안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 실제 완벽히 사망한 상태의 사람이 되살아나는 라자루스 증후군의 이력은 보고된 바 있는가?
안녕하세요. 네, 질문해주신 라자루스 증후군은 심폐소생술(CPR) 실패로 사망 판정을 받은 환자가 수분~수십 분 뒤 외부 조력 없이 자발 순환을 회복하는 현상을 말하는 것인데요, 구전 전설이 아니라, 실제로 의학 학술지에 공식 보고된 사례가 존재하며 1982년 처음으로 의학 문헌에 기록되었고, 그 이후로 전 세계에서 60건 이상 보고되었습니다. 보고 건수가 적지만, 실제 발생 사례는 더 많을 것으로 추정되는데요, 이는 CPR 후 일정 시간 관찰하지 않고 바로 사망 판정을 내리는 경우가 많기 때문입니다. 이에 대한 정설은 없지만 원인에 대해 생각해볼 수 있는 의학적 추정으로는 심폐소생술 중 인공호흡이 과하게 주어지면 흉곽 내 압력이 상승하면서 심장으로 혈액이 잘못 들어가서 정맥환류가 저하된 상황이 있겠습니다. 이때 CPR을 중단하면 압력이 풀리면서 혈류가 회복되고 뒤늦게 자발순환이 재개될 수 있을 것입니다. 또는 약물 지연 효과로 인해 CPR 중 투여된 아드레날린 등 약물이 순환이 충분치 않아 심장에 제대로 도달하지 못하다가, CPR 중단 뒤에 혈류가 개선되며 뒤늦게 효과 발현될 수도 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 만약에 세상이 망해서 사람을 포함한 모든 생명을 방주같은곳에 피신시킨다면 몇쌍의 생명을 태워야 할까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 세상이 망해서 사람을 포함한 모든 생명을 방주같은곳에 피신시키는 상황을 고려해본다면 우선 성서에 쓰인 것과는 다르게 유전다양성을 지키고 장기적으로 멸종을 피하려면, 종마다 다르지만 수백~수천 마리 규모가 필요합니다. 시작 개체가 적으면 유해 돌연변이가 빠르게 동형접합으로 나타나 적합도 저하가 생길 수 있으며, 작은 집단에선 우연만으로도 대립유전자가 쉽게 사라져 적응 가능성이 급격히 줄어들게 되고, 질병·기근 같은 우발적 사건에 작은 집단은 취약합니다. 따라서 인간의 경우에는 최소 수백 명으론 출발 가능하지만, 근친 회피와 건강, 기술 인력, 및 사회 구조까지 고려하면 수백~수천 명(권장 1000명 이상의 번식 성인)이 현실적이라고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 동물세포에서 당 신생 과정은 왜 간에서만 일어날 수 있는 것인가요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 동물에서는 오직 간에서만 당 신생 합성 과정이 일어날 수 있는데요, 우선 해당과정의 반대 과정이 당 신생인데, 단순히 해당과정을 역으로 돌리는 것은 불가능합니다. 왜냐하면 헥소키나아제, PFK-1, 피루브산 키나아제 반응가 관여하는 해당과정의 단계는 ΔG가 크게 음수라서 비가역적이기 때문입니다. 따라서 이를 우회할 수 있는 특수 효소가 필요한데요, 피루브산 카복실화효소, 과당-1,6-이인산가수분해효소, 포도당-6-인산가수분해효소라는 특정 효소들이 간에만 존재하기 때문에 간에서만 당 신생이 일어나는 것이며 근육이나 뇌 같은 조직은 이런 효소가 없기 때문에 해당과정은 잘 하지만, 당 신생은 할 수 없습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 기질수준의 인산화보다 화학 삼투적 인산화를 통해 더 많은 ATP를 얻을 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 세포 내에서 ATP를 합성할 수 있는 기작으로는 크게 기질 수준의 인산화와 화학 삼투적 인산화가 있는데요, 우선 기질수준의 인산화는 해당과정(glycolysis)이나 TCA 회로 일부 반응으로 일어나며 어떤 고에너지 기질(예: 1,3-비스포스포글리세르산, 포스포엔올피루브산)이 직접 ADP에 인산기를 붙여 ATP를 만듭니다. 