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DNA 전기영동 시에 초나선일 수록 전기영동이 잘 되는 이유는 무엇인가요?
DNA 전기영동에서 초나선(supercoiled) DNA가 직선형(linear) DNA보다 전기영동이 더 잘 되는 이유는 DNA의 형태와 전하 밀도, 그리고 마찰 저항과 관련이 있는데요, 우선 기본적으로 DNA는 인산 골격 때문에 전체적으로 음전하를 나타내기 때문에 따라서 전기영동 시 양극(+) 방향으로 이동합니다. 전기영동을 했을 때 선형의 DNA는 길고 풀린 형태로 존재 하기 때문에 아가로오스 겔 매트릭스를 통과할 때 마찰 저항이 큽니다. 반면에 환형의 DNA는 닫힌 원의 형태이고, 이중에서도 초나선형과 같은 경우에는 DNA가 자기 자신을 꼬아서 작게 압축되기 때문에 겔 매트릭스에서 이동할 때 마찰 저항이 줄어듭니다. 즉, DNA가 더 콤팩트하게 꼬여 있을수록 같은 전하량에도 불구하고 겔을 통과하기가 용이해지는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.08
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DNA가 음성초나선일 때 안정화되는 원리는 무엇인가요?
네, DNA는 기본적으로 이중나선 구조를 가지고 있으며, 나선 자체가 꼬여 있는 정도를 Linking number (Lk), Twist (Tw), Writhe (Wr)로 정의할 수 있는데요, 이때 환형 DNA에서는 양 끝이 자유롭지 않으므로 전체 연결 수 Lk가 일정하게 유지됩니다. 이때 관계식으로는 Lk = Tw + Wr로 정의할 수 있으며, 여기서 Tw는 DNA 염기쌍이 꼬인 횟수, Wr은 DNA가 공간에서 실제로 꼬인 정도(초나선)를 나타냅니다. 원핵 DNA는 보통 초나선 상태를 음성으로 유지하는데요, 음성 초나선이란 DNA 이중나선이 기본 나선보다 왼쪽으로 풀리면서 꼬인 것을 말합니다. 이 상태는 DNA 가닥을 약간 덜 꼬이게 만들어 이중나선의 국부적인 풀림이 용이하게 합니다. 음성 초나선은 DNA의 이중가닥을 풀 필요가 있는 과정인 복제와 전사 과정에서 에너지적으로 유리한데요, 우선 DNA가 음성 초나선 상태일 때 부분적인 가닥 분리가 용이하므로 헬리케이스 같은 효소가 DNA를 풀 때 에너지가 덜 필요합니다.또한, 초나선이 음성일 경우 과도한 꼬임을 완화하여 DNA 구조 전체의 안정성을 높이게 되며 토폴로이소머라아제(Topoisomerase II)는 DNA 절단과 재결합을 통해 이 음성 초나선을 생성하거나 유지함으로써 DNA 구조를 기능적 안정 상태로 조절합니다. 즉 즉, 음성 초나선은 단순히 꼬인 구조라서 안정한 것이 아니라, DNA 복제나 전사 효율과 꼬임 에너지의 최적화를 통해 세포 내에서 안정화되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.08
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왜 pH와 pOH의 합은 일정한 것인가요?
질문해주신 것처럼 pH와 pOH의 합이 일정하게 14가 되는 이유는 물 자체의 이온화 균형에서 비롯된 것인데요, 물은 극히 적은 양이지만 자기 자신과 반응하여 H⁺ 이온과 OH⁻ 이온으로 나누어지는 자가이온화 과정을 겪습니다.이때, 25°C에서 물의 이온곱 상수 Kw는 10^-14으로 유지되는데요, 즉, pH와 pOH의 합이 14로 일정한 이유는 물이 스스로 이온화하면서 생성되는 H⁺와 OH⁻ 농도의 곱이 온도 25°C에서 항상 1.0×10^-14로 일정하게 유지되기 때문입니다. 다만 온도가 바뀌면 Kw 값이 달라지므로 합도 14에서 약간 변할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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주기율표에서 1족과 2족은 어떤 특성 차이가 있나요?
