답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.머리카락의 모양을 인위적으로 바꾸는 파마의 핵심 원리는 단백질 구조를 유지하는 가장 강력한 결합인 이황화 결합을 화학적으로 조절하는 데 있습니다. 우리 머리카락은 케라틴이라는 단백질로 이루어져 있으며, 단백질 사슬 사이에는 황 원자 두 개가 서로 손을 잡고 있는 이황화 결합이 다리 역할을 하며 형태를 고정합니다.​파마의 첫 번째 단계는 1제로 불리는 환원제를 바르는 과정입니다. 환원제에는 주로 티오글리콜산 같은 수소 원자를 풍부하게 가진 물질이 포함되어 있습니다. 이 환원제가 머리카락에 침투하면 견고하게 맞물려 있던 황 원자 사이의 이황화 결합에 수소를 공급합니다. 수소를 얻은 황 원자들은 서로의 손을 놓고 각자 히드로설파이드기(-SH)로 변하게 되는데, 이를 화학적으로 환원 반응이라고 합니다. 이 단계에서 머리카락은 결합이 끊어져 마치 찰흙처럼 유연한 상태가 되며, 이때 롯드를 이용해 원하는 모양으로 구부려 줍니다.​모양을 잡은 후에는 2제인 산화제를 사용합니다. 산화제는 보통 과산화수소와 같이 산소를 포함한 성분으로 이루어져 있습니다. 산화제가 투입되면 환원 단계에서 황 원자들이 붙잡고 있던 수소 원자들을 산소가 빼앗아 물로 만들어 제거합니다. 수소를 잃은 황 원자들은 다시 서로를 찾아 새로운 위치에서 이황화 결합을 재형성하게 되며, 이를 산화 반응이라고 합니다. 결국 수소를 주고받는 환원과 산화의 연쇄 작용을 통해 머리카락은 롯드에 의해 변형된 새로운 형태를 영구적으로 기억하며 고정되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.좀약으로 쓰이는 나프탈렌이 액체 과정을 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화 현상은 그 독특한 분자 구조와 그로 인해 발생하는 약한 인력에서 원인을 찾을 수 있습니다. 나프탈렌은 두 개의 벤젠 고리가 나란히 붙어 있는 평면적인 구조를 가진 대표적인 무극성 분자입니다. 분자 전체에 전하가 고르게 분포되어 있어 물분자처럼 어느 한쪽이 플러스나 마이너스 전기를 띠는 극성이 거의 나타나지 않습니다.​이처럼 무극성 성질을 가진 나프탈렌 분자들 사이에서 작용하는 유일한 힘은 분산력입니다. 분산력은 전자가 순간적으로 한쪽으로 치우칠 때 발생하는 아주 일시적이고 미약한 인력입니다. 나프탈렌은 분자 구조가 매우 대칭적이고 안정적인 평면 형태를 유지하고 있어 분자끼리 서로 강하게 붙들 수 있는 전기적 인력이 형성되기 매우 어려운 조건입니다.​결과적으로 분자들을 단단히 잡아주는 힘이 워낙 약하다 보니 실온 정도의 낮은 에너지에서도 분자 간의 결합이 쉽게 끊어지게 됩니다. 고체 상태의 나프탈렌 분자들이 공기 중으로 바로 튀어나가 기체가 되기 쉬운 환경이 조성되는 것입니다. 옷장 속에 넣어둔 좀약이 시간이 흐를수록 눈에 띄게 작아지는 것은 나프탈렌의 이러한 무극성 구조가 만들어낸 약한 분자 간 인력 때문에 끊임없이 승화가 일어나고 있음을 보여주는 증거입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.격렬한 운동 시 우리 몸은 급격히 필요한 에너지를 확보하기 위해 포도당을 분해합니다. 이때 산소가 충분히 공급되지 않는 급박한 상황이 되면 세포는 산소 없이 에너지를 만드는 무산소 호흡인 젖산 발효를 시작합니다. 포도당이 분해되어 만들어진 피루브산은 산소가 부족하여 미토콘드리아로 들어가지 못하고 세포질 내에서 젖산 탈수소효소의 도움을 받아 젖산으로 전환됩니다. 이 과정은 에너지를 생성하는 중간 단계에서 필요한 분자를 빠르게 재생산하여 근육이 멈추지 않고 활동을 이어가게 하는 비상 발전기 역할을 합니다.