안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 피루브산의 산화 이후 코엔자임A는 어떤 물질이 만들어주는 것인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 해당과정에서 포도당으로부터 2분자의 피루브산이 생성된 뒤, 산소가 충분히 있는 조건에서는 피루브산이 미토콘드리아 기질로 들어가 피루브산 탈수소효소 복합체에 의해 산화적 탈카복실화 과정을 거치게 됩니다. 이 과정에서 코엔자임 A(CoA)는 새로운 물질로 합성되는 것이 아니라, 세포 내에서 이미 비타민 B5(판토텐산)를 기반으로 합성되어 준비되어 있는 보조 인자인데요, 세포질에서 합성된 CoA는 미토콘드리아 내에서 자유로운 상태로 존재하다가, 피루브산 탈수소효소 복합체가 생성한 아세틸기를 받아들이는 것입니다. 즉 CoA는 아세틸기와 결합하여 아세틸-CoA가 되며 따라서 피루브산의 산화 이후에 코엔자임 A는 새로 만들어지는 것이 아니라, 세포 내에서 기존에 합성되어 준비된 CoA가 아세틸기를 받아들여 아세틸-CoA를 형성하는 역할을 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 젖산 발효의 생선물로 만들어진 젖산은 어떠한 대사 과정을 거치나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 운동 등으로 인해 근육 세포에 산소가 부족해지면 해당 과정에서 생성된 NADH를 다시 NAD⁺로 재생하기 위해 젖산 발효가 일어나고, 이때 젖산이 부산물로 축적되는데요 세포는 젖산을 그대로 방치하지 않고, 산소가 회복되거나 다른 조직으로 이동시키면서 처리합니다. 이때 혈액 속으로 확산된 젖산은 간으로 운반될 수 있는데요 간 세포에서는 젖산이 다시 피루브산으로 바뀌고, 이어서 포도당신생합성을 통해 포도당으로 전환되며, 이 포도당은 다시 혈액을 통해 근육으로 보내져 에너지원으로 쓰일 수 있습니다. 이와 같은 경로는 코리 회로라고 부릅니다. 이외에도 젖산은 단순한 노폐물이 아니라, 심장 근육 같은 고에너지 요구 조직에서는 즉각적인 연료로 활용되기도 하는데요, 이 경우 젖산은 피루브산으로 전환된 뒤 바로 TCA 회로로 들어가 에너지를 만들기도 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 발효와 무산소 호흡의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 발효와 무산소 호흡은 모두 산소가 부족하거나 없는 환경에서 세포가 ATP를 얻기 위해 사용하는 대사 경로인데요, 우선 발효는 전자전달계가 전혀 동원되지 않는 방식입니다. 따라서 해당과정을 통해 생성된 NADH는 세포 내에서 피루브산이나 유도체를 전자 수용체로 사용하여 NAD⁺로 재생되며 최종 산물로는 젖산이나 에탄올과 CO₂등이 만들어집니다. 이때 ATP는 해당과정에서만 2분자 얻어지므로 생산량이 적습니다.다음으로 무산소호흡은 산소 대신 질산염(NO₃⁻), 황산염(SO₄²⁻), 이산화탄소(CO₂) 등 무기 분자를 최종 전자 수용체로 사용하는 전자전달계를 이용하는 방식인데요 즉, 산소가 없지만 여전히 전자전달계와 막을 통한 화학삼투적 ATP 합성이 이루어집니다. 따라서 발효보다 훨씬 많은 ATP를 생산할 수 있으며, 효율은 산소 호흡보다는 떨어집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 닭이 먼저일까 알이 먼저 일까? 과연~