이 과정은 효소 의존적이고, 한 분자당 ATP 생산량이 제한적인데요 따라서 기질수준 인산화만으로는 ATP 생산량이 매우 적습니다. 반면에 화학 삼투적 인산화는 전자전달계(ETC)를 통해 NADH, FADH₂의 전자를 산소로 전달하면서 막을 사이에 두고 H⁺ 농도 기울기(프로톤 기울기)를 형성하는데요, 이때 만들어진 전기화학적 퍼텐셜을 ATP 합성효소(ATP synthase)가 이용해서 대량의 ATP를 합성합니다. 즉 화학삼투적 인산화는 NADH/FADH₂가 가진 고에너지 전자를 전자전달계에 넘기고, 그 에너지로 수많은 H⁺를 막 건너 펌핑해서 큰 전기화학적 기울기를 만들고, 이 기울기를 이용하면 ATP 합성효소가 반복적으로 다량의 ATP를 만들 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 아이오딘-아이오딘화 칼륨의 앙금생성
안녕하세요.질문해주신 '질산납(Pb(NO₃)₂) + 아이오딘화칼륨(KI) → 노란색 앙금 PbI₂ (아이오딘화납)' 반응에서는 아이오딘화 이온(I⁻)이 존재할 때 일어나는 앙금 반응인 것인데요, 흔히 '아이오딘-아이오딘화칼륨 용액'이라고 부르는 건, 요오드(I₂) 자체는 물에 잘 안 녹지만, 아이오딘화 이온(I⁻)과 함께 있으면 I3− (트리요오드화이온)형태로 안정적으로 녹아 있게 됩니다. 즉, 이 용액에는 I₂ + I⁻ ⇌ I₃⁻ 평형이 성립하고 있고, 실제로는 자유 I⁻ 이온도 함께 존재하는 것인데요, 따라서 아이오딘-아이오딘화칼륨 용액을 사용하면 용액 속의 I⁻ 이온이 여전히 존재하므로 Pb²⁺와 만나 PbI₂ 앙금을 형성할 수 있습니다. 다만 동시에 I₂(혹은 I₃⁻)가 존재하기 때문에, 단순한 KI 용액보다 반응 환경이 더 복잡해지는데요, Pb²⁺와 반응해 앙금이 생기지만, 남아 있는 I₂는 노란색 앙금(PbI₂)의 색과 겹쳐서 색상 관찰이 혼동될 수 있고, 경우에 따라서는 용액이 갈색 또는 진한 색으로 보일 수도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 소화제 지방 분해 실험에서 염기성에서 흰 고리 발생하는 이유
안녕하세요. 네, 질문해주신 소화제 지방 분해 실험에 대해 답변해드리자면, 우선 실험 상황이 기질은 지방이고 조건은 산성, 염기성, 중성으로 세 가지 pH입니다. 효소 제제로서 베아제, 훼스탈은 소화효소를 함유하고 있으며, 까스활명수는 주로 소화제제(위장관 운동 촉진, 가스 제거)로 효소는 거의 없습니다. 지방(트리글리세리드)은 리파아제에 의해 글리세롤과 지방산으로 분해되는데요, 이때 생성된 지방산은 염기성 조건에서 음이온 형태(R–COO⁻)로 존재하며, 물과 결합해 비누화 현상이 일어날 수 있습니다. 이 과정에서 지방산염이 미세한 고체/액적 상태로 석출되거나 유화되면서 흰색 고리(탁한 띠)가 관찰될 수 있으며, 즉, 염기성 환경에서 효소가 지방을 분해해 자유 지방산을 만들고 지방산이 염기와 반응해 불용성 비누성 물질이 형성되면서 흰 고리로 보이는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 오늘이 헬륨을 발견한 날이라고 하는데요. 그럼 헬륨은 어떻게 발견을 하게 된거고 이건 또 어떻게 사용하게 되었는지 궁금합니다. 여기저기 많이 사용되서 더욱 궁금합니다.