​화학적 구조를 보면 젖산은 중심 탄소에 세 가지 특징적인 구조가 결합해 있습니다. 먼저 산성을 띠게 하는 카르복실기와 알코올의 성질을 가진 히드록시기가 나란히 붙어 있으며 나머지는 메틸기가 차지하고 있습니다. 여기서 카르복실기는 수소 이온을 방출하는 성질이 있어 근육 속에 젖산이 쌓이면 주변 환경이 산성으로 변하게 됩니다.​운동 후 느끼는 근육의 뻐근함은 바로 이 산성도 변화와 관련이 깊습니다. 근육 내 pH 수치가 낮아지면 근육 수축을 돕는 효소들의 기능이 떨어지고 신경계가 자극받아 통증이나 피로를 느끼게 됩니다. 비록 근육을 불편하게 만들지만 젖산은 휴식 과정에서 다시 간으로 이동해 포도당으로 합성되거나 에너지원으로 재활용되는 효율적인 대사 물질이기도 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.카페인이 우리 몸에서 잠을 쫓고 정신을 맑게 하는 비결은 뇌 속의 수면 조절 물질인 아데노신을 완벽하게 속이는 위장 전술에 있습니다. 우리 뇌는 활동을 하면 할수록 아데노신이라는 물질이 생성되어 아데노신 수용체와 결합하게 되는데, 이 결합이 일어나면 뇌는 피로를 느끼고 잠을 자야 한다는 신호를 보냅니다.​카페인이 각성 효과를 내는 핵심적인 이유는 바로 아데노신과 분자 구조가 매우 닮았기 때문입니다. 아데노신 분자의 핵심 구조인 이중 고리 형태의 푸린 염기는 카페인의 중심 구조와 육안으로 보아도 흡사한 형태를 띠고 있습니다. 이러한 구조적 유사성 덕분에 카페인은 아데노신 수용체의 결합 부위에 마치 제 열쇠인 것처럼 딱 맞게 들어갈 수 있습니다.​우리가 커피를 마시면 카페인은 혈액을 타고 뇌로 이동하여 진짜 주인인 아데노신보다 먼저 수용체 자리를 차지해 버립니다. 이를 화학적으로는 경쟁적 저해라고 부릅니다. 카페인이 수용체에 대신 결합해 자리를 선점하고 있으면 정작 피로 신호를 전달해야 할 아데노신은 갈 곳을 잃게 됩니다.​결과적으로 수용체는 카페인과 결합해도 수면 신호를 발생시키지 않기 때문에 뇌는 실제로는 피곤한 상태임에도 불구하고 피로를 인지하지 못하게 됩니다. 즉 카페인은 뇌를 직접 자극하여 에너지를 만드는 것이 아니라 피로 신호가 전달되는 통로를 구조적 유사성을 이용해 일시적으로 차단함으로써 우리가 깨어 있는 것처럼 느끼게 만드는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.아스피린의 탄생은 천연 물질의 단점을 화학적 변형으로 극복한 대표적인 사례입니다. 버드나무 껍질에서 추출한 살리실산은 통증을 완화하고 열을 내리는 효과가 탁월하지만, 분자 내에 존재하는 페놀성 히드록시기가 강한 산성을 띠어 위벽을 자극하고 심한 복통이나 구토를 유발하는 치명적인 단점이 있었습니다.​화학자들은 이러한 부작용을 해결하기 위해 살리실산의 구조 중 위장 장애의 주원인이 되는 히드록시기를 공략했습니다. 히드록시기에 아세트산 유도체를 반응시켜 '아세틸기로 치환하는 아세틸화 반응을 진행한 것입니다. 이 과정을 거치면 살리실산은 아세틸살리실산, 즉 우리가 아는 아스피린으로 변하게 됩니다.​이렇게 작용기를 변화시키면 분자의 성질이 크게 달라집니다. 자극성이 강했던 히드록시기가 아세틸기로 바뀌면서 산성이 약해지고 위 점막에 주는 직접적인 타격이 줄어들게 됩니다. 흥미로운 점은 이렇게 변형된 아스피린이 몸속으로 흡수된 뒤 다시 원래의 살리실산 성분으로 분해되어 약효를 발휘한다는 것입니다. 결국 아세틸기는 약이 위장을 통과할 때까지 독성을 숨겨주는 일종의 보호막 역할을 수행하여 더 안전하게 치료 효과를 누릴 수 있도록 해줍니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.