안녕하세요. “닭이 먼저일까, 알이 먼저일까?”에 대해서는 과학계에서도 오래전부터 논의되어 왔던 사항인데요, 우선 닭이 먼저라고 본다면 알은 반드시 닭이 낳는 것이므로, 닭이 있어야 알도 있을 수 있다고 주장할 수 있습니다. 반대로 알이 먼저라고 본다면, 알이라는 생식 방식은 닭 이전의 파충류나 물고기 등에서도 이미 존재했기 때문에, 알 자체는 닭보다 훨씬 먼저 생겨났다고 볼 수 있습니다.진화론적인 관점에서 고려해봤을 때 닭은 약 수천 년 전 야생 붉은 정글새에서 가축화되어 지금의 닭이 된 존재인데요 즉, 닭의 조상 새들이 알을 낳았고, 그 알 속에서 유전적 변이와 자연선택을 거쳐 최초의 ‘닭’으로 불릴 만한 개체가 태어난 것이기 때문에 따라서 ‘닭'이라는 종을 기준으로 보면, 알이 먼저라고 할 수 있습니다. 조상 새가 낳은 알에서 새로운 유전적 조합으로 첫 번째 닭이 태어났기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 콩팥은 왜 두개인가요 그리고 심장은 왜 하나인가
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 인간은 2개의 콩팥과 1개의 심장을 가지고 있습니다. 우선 콩팥이란 노폐물을 걸러내고 체액을 조절하는 장기인데요, 이 기능은 한쪽만으로도 생존이 가능하지만, 만약 하나가 손상되거나 질병으로 기능을 잃으면 위험해집니다. 그래서 여분으로 두 개가 있어 한쪽이 망가져도 다른 한쪽으로 몸을 유지할 수 있는 안전장치 역할을 하는 것이며 실제로 사람은 신장 하나만 가지고도 살아갈 수 있습니다.다음으로 심장은 온몸에 혈액을 내보내는 펌프 역할을 하는데요, 이 펌프는 끊임없이 일정한 리듬으로 뛰어야 하는데, 만약 심장이 두 개라면 두 펌프의 박동이 어긋날 수 있고 혈류가 불안정해져 생명 유지가 훨씬 더 위험해질 수 있습니다. 따라서 인체는 하나의 강력한 펌프만 두고, 이를 최대한 보호하는 방식으로 진화해온 것입니다. 즉, 말씀해주신 것과 같이 콩팥은 혹시 모를 고장을 대비한 여분이 필요하기 때문에 두 개, 심장은 두 개면 오히려 위험하기 때문에 하나라고 이해하시면 되겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 산소가 부족할 때 인간의 근육 세포는 왜 젖산발효를 하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 인간의 근육 세포가 산소가 부족한 상황에서 젖산발효를 하는 이유는 ATP 생산을 계속 유지하면서도 해당과정이 지속될 수 있도록 NAD⁺를 재생하기 위함입니다. 정상적인 상황에서는 포도당이 해당과정을 거쳐 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 소량의 ATP와 NADH가 생성되는데요, 산소가 충분할 때는 피루브산이 미토콘드리아로 들어가서 TCA 회로와 전자전달계를 통해 NADH가 산화되며 대량의 ATP가 생성됩니다. 이 과정은 산소가 최종 전자 수용체로 작용하기 때문에 가능한 것입니다. 반면에 운동을 할 때 산소 공급이 충분하지 않으면 전자전달계가 원활히 작동하지 못하는데요 이로 인해 NADH가 NAD⁺로 재생되지 못하고 쌓이게 되면, 해당과정이 중단될 위험이 있으며, 해당과정이 멈추면 ATP 생성도 끊기게 되어 근육 세포는 에너지 위기에 빠질 수 있습니다. 따라서 이를 방지하기 위해 근육 세포는 피루브산을 젖산으로 환원시키는 경로를 택하는데요, 이 과정에서 NADH가 산화되어 NAD⁺가 재생되고, 덕분에 해당과정이 계속 진행될 수 있으며 ATP를 소량이라도 지속적으로 생산할 수 있습니다. 따라서 젖산발효는 산소 부족 상태에서 근육 세포가 생존하고 단기적으로 에너지를 유지할 수 있도록 해주는 대체 경로라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
화학
Q. 다른 물질과는 달리 물은 고체 상태에서 더 부피가 증가하는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 물은 다른 물질과는 달리 오히려 고체가 되었을 때 부피가 증가하는 물질입니다. 물(H₂O) 분자는 V자 형태로 구부러진 구조를 가지며, 산소 원자와 수소 원자가 104.5° 각도로 결합되어 있는데요 산소는 전기음성도가 높아 부분 음전하를 가지며, 수소는 부분 양전하를 가져 극성 분자가 됩니다.이러한 극성 때문에 수소결합을 형성할 수 있습니다. 