안녕하세요. 질문해주신 헬륨은 독특하게도 지구가 아니라 태양에서 먼저 발견된 원소인데요, 1868년 8월 18일, 프랑스의 천문학자 피에르 장센이 인도에서 일어난 개기일식을 관측하다가 태양 스펙트럼에서 특이한 노란색 선을 발견했으며, 이후 1895년에 영국 화학자 윌리엄 램지 우라늄 광물인 클리베이트에서 실제로 헬륨 기체를 분리해내면서 이렇게 해서 헬륨이 지구에서도 존재한다는 것이 입증되었습니다. 18족에 속하는 헬륨은 무색, 무미, 무취의 기체인데요, 공기보다 훨씬 가벼우며 비활성기체이기 때문에 화학 반응을 거의 하지 않습니다. 또한 끓는점이 –269℃로, 모든 원소 중 가장 낮은 끓는점을 가지며, 공기보다 가볍지만, 수소처럼 폭발 위험이 없어 풍선이나 비행선에 안전하게 사용됩니다. 또한 초전도 자석을 사용하는 MRI(자기공명영상 장치), 입자가속기 등에서 액체 헬륨을 초저온 냉각제로 사용될 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 주기율표에서 안정하다고 알려진 18족 원소들은 다른 원소와 아예 반응을 하지 않는 것인가요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 주기율표에서 18족에 해당하는 비활성 기체의 경우에는 이미 옥텟규칙을 만족하고 있기 때문에 자체적으로 안정성을 가지고 있습니다. 따라서 헬륨, 네온, 아르곤은 전자 친화도와 전기음성도가 매우 낮아 사실상 대부분의 상황에서 화합물을 만들지 않는데요, 하지만 1962년, Neil Bartlett 교수가 제논(Xe)과 플루오린(F₂)을 반응시켜 최초의 귀족 기체 화합물 XePtF₆을 합성한 바 있습니다. 이후 연구에서 제논과 크립톤도 여러 화합물을 만들 수 있음이 밝혀졌는데요, 즉 전자가 가득 차 있어 안정하지만, 강력한 전기음성 원소(F, O)와는 화합물을 형성할 수 있음이 확인된 것입니다. 이러한 반응이 가능한 이유는 큰 원자(예: Xe, Rn)일수록 전자가 핵으로부터 멀리 퍼져 있어 극한 조건에서 전자가 끌려나가거나 공유 결합에 참여 가능하며 반대로 작은 원자(He, Ne, Ar)는 전자껍질이 작고 핵-전자 인력이 커서 화합물이 만들어지지 않기 때문입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 연소보다 세포 호흡이 더 많은 에너지를 얻을 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 겉보기에는 연소와 세포 호흡 모두 유기물 + O₂ → CO₂ + H₂O + 에너지”라는 점에서 동일한 화학 반응식을 가지고 있지만, 실제로 세포 호흡이 더 효율적으로 많은 에너지(ATP)를 확보할 수 있는 이유는 바로 에너지 방출 방식의 차이 때문입니다. 우선 연소란 불을 붙여서 한 번에 산화하는 방식으로 매우 급격한 반응이며, 방출된 에너지 대부분이 열로 나가는데요, 생체가 바로 활용할 수 있는 화학 에너지(ATP)로 변환되지 못하며 즉, 반응 총 에너지 양은 크지만 쓸모 있는 형태로 저장이 거의 불가능합니다. 반면에 세포호흡은 말씀해주신 것처럼 수많은 효소 반응을 통해 유기물을 단계적으로 산화하며 전자가 고에너지 분자(NADH, FADH₂)에 차례대로 전달되고 방출 에너지를 작은 단위로 나눠 ATP라는 화학적 에너지 통화로 저장하기 때문에 열 손실이 줄고, 화학 에너지로 전환되는 비율이 훨씬 높은 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 카디오 리핀이 수소이온에 막 투과성을 억제할 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 미토콘드리아와 엽록체의 경우 각각 내막과 틸라코이드막에 카디오리핀을 가지고 있습니다. 카디오리핀은 세포의 미토콘드리아 내막 같은 특수 막에 존재하는 인지질로, 막의 수소이온(H⁺) 투과성 억제에 중요한 역할을 하는데요, 우선 카디오리핀은 네 개의 지방산 사슬을 가진 인지질로, 일반적인 인지질보다 훨씬 크고 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 머리 부분이 강하게 음전하를 띤 인산기 두 개로 되어 있고, 이러한 독특한 구조가 막에서 더 치밀하고 안정적인 지질 이중층을 형성하게 됩니다. 또한 카디오리핀의 머리 부분은 음전하가 강해 수소이온(H⁺)과 쉽게 결합하며, 이때 수소이온은 단순히 결합-해리되면서 막을 자유롭게 통과하지 못하고 머리 그룹 근처에서 ‘가둬진 상태’가 되는 것입니다. 또한 네 개의 지방산 사슬 덕분에 막 내에서 카디오리핀이 다른 지질과 강한 상호작용을 하며 막 유동성을 줄이고, 더욱 두껍고 치밀한 구조를 형성하게 됩니다. 즉 카디오리핀은 미토콘드리아 내막의 호흡효소 복합체(I, III, IV, ATP 합성효소)에 결합해 안정화시키며, 이로 인해 수소이온은 효소 단백질이 만든 경로(프로톤 펌프)를 통해서만 이동 가능하도록 하여 무분별한 확산 억제됩니다. 감사합니다.