유기 용제가 기름때를 제거하는 과정을 이해하려면 먼저 분자 사이의 친밀함을 결정하는 성질인 극성을 살펴봐야 합니다. 우리 주변의 물질은 크게 물과 잘 섞이는 극성 물질과 기름과 잘 섞이는 비포함성 또는 무극성 물질로 나뉩니다. 상분별의 원리는 분자 구조나 성질이 서로 비슷한 것끼리 잘 섞이고 용해된다는 화학적 법칙을 의미합니다.​일반적으로 우리가 입는 옷에 묻는 오염물 중 피지나 식용유, 화장품 등은 대부분 무극성 성질을 띠는 기름때입니다. 물은 대표적인 극성 용매이기 때문에 무극성인 기름 분자와 서로 밀어내는 성질이 있어 일반적인 물세탁만으로는 이러한 오염을 깨끗이 제거하기 어렵습니다.​반면 드라이클리닝에 사용하는 용제는 석유계 화합물이나 퍼클로로에틸렌 같은 유기 화합물로, 이들은 기름과 똑같은 무극성 성질을 가지고 있습니다. 세탁기에 옷을 넣고 유기 용제를 투입하면, 용제 분자들이 옷감 사이에 스며든 기름때 분자들을 자기와 비슷한 친구로 인식하여 강하게 끌어당깁니다.​이 과정에서 유기 용제 분자들이 기름때 분자들 사이를 비집고 들어가 결합을 끊어내고, 기름 성분을 용제 안으로 녹여내어 함께 씻겨 내려가게 만듭니다. 결국 상분별 원리에 따라 성질이 같은 유기 용제가 기름을 선택적으로 녹여냄으로써 물을 사용하지 않고도 옷감을 보호하며 오염을 효과적으로 제거하게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.튀김 요리에 쓰인 기름이 시간이 지나며 고약한 냄새를 풍기고 변질되는 산패 현상은 분자 수준에서 일어나는 격렬한 산화 반응의 결과입니다. 식물성 기름에 풍부한 불포화 지방산은 탄소와 탄소 사이에 이중 결합을 가지고 있는데, 이 지점이 바로 산패가 시작되는 화학적 급소와 같습니다.​이중 결합은 단일 결합에 비해 화학적으로 불안정하며 주변의 산소와 반응하려는 성질이 매우 강합니다. 특히 요리 과정에서 가해진 높은 열이나 빛, 그리고 조리 기구에서 유래한 미량의 금속 성분들은 산소가 이중 결합 부위를 공격하도록 부추기는 촉매 역할을 합니다. 산소가 이중 결합에 달라붙으면 분자 구조가 뒤틀리며 연쇄 반응이 일어나고, 결국 거대한 지방산 사슬이 조각조각 부서지게 됩니다.​이 과정에서 알데하이드나 케톤 같은 작은 크기의 휘발성 화합물들이 생성되는데, 이것들이 바로 코를 찌르는 산패취의 주범입니다. 또한 부서진 분자들은 서로 불규칙하게 엉겨 붙어 기름의 점도를 높이고 색을 탁하게 만듭니다. 신선했던 기름의 유연한 분자 사슬이 산소의 공격을 받아 불쾌한 냄새를 내는 독성 물질로 변모하는 셈입니다.​결국 산패란 산소가 지방산의 약점인 이중 결합을 파고들어 에너지가 높은 상태의 불안정한 구조를 무너뜨리는 과정입니다. 이렇게 구조가 파괴된 기름은 영양소가 파괴될 뿐만 아니라 우리 몸속에서 세포를 공격하는 유해한 산화 스트레스를 유발할 수 있으므로, 보관 시에는 산소와의 접촉을 피하고 빛과 열로부터 차단하는 것이 무엇보다 중요합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.생수병의 재료인 PET가 재활용에 유리한 열가소성을 띠는 이유는 그 거대한 분자들이 서로 결합한 방식에서 찾을 수 있습니다. PET는 에틸렌글리콜과 테레프탈산이라는 두 물질이 반복적으로 만나 에스테르 결합을 형성하며 길게 이어진 선형 고분자 화합물입니다.​열가소성의 핵심은 이 긴 사슬 모양의 분자들이 열에 어떻게 반응하느냐에 달려 있습니다. PET의 분자들은 마치 아주 긴 실타래처럼 서로 엉켜 있는데, 이 사슬 사이에는 강한 화학적 공유 결합이 아닌 상대적으로 약한 분자 간 인력이 작용하고 있습니다. 따라서 열을 가하면 분자들의 운동 에너지가 커지면서 이 약한 인력을 끊고 사슬들이 서로 미끄러지듯 움직일 수 있는 유동성을 갖게 됩니다.