이후, 1981년 미국 FDA에서 최초로 식품 첨가물로 승인되었습니다. 현재는 약 40년 이상 전 세계에서 사용되고 있으며, 이 기간 동안 수많은 연구가 진행되었습니다. 국제적으로 보고된 아스파탐 관련 연구는 수천 건 이상인데요 미국 FDA, 유럽식품안전청(EFSA), 세계보건기구(WHO), 식품의약품안전처 등 여러 기관에서 독립적으로 검토했습니다. EFSA의 2013년 재평가 보고서에서는 아스파탐 관련 약 600여 편의 논문을 종합 분석했고, WHO와 FAO 산하 JECFA도 수백 편 이상을 지속적으로 검토해왔는데요 동물실험, 역학 연구 종합 검토 결과, 일반적인 섭취량에서 발암 증거 없음이 확인되었으며 신경독성, 생식독성 측면에서도 유의한 위해성 없음이 확인되었습니다. 또한아스파탐은 체내에서 아스파르트산, 페닐알라닌, 메탄올로 분해되는데, 이는 다른 단백질 식품에서 얻는 양보다 훨씬 적은 수준임이 확인되었지만 다만 페닐케톤뇨증(PKU) 환자는 페닐알라닌을 대사하지 못하므로 반드시 섭취를 피해야 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포호흡 시 NADH가 FADH2보다 더 많은 ATP를 생성하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.세포호흡에서 NADH가 FADH₂보다 더 많은 ATP를 생성하는 원리는, 두 전자전달체가 전자전달계(ETC)에서 어디에 전자를 전달하는지에 따라 달라지는 것인데요, NADH는 전자를 전자전달계 복합체 1인 NADH탈수소효소 복합체에 전달하며, 이때부터 전자가 복합체 1 → 복합체 3 → 복합체 4를 거치며 흐르고, 그 과정에서 프로톤(H⁺) 펌핑이 총 10개 일어납니다. 반면에 FADH₂는 전자를 복합체 2번인 숙신산 탈수소효소복합체에 전달합니다. 복합체 2는 막을 가로질러 H⁺를 펌핑하지 않기 때문에, FADH₂는 복합체 1을 우회하여 복합체 2→ CoQ → 복합체 3→ 복합체 4의 경로를 거치며 따라서 H⁺ 펌핑은 6개밖에 일어나지 않습니다. 전자전달계에서 H⁺가 미토콘드리아 기질에서 막간공간으로 이동하면서 전기화학적 기울기가 형성되며 ATP 합성효소(ATP synthase)는 약 4개의 H⁺가 들어올 때 1개의 ATP를 합성합니다. 이때 NADH는 10 H⁺ → 10 ÷ 4 ≈ 2.5 ATP를 생성하는 것이며 FADH₂는 6 H⁺ → 6 ÷ 4 ≈ 1.5 ATP를 생성하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. pKa에서 가장 이온화를 잘하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 것처럼 산-염기 반응에서 pH = pKa일 때 해당 화합물이 가장 잘 이온화된다는 말은, 산성 상태와 염기성 상태가 50:50으로 공존하기 때문에 산-염기 반응이 가장 활발히 일어나고, 완충 작용도 가장 커진다는 의미인데요, 어떤 산의 HA ↔ H⁺ + A⁻ 반응에서 pKa = -log Ka이며 즉, pH = pKa일 때 [HA] = [A⁻], 양성자화된 상태와 탈양성자화된 상태가 동일 농도로 존재합니다. pH = pKa일 때 이온화가 활발한 이유는 이온화 평형의 민감도 최대이기 때문인데요, Henderson–Hasselbalch 식에서 산-염기 반응이 일어날 때 양쪽으로 이동할 가능성이 똑같기 때문에 미세한 pH 변화에도 가장 큰 이온화 비율 변화가 나타납니다. 즉 [HA]도 많고 [A⁻]도 많기 때문에, H⁺를 주고받는 반응이 가장 빈번하게 일어나며 반대로 pH
화학
Q. 등전점에서 용해도가 떨어지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 사항에 대해 답변을 드리자면 단백질이나 아미노산 같은 양쪽성 전해질이 등전점(pI, isoelectric point)에 있을 때 용해도가 가장 낮아지는 이유는, 원래 용액 속 단백질은 pH에 따라 양전하(–NH₃⁺)와 음전하(–COO⁻)를 띠는 잔기를 가지고 있는데, pH = 등전점에서는 양전하와 음전하가 평균적으로 같아져서, 분자의 전체 순전하가 0이 되기 때문입니다. 또한 분자가 전하를 띠면 서로 정전기적 반발력이 작용하여 입자 간 응집을 막고, 물속에 잘 분산될 수 있는데요 그러나 등전점에서는 순전하가 0이므로 반발력이 사라지고, 분자들끼리 가까이 접근해 쉽게 응집이나 침전을 형성하게 됩니다. 즉, 전기적 반발력의 분산 효과가 사라지므로 용해도가 크게 감소라는 것입니다. 