안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 발열 반응은 온도를 올렸을 때 평형 상수가 감소하게 되는데 이를 동역학적으로는 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 반응물보다 생성물의 에너지가 더 낮아지는 발열 반응에서 온도가 올라갈 때 평형 상수 K가 감소하는 현상은 열역학적으로는 르 샤틀리에 원리로 설명할 수 있지만, 이를 동역학적 관점에서 이해할 수도 있습니다. 발열 반응에서는 생성물이 반응물보다 에너지가 낮고, 반응 과정에서 열을 방출하는데요, 이를 열역학적으로 이해해보자면 온도가 올라가면 반응계에 추가적인 열 에너지가 공급되는데 발열 반응에서는 열을 생성물로 방출하므로, 시스템이 추가 열을 흡수하려고 역반응을 촉진하게 되는 것입니다. 결과적으로 정상 상태에서 생성물 농도가 감소하고 평형 상수 K가 감소하게 됩니다.다음으로 동역학적 관점에서는 반응 속도 상수(k)를 통해 설명할 수 있는데요, 온도가 올라가면 모든 속도 상수가 증가하지만, 활성화 에너지 Ea가 큰 반응에서 더 크게 증가합니다. 이때 발열반응에서는 역반응의 활성화에너지가 더 크기 때문에 역반응 속도가 전방 반응 속도보다 더 크게 증가합니다. 이로 인해 평형점에서 생성물 농도가 줄어들면서 평형 상수 K가 감소하며 따라서 동역학적으로도 온도가 올라가면 평형이 역반응 쪽으로 이동한다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 속도 상수를 구하기 위한 초기 속도법과 적분법의 차이점은 무엇인가요?
안녕하세요. 반응 속도 상수 k를 실험적으로 구할 때 사용하는 초기 속도법과 적분법은 접근 방식과 장단점이 다르다고 할 수 있습니다. 우선 초기 속도법의 경우에는 반응 초기에 기질 농도가 거의 변하지 않은 상태에서 사용하며, 초기 속도는 반응 속도식에 단순하게 적용할 수 있어, 속도 상수 k를 쉽게 추정할 수 있습니다. 즉 측정 시점은 반응 시작 직후, 기질 변화가 거의 없는 순간이며, 초기 조건이 단순하므로 단순한 수식 적용 가능하다는 장점이 있으나 정확한 초기 속도를 측정해야 하므로 정밀한 시점 관찰이 필요합니다.다음으로 적분법이란 반응이 진행되는 동안 전체 농도 변화를 시간 함수로 기록하고, 반응 속도식을 적분하여 계산하는 방식인데요, 즉, 시간 t에 따른 농도 [A]를 측정하고 적분된 반응 속도 식을 사용해 선형 그래프를 그리거나 방정식을 풀어 k를 구합니다. 반응 전 구간, 초기부터 일정 시간 동안 농도 변화를 측정하는 것이며, 초기 속도를 정확히 측정하기 어렵더라도 사용 가능하다는 장점이 있지만, 전체 농도 변화를 측정해야 하므로 시간과 시료가 필요하다는 단점이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 원핵생물의 전사 종결 방식인 로우 의존성 종결과 비의존성 종결의 특징은 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 원핵생물의 전사 종결은 RNA 중합효소가 mRNA 합성을 끝내고 DNA에서 떨어져 나오는 과정인데, 크게 ρ 인자 의존성 종결과 ρ 인자 비의존성 종결로 나눌 수가 있습니다. 먼저 의존성 종결과정은 RNA에 특정 rut서열이 존재하는데, ρ 단백질이 이 rut 서열에 결합하고 RNA를 따라 이동하면서 RNA-DNA 복합체를 따라잡고 RNA 중합효소에 도달하면 RNA-DNA 복합체를 분리시켜 전사를 종료시키는 방식입니다. 다음으로 비의존성 종결과정은 RNA에 GC-rich 반복 서열이 존재하여 전사되면 RNA가 자기상보적 줄기-고리(stem-loop) 구조를 형성하는데 그 뒤에 U-rich 서열이 따라오며, RNA-DNA 상보성이 약해진 상태가 되고, RNA 중합효소가 이 구조에 도달하면 약한 U-A 결합과 줄기-고리 구조 때문에 RNA가 떨어져 나가는 방식입니다. 이때 ρ 의존성 종결은 단백질 헬리케이스가 필요하고, 주로 조절적인 기능을 수행한다면, ρ 비의존성 종결은 RNA 서열과 구조 자체로 종결하며, 효율적이고 일반적인 방식이라는 특징이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 RNA에 존재하는 인트론의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것처럼 진핵생물의 pre-mRNA는 엑손과 인트론으로 구성되어 있으며, 전사 후 스플라이싱을 거치면 인트론이 제거되고 성숙 mRNA에는 엑손만 남습니다. 