질문해주신 것처럼 주기율표에서 1족 금속과 2족 금속은 모두 금속 원소로서 화학적, 물리적 성질에서 몇 가지 유사점을 가지지만, 중요한 차이점도 존재합니다.먼저 전자 구조를 보면 1족 금속, 즉 알칼리 금속은 외각에 단 하나의 전자(ns¹)를 가지고 있어 화학 반응 시 이 전자를 쉽게 잃고 +1의 양이온을 형성하는데요 반면 2족 금속, 즉 알칼리 토금속은 외각에 두 개의 전자(ns²)를 가지고 있어 +2 양이온을 형성하며, 전자를 두 개 잃어야 하기 때문에 1족에 비해 화학적 반응성이 상대적으로 낮습니다. 이 때문에 1족 금속은 물과 만나면 폭발적일 정도로 격렬하게 반응하는 반면, 2족 금속은 물과 반응할 때 반응 속도가 느리고 비교적 안정적입니다.또한 1족 금속은 밀도가 낮고 연성이 높아 손으로 자를 수 있을 정도로 부드러운 반면, 2족 금속은 상대적으로 단단하고 밀도가 높으며 녹는점도 1족보다 높습니다. 두 족 모두 금속으로서 이온 결합 화합물을 잘 형성하지만, 1족은 화학적 활성이 더 크고 폭발성이 강하며, 2족은 조금 더 안정적이라는 특징이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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18족 비활성 기체는 그 자체가 안정하여 결합을 형성하지 않는다고 배웠는데 가끔가다 결합을 형성하는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 8족 비활성 기체가 대부분 결합을 형성하지 않지만, 때때로 화합물을 이루기도 합니다. 18족 비활성 기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)는 가장 바깥 전자껍질이 가득 찬 상태, 즉 옥텟규칙을 만족하고 있습니다. 이 때문에 전자를 잃거나 얻거나 공유하지 않아도 안정하기 때문에, 대부분 화학적으로 반응하지 않는데요, 따라서 일반적인 반응에서는 에너지를 들여서 결합을 만들 필요가 없고, 반대로 결합을 깨는 에너지가 크므로 잘 반응하지 않습니다.하지만 조건이 특수한 경우에서는 반응이 일어나기도 하는데요, 높은 산화력의 상대 원소와 반응할 때입니다. 예를 들자면 Xe + F₂ → XeF₂, XeF₄, XeF₆을 이룰 수가 있는데요 이때 플루오린(F)은 전기음성도가 매우 높고, 전자를 강하게 끌어당기므로 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 또한 전기 방전, 고온, 고압 등으로 비활성 기체의 전자를 들뜨게하여, 전자가 높은 에너지 상태로 올라가게 만들어 반응 가능하게 합니다.또한 질문해주신 것처럼 XeF₄와 같은 화합물을 이룰 수 있는 이유는 Xe는 바깥 전자 8개를 갖고 있지만, 이중 껍질의 d 오비탈을 활용하여 전자를 더 많이 배치할 수 있기 때문인데요, F 원자는 전자를 끌어당겨서 Xe가 전자를 일부 공유하도록 유도합니다. 결과적으로 XeF₄처럼 평면 사각형 구조의 안정한 화합물이 형성됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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감자 삼투 현상에 대해 궁금한 점이 있습니다
우선 감자를 소금물에 넣으면 감자가 쪼그라드는데요, 감자 세포 내부에는 물과 용질(주로 전분과 소량의 무기염류)이 들어 있습니다. 이때 감자 외부의 소금물이 세포 내부보다 농도가 높으면, 물이 세포 밖으로 빠져나가면서 세포가 쪼그라듭니다. 반대로, 소금물이 세포 내부보다 농도가 낮으면, 물이 세포 안으로 들어가면서 세포가 팽창합니다. 이 과정이 바로 삼투인데요 즉, 반투과성 막을 통해 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상입니다.화학II에서 배우는 총괄성은 용액의 삼투 현상 크기와 직결되는데요, 삼투는 용질 종류가 아니라 총 용질 입자의 농도 차이가 핵심입니다. 예를 들어, NaCl 1M는 Na⁺와 Cl⁻로 쪼개져서 총 2 osmol/L 정도의 삼투압 효과를 내며, 따라서 감자를 소금물에 넣을 때 쪼그라드는 정도는 NaCl 농도와 세포 내부 용질 농도의 차이로 예측할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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아레니우스 산염기 정의가 가진 한계는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 산염기 정의는 크게 3종류로 나뉘게 되는데요, 이중에서 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 정의가 수용액 환경과 특정 반응 유형에 제한되어 있다는 점에 의한 것입니다. 아레니우스 산과 염기 정의에 의하면 산은 수용액에서 H⁺을 방출하는 물질이고 염기는 수용액에서 OH⁻을 방출하는 물질인데요, 즉, 아레니우스 정의는 물에 녹였을 때 H⁺나 OH⁻을 생성하는 것을 산과 염기로 보는 정의입니다.하지만 아레니우스 산과 염기 정의의 한계는 수용액에 한정되는데요, 아레니우스 정의는 반드시 물 용액에서만 적용 가능합니다. 예를 들어서 NH₃(암모니아)는 물에 녹아 NH₄⁺와 OH⁻을 생성하므로 염기로 간주되지만, 비수용성 용매에서는 산과 염기 반응을 설명하기 어렵습니다. 또한 아레니우스 산과 염기 정의를 따르면 OH⁻ 없는 염기 반응을 설명하지 못한다는 한계가 존재합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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알렌은 카이랄 중심이 없는데도 광학활성인 이유는?