물은 액체 상태에서는 분자들이 유동적으로 움직이며 수소결합을 계속 형성하고 깨뜨리기 때문에 분자들이 상대적으로 가까이 모여 있어 부피가 작은데요 즉, 액체 물은 수소결합이 있지만 유동적인 배열 때문에 비교적 밀도가 높습니다. 반면에 얼음에서는 분자들이 고정된 육각형 구조를 형성하는데, 이 구조에서 각 물 분자는 4개의 수소결합을 통해 안정화되며 분자 사이 거리가 액체보다 멀리 떨어지기 때문에 결과적으로 얼음의 분자 배열은 보다 규칙적이지만 덜 촘촘해지면서 부피가 증가하고 밀도는 감소하는 것입니다. 실제로 얼음의 밀도는 약 0.92 g/cm³로, 물(1.00 g/cm³)보다 낮기 때문에 얼음이 물에 뜨게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 배위결합은 일반적인 공유 결합과 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 배위결합은 일반적인 공유결합과는 약간의 차이가 있습니다. 우선 일반적인 공유결합이란 두 원자가 전자쌍을 하나씩 제공하여 결합을 형성하는 것을 말하는데요, 결합에 참여하는 전자쌍은 각 원자가 하나씩 제공하며 결합 에너지와 결합 길이는 보통 일정하고 이때 결합 방향성 즉 오비탈의 겹침과 결합 강도는 공유 결합 특성에 따릅니다. 반면에 배위결합이란 한쪽 원자가 전자쌍을 모두 제공하고, 다른 쪽 원자가 빈 오비탈을 제공하여 결합이 형성되는 것을 말하는데요, 결합에 전자쌍을 한 원자가 모두 제공하며 수용자는 전자를 제공하지 않고 빈 오비탈로 받아주기 때문에 일반적인 공유결합과는 결합의 형성 방식에서 차이가 있습니다. 다만 배위결합이 형성된 후에는 일반 공유결합처럼 행동하며, 전형 원소를 제외한 금속 이온에서 많이 발견되고 특히 배위 화합물에서 핵심 역할을 한다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세균에서 빛을 이용한 DNA 수정 기작은 어떠한 원리로 일어나나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 세균은 인간과 달리 빛을 이용하여 DNA를 수선할 수 있습니다.자외선은 DNA에 흡수되어 인접한 티민(T)이나 사이토신(C) 사이에 피리미딘 이합체를 형성하는데요, 이로 인하여 DNA 이중나선에서 인접한 티민이 서로 공유결합(C=C 결합)으로 연결되었을 때 DNA 구조가 왜곡되고 DNA 복제나 전사가 어려워집니다. 이때 세균은 특수한 효소인 photolyase를 가지고 있는데요, 이 효소는 손상된 DNA(피리미딘 이합체)에 특이적으로 결합하고 청색광을 흡수했을 때 효소 내 보조인자(FADH⁻)가 들뜬 상태가 되면서 티민 이합체의 공유결합에 들뜬 전자를 제공하게 됩니다. 이로 인하여 티민 사이의 이합체 결합이 깨지고, 원래의 단일 티민 염기로 회복되며 즉, 빛 에너지를 직접적으로 활용하여 공유결합을 끊고 DNA를 복원하는 과정을 수행하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 염기는 바뀌었지만 아미노산은 변하지 않는 침묵 돌연변이는 왜 일어나는 것인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 DNA에서 염기서열이 변했지만, 이 변화가 단백질의 아미노산 서열에는 영향을 미치지 않는 돌연변이를 '침묵 돌연변이'라고 하는데요, 예를 들어, 코돈이 UUU → UUC로 바뀌더라도 둘 다 페닐알라닌(Phe)을 지정하기 때문에 아미노산 서열은 동일하게 유지됩니다. 이처럼 염기의 변화에도 불구하고 지정하는 아미노산이 변화하지 않는 것은 유전 암호의 축약성 때문인데요, 총 64개의 코돈이 존재하지만 아미노산은 20종류만 존재하기 때문에 따라서 여러 개의 코돈이 동일한 아미노산을 지정합니다. 이런 중복 때문에 일부 염기 변화는 단백질에 영향을 미치지 않는 것입니다. 또한 코돈의 3번째 염기 위치는 wobble position이라고 하여 tRNA와 결합할 때 어느 정도 허용 오차가 있는데요, 이 때문에 3번째 염기가 바뀌어도 같은 아미노산이 결합되어 침묵 돌연변이가 발생하는 것입니다. 감사합니다.