또한 등전점에서 단백질은 정전기적 반발력이 줄어든 대신, 소수성 잔기끼리 뭉치려는 경향이나 수소결합, 반데르발스 힘에 의해 서로 응집하는데요 이 과정에서 물속에 개별적으로 풀려 있던 분자가 서로 뭉쳐 불용성 집합체를 형성하게 되어 용해도가 떨어집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 동물세포에서 글리세롤로 당을 합성할 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 동물세포에서는 지방산 자체로는 포도당을 합성할 수 없지만, 글리세롤로는 가능한데요, 이는 대사 경로의 연결 고리에 차이가 있기 때문입니다. 우선 지방산은 β-산화 과정을 거쳐 Acetyl-CoA로 분해되는데요, 하지만 동물세포에는 Acetyl-CoA로부터 피루브산 또는 옥살로아세트산으로 되돌리는 경로가 존재하지 않습니다. 그 이유는 시트르산 회로에서 피루브산 탈수소효소 반응이 불가역적이기 때문입니다. 따라서 Acetyl-CoA는 TCA 회로에 들어가더라도 CO₂로 산화될 뿐, 순수하게 새로운 탄소골격을 제공하여 포도당을 합성할 수 없는 것이며 이로 인해 지방산 탄소골격은 동물세포에서 당으로 전환되지 못합니다. 반면, 중성지방의 글리세롤은 글리세롤 키나아제에 의해 인산화되어 글리세롤-3-인산이 되고, 이어 글리세롤-3-인산 탈수소효소 작용으로 DHAP(디하이드록시아세톤 인산) 으로 전환되는데요, 이 DHAP는 해당과정 또는 포도당신생합성 경로의 중간체이므로, 그대로 포도당 합성 경로에 진입할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNP가 세포호흡을 억제하는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 DNP(2,4-dinitrophenol)는 미토콘드리아 내막에서 작용하는 대표적인 짝풀림제로 작용하는데요, 우선 정상적인 전자전달계에서는 NADH, FADH₂에서 나온 전자가 미토콘드리아 내막 단백질들을 거치면서 전달됩니다. 이 과정에서 양성자(H⁺)가 미토콘드리아 기질에서 막사이공간으로 펌핑되며, 이렇게 형성된 양성자 농도 구배가 에너지원이 되어, ATP 합성효소(ATP synthase)를 통해 양성자가 기질로 되돌아가면서 ADP로부터 ATP 합성이 일어납니다. 즉, 전자전달(산화)과 ATP 합성(인산화)은 양성자 구배에 의해 ‘결합(coupling)’되어 있는데요 이때 DNP는 지용성 이온 운반체로서 막사이공간의 양성자(H⁺)와 결합하여 지용성 상태로 미토콘드리아 내막을 통과할 수 있습니다. 이후 기질 쪽에서 양성자를 방출해버리기 때문에, 양성자 농도 구배가 무너지는 것이며 그 결과, ATP 합성효소가 사용할 양성자 경사가 사라지게 됩니다. 따라서 ATP 합성이 억제되며, 전자전달계는 계속 돌아가지만 ATP는 만들어지지 않습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 대장내시경물약에대해 궁금해서 질문합니다
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 대장내시경을 하기 전에 ‘장정결제(대장내시경 준비약)’을 복용해야 하는 이유는 장 속의 음식물 찌꺼기와 대변을 최대한 깨끗이 비워내야 작은 용종이나 병변까지 정확히 관찰할 수 있기 때문인데요, 현재는 3일 정도 섬유질이 적은 음식으로의 식단 조절과 함께 내시경 하루 전 대량의 장정결제를 복용하는 것이 표준입니다. 하지만 말씀하신 것처럼, 환자 입장에서 식단 조절과 다량의 물약 복용은 큰 부담이라 의료계에서도 이를 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있는데요 대표적인 예시가 저용량 장정결제입니다. 기존에는 4리터 정도를 마셔야 했지만, 최근에는 1~2리터로도 효과가 좋은 약제가 개발되고 있는데요, PEG(폴리에틸렌글리콜) 기반 장정결제나 황산마그네슘, 아스코르빈산을 혼합한 제제들이 대표적입니다. 또한정제(알약) 형태의 장정결제도 개발되어 있는데요 물 대신 알약 형태로 삼키는 방식도 개발되어 일부 국가에서는 이미 사용되고 있습니다. 다만 신장이나 심장질환 환자에게는 부담이 될 수 있어 더 안전한 제형이 필요합니다. 이외에도 최근에는 장내 미생물이나 효소를 활용해 대변을 분해·용해시키는 방식의 스마트 장정결제 연구도 초기 단계에서 진행되고 있으며, 성공한다면 식이조절 기간을 줄이거나 없앨 수 있는 가능성이 있을 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 무리를 형성하는 수컷 동물은 부성애가 존재하나요?