​이 과정에서 PET는 딱딱한 고체에서 흐물거리는 액체 상태로 변하며, 이를 틀에 부어 굳히면 새로운 형태를 만들 수 있습니다. 특히 PET의 에스테르 결합은 구조적으로 매우 규칙적이기 때문에 열을 가해 녹였다가 다시 식힐 때 분자들이 차곡차곡 쌓이며 본래의 물리적 성질을 잘 회복하는 편입니다.​결국 PET가 열가소성을 띠는 것은 거대 분자들이 그물처럼 단단히 묶여 있지 않고 독립적인 선형 사슬 구조를 유지하고 있기 때문입니다. 이러한 구조적 특징 덕분에 우리는 폐페트병을 녹여 다시 새로운 병을 만들거나 가느다란 섬유로 뽑아내어 옷을 만드는 등 효율적인 자원 순환을 실현할 수 있습니다. 수없이 반복해서 모양을 바꿀 수 있는 PET의 유연함은 바로 이 길고 곧은 분자 사슬의 자유로운 움직임에서 비롯된 결과입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.식물성 기름인 불포화 지방을 고체 상태로 만드는 과정에서 탄생하는 트랜스 지방이 위험한 이유는 그 분자 구조가 자연계의 일반적인 지방과는 다른 기형적인 형태를 띠기 때문입니다. 본래 액체 상태인 식물성 기름은 탄소 이중 결합을 중심으로 수소 원자들이 같은 방향에 놓인 시스 구조를 가집니다. 이 구조는 분자 사슬을 꺾이게 만들어 분자 간의 결합을 방해하고 액체 상태를 유지하도록 돕습니다.​하지만 보관과 운반이 쉽도록 수소를 강제로 첨가하면 이중 결합의 수소들이 서로 엇갈린 방향에 위치하는 트랜스 구조로 변하게 됩니다. 이때 굽어있던 분자 사슬이 포화 지방처럼 직선 형태로 꼿꼿하게 펴지는데, 바로 이 직선적인 구조가 건강에 악영향을 미치는 핵심 요인이 됩니다. 우리 몸의 효소들은 자연 상태의 굽은 분자 구조에는 익숙하지만, 포화 지방의 외형을 흉내 내면서도 화학적으로는 불포화 상태인 이 인공적인 직선 구조를 제대로 처리하지 못합니다.​결국 트랜스 지방은 포화 지방보다 혈액 내에서 더 안정적으로 결합하여 혈관 벽에 쉽게 쌓이게 됩니다. 이는 나쁜 콜레스테롤 수치를 높일 뿐만 아니라 좋은 콜레스테롤의 활동까지 방해하여 심혈관 질환의 위험을 극대화합니다. 겉모습은 포화 지방의 안정적인 직선 구조를 닮았지만 실제로는 우리 대사 체계가 감당할 수 없는 변종 구조라는 점이 트랜스 지방이 가진 치명적인 함정이라고 할 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.아스파탐은 설탕보다 훨씬 적은 양으로도 강렬한 단맛을 내는 감미료로, 그 구조를 들여다보면 두 개의 아미노산인 아스파트산과 페닐알라닌이 연결된 펩타이드 결합 형태를 띠고 있습니다. 이 펩타이드 결합은 아미노산의 카복실기와 아미노기가 만나 물 분자가 빠져나가며 형성되는 일종의 단백질 사슬과 같습니다. 이러한 특정 입체 구조가 우리 혀의 단맛 수용체와 정교하게 들어맞기 때문에 아주 소량만으로도 설탕과 유사한 단맛의 신호를 뇌에 전달할 수 있습니다.​하지만 아스파탐은 열에 매우 취약하다는 치명적인 단점이 있습니다. 아스파탐의 골격을 유지하는 펩타이드 결합과 에스테르 결합은 고온의 열에너지를 받으면 쉽게 끊어지는 성질이 있기 때문입니다. 열에 의해 분자 구조가 본래의 형태를 잃고 개별 아미노산 등으로 분해되면, 단맛 수용체와 결합하던 기능이 사라져 단맛을 더 이상 낼 수 없게 됩니다.​따라서 아스파탐은 고온에서 굽거나 끓이는 요리에 사용하기 어렵습니다. 조리 과정에서 열을 가하면 감미료로서의 효능이 금방 사라지기 때문입니다. 이런 이유로 아스파탐은 주로 가열 공정이 없는 탄산음료나 유제품, 또는 조리가 모두 끝난 뒤에 첨가하는 방식의 가공식품에 주로 활용됩니다. 효율적인 단맛을 가졌음에도 열이라는 환경 변화에 민감하게 반응하는 단백질 조각의 특성이 그대로 반영된 결과입니다.