네, 말씀해주신 것처럼 광학활성은 분자 안에 카이랄 중심, 즉 네 가지 다른 치환기를 가진 탄소가 존재할 때 나타나는데요그러나 알렌은 특수한 구조 때문에 카이랄 중심이 없어도 광학활성이 나타날 수 있습니다.알렌은 구조적으로 C=C=C 형태를 가지며, 중앙 탄소는 두 개의 이중결합을 동시에 가지고 있는데요, 이때 중앙 탄소는 sp 혼성화되어 직선형 배치를 하고, 양쪽 말단 탄소는 각각 sp² 혼성화되어 두 개의 이중결합 평면을 형성합니다. 즉, 알렌에서는 두 개의 π결합이 서로 수직한 평면에 놓이게 되는데요, 앞쪽 말단의 두 치환기들은 하나의 평면에 위치하고 있으며 뒤쪽 말단의 두 치환기들은 그 평면에 직교하는 다른 평면에 위치합니다. 이때 만약 알렌의 양 끝에 붙어 있는 두 쌍의 치환기가 각각 서로 다른 종류라면 두 평면에 위치한 치환기들의 배치는 서로 겹칠 수 없는 거울상 이성질체를 만들게 되는데요, 이 경우 분자가 광학활성을 보이는 이유는 중심 원자에 네 치환기가 다르기 때문이 아니라, 전체 분자의 3차원적 배열이 비대칭이기 때문입니다. 이를 축 카이랄성이라고 부릅니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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일반적으로 가정에서 사용하는 제습제는 재활용 가능한가요?
말씀해주신 것처럼 시중에서 흔히 쓰이는 가정용 제습제의 주요 성분은 염화칼슘(CaCl₂)인데요 이 물질은 강한 흡습성을 가지고 있어서 공기 중의 수분을 흡수하여 염화칼슘 수용액 형태로 변합니다. 여기서 중요한 점은, 이 과정이 단순히 물을 빨아들이는 것이 아니라 화학적으로 용해되는 과정이라는 점입니다.즉, 염화칼슘 고체가 공기 중 수분을 흡수하면, 점점 물에 녹아 액체 용액이 되는데요, 따라서 햇빛에 말리거나 드라이어를 사용해도 원래의 고체 염화칼슘으로 되돌아가지 않습니다. 또한 염화칼슘을 고체로 되돌리려면 수분을 증발시켜야 하는데, 이 과정에서 고온이 필요하며 가정용 드라이어나 햇볕 정도로는 불가능하고, 설령 고온에서 수분을 제거해도 순수한 염화칼슘 결정으로 회수하는 것은 실험실 장비가 필요합니다. 따라서 이미 수분을 흡수한 염화칼슘 용액은 제습 용도로 재사용하기 어렵습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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이산화탄소와 물 분자 구조의 차이에서 비롯되는 극성 여부는 어떤 점이 다른가요?
말씀해주신 것처럼 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)은 모두 원자들 사이의 공유결합으로 이루어진 분자이며, 각각 산소의 전기음성도가 높아 결합 자체는 모두 극성 결합을 형성하는데요, 하지만 전체 분자가 극성을 가지는지는 분자의 기하학적 구조에 따라 달라지게 됩니다.우선 이산화탄소는 직선형 구조의 분자이며, O=C=O의 구조식을 가지고 있고산소 원자 두 개가 탄소를 중심으로 180°로 배치됩니다. 즉 이때 각 C=O 결합은 극성을 띠지만, 두 벡터가 정반대 방향으로 대칭적으로 존재하기 때문에 서로 상쇄되며 따라서 분자 전체는 비극성 분자에 해당합니다.반면에 물 분자의 경우에는 굽은 형태를 이루고 있으며 이때 결합각이 약 104.5°입니다. 물 분자의 경우에는 산소가 중심에 있고, 수소 두 개가 산소의 비공유 전자쌍 때문에 벌어진 V자 형태를 이루고 있으며 각 O–H 결합이 극성을 띠며, 이 벡터들이 대칭적으로 상쇄되지 않습니다. 그 결과 분자 전체는 극성을 나타내게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.07
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