안녕하세요.말씀해주신 늑대, 고릴라, 사자처럼 무리를 이루는 사회적 동물에서 수컷의 부성애가 존재하는지 여부는 종마다 크게 다른데요, 부성애가 비교적 뚜렷한 경우로는 늑대가 있습니다. 늑대는 일종의 가족 집단의 형태를 가지며, 보통 알파 수컷과 알파 암컷이 번식하는데요, 이때 수컷 늑대는 새끼에게 먹이를 가져다주고 보호하는 등 적극적인 양육에 참여합니다. 따라서 늑대 수컷에게는 분명한 부성애적 행동이 있다고 볼 수 있습니다. 또한 조류에서 새들의 상당수는 수컷이 암컷과 함께 둥지를 지키고 새끼를 먹이는 등 부성 행동을 보이는데요, 이는 포유류보다 훨씬 흔한 사례입니다. 부성애가 거의 없는 경우로는 사자 가 있습니다. 수컷 사자는 무리를 방어하고 영역을 지키는 역할을 하지만, 새끼 개체를 직접 돌보거나 먹이를 나누는 행동은 거의 하지 않으며 오히려 새롭게 무리를 차지한 수컷은 전임 수컷의 새끼를 죽이는 영아살해를 하기도 합니다. 이는 부성애보다는 자신의 유전자를 퍼뜨리기 위한 진화적 전략입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 동물 울음짖는소리에대해궁금합니다.
안녕하세요.질문해주신 것처럼 동물이 갑자기 울음소리를 내는 것은 보통 이유가 없는 행동이라기보다는 특정한 의사소통 신호이자 상황 반응인 경우가 많은데요, 이는 북극곰과 같은 대형 포식자의 울음도 마찬가지입니다. 특히 말씀하신 상황처럼 사람이 장난을 걸었을 때 북극곰이 갑자기 큰 소리를 낸 것은 단순히 기분 나쁘다 정도의 반응이 아니라, 위협 신호일 수 있습니다. 갑자기 큰 울음이나 짖음은 “더 이상 다가오지 마라” 또는 “나를 건드리지 마라”라는 경고의 의미이며 실제 공격을 하기 전 단계에서 흔히 나타나는 행동입니다. 또한 갑작스럽게 자극에 반응해 순간적으로 울음소리가 터져 나올 수 있는데요, 이는 본능적 반사 행동에 가깝습니다. 이외에도 야생에서는 다른 개체에게 내가 긴장했으니 조심해라라는 신호가 될 수 있는데, 사육 환경에서는 동료 곰이 없어도 본능적으로 소리를 낼 수 있습니다. 마지막으로 인간이 불편한 상황에서 한숨을 쉬거나 소리를 내는 것처럼, 북극곰도 긴장과 불안을 순간적으로 소리로 표현할 수 있습니다.즉, 동물의 경우에도 이유 없는 울음은 거의 없고, 대부분이 방어, 경고, 놀람, 스트레스와 같은 상황적 이유가 있는 반응이라고 보시면 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 기린의 고혈압을 버티는 게 뭔 지 알려주세요
안녕하세요.네 말씀해주신 것과 같이 기린은 목이 길기 때문에 심장에서 머리 끝까지 혈액을 보내려면 사람보다 훨씬 높은 혈압, 즉 수축기 혈압이 약 250~300mmHg을 유지해야 하는데요 그런데 보통 이렇게 높은 혈압이면 사람의 경우 뇌혈관이 쉽게 터질 위험이 있는데, 기린은 이를 막기 위해 몇 가지 특수한 해부학적, 생리학적 적응을 갖고 있습니다. 첫번째는 경동맥망(carotid rete mirabile, 망상동맥망)인데요, 뇌에 들어가기 직전 경동맥이 여러 가느다란 혈관으로 갈라져 그물망을 형성하는데 이 구조는 혈압을 분산시키고, 뇌로 들어가는 혈류를 완충시켜 뇌혈관이 직접 고혈압에 노출되지 않게 하는 역할을 합니다. 동시에 주변의 정맥혈과 열 교환 및 압력 교환을 하면서 안정된 압력으로 조절됩니다. 따라서 질문하신 망상동맥과 원더네트(rete mirabile)는 사실 같은 구조를 지칭하는 말입니다. 다음으로 기린의 뇌 모세혈관과 소동정맥은 벽이 매우 두껍고 탄력이 좋아서 고압에도 견딜 수 있는데요 혈관 평활근과 탄력섬유가 발달해 있어, 순간적인 혈압 변동에도 잘 버틸 수 있습니다. 특히 모세혈관 주위의 기질이 단단해 혈관 누출을 막아줍니다. 마지막으로 머리 쪽은 심장보다 훨씬 아래 있어 혈압이 더 강하게 걸리는데, 다리 정맥에는 튼튼한 판막과 두꺼운 벽이 있어 혈액이 역류하거나 혈관이 터지지 않도록 하며 다리 피부도 일종의 자연적인 압박스타킹처럼 두껍고 단단하게 발달해 혈액이 과도하게 몰리지 않게 막아줍니다. 감사합니다.