인트론은 단백질 비암호화 서열이지만 여러 중요한 역할을 담당하고 있는데요, 우선 유전자 발현의 다양성을 확보합니다. 하나의 유전자에서 인트론을 포함한 다양한 스플라이싱 패턴을 통해 서로 다른 단백질 동형체를 만들어낼 수 있는데요 예를 들어, 인간에서는 전체 유전자의 수인 약 20,000~25,000개에 비해 훨씬 다양한 단백질이 생성되는데, 이는 대체 스플라이싱 덕분입니다.또한 인트론 내부에도 전사 조절 서열이 포함되어 있어, 해당 유전자의 발현 수준과 시기를 조절하는 데 기여할 수 있으며 인트론이 길면 전사에 시간이 오래 걸리므로 유전자의 발현 속도를 조절하는 역할도 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 특수 전사인자의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 진핵생물의 전사 과정에서 특수 전사인자는 특정한 유전자에서 발현 여부와 수준을 정밀하게 조절하는 역할을 하며, 이외에 모든 세포들이 가지고 있는 보편 전사인자가 RNA 중합효소 II가 프로모터의 핵심 서열(TATA box)에 결합해 기본적인 전사 개시를 가능하게 한다면, 특수 전사인자는 그 위에 덧붙여서 어떤 세포에서, 어떤 시기에, 어떤 강도로 전사가 일어날지를 결정하게 되는 것입니다.특수 전사인자는 세포 종류에 따라 발현 양상이 달라지는데요 예를 들어, 간세포에는 간 특이적 전사인자인 HNF가, 근육세포에는 MyoD 같은 전사인자가 존재하며, 이들이 해당 조직에서만 특정 유전자의 발현을 유도하여 조직의 기능과 정체성을 부여합니다. 또한 보편 전사인자가 주로 핵심 프로모터에 작용하는 반면, 특수 전사인자는 enhancer, silencer, upstream element 등 DNA의 다양한 조절 서열에 결합하는데요 이로써 전사 개시 복합체의 형성 여부와 효율이 크게 달라지게 됩니다. 즉, 특수 전사인자는 진핵세포가 환경 자극에 반응하고, 세포 분화 상태를 유지하며, 다세포 생물에서 조직별 특성을 발휘하도록 만드는 역할을 수행하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물에서 조직 특이적 유전자 발현이 나타날 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 진핵생물은 모든 세포가 동일한 유전체를 가지고 있는 유전적 등가성을 특징으로 갖고 있지만 세포가 하는 역할 및 종류에 따라 발현하는 유전자가 달라집니다.우선 특정 조직에서만 발현되거나 활성화되는 단백질이 존재하는데요, 예를 들어서 근육세포의 MyoD, 간세포의 HNF가 있으며 해당 조직에서 특정 유전자 발현을 촉진합니다. 또한 DNA에 존재하는 조절 서열은 전사 인자와 결합하여 전사 여부를 결정하는데요, 같은 유전자가 있더라도, 어떤 세포에서 어떤 전사 인자가 활성화되어 enhancer에 결합하느냐에 따라 발현 여부가 달라집니다.이외에도 후성유전학적 조절을 하게 되는데요, 대표적인 방식이 'DNA 메틸화'인데, 이는 특정 프로모터 부위의 DNA에 메틸기가 붙으면 전사가 억제되는 것으로 조직마다 메틸화 패턴이 달라서 발현되는 유전자가 달라집니다. 또한 히스톤 단백질의 아세틸화, 메틸화 여부에 따라 염색질이 열리거나 닫히게 되고, 전사가 가능해지거나 불가능해지며 이 역시 세포 유형별로 다르게 조절됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 고양이과 동물은 영역표시를 어떻게 하나요
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 고양이과 동물의 영역 표시 방식은 개와는 유사하면서도 중요한 차이가 있습니다. 고양이, 사자, 호랑이, 표범 등의 고양이과 동물은 대체로 단독 생활을 하기 때문에 영역 표시는 생존에 매우 중요한 역할을 하는데요, 대표적인 영역 표시 방식으로는 소변을 분사하는 방법이 있습니다. 꼬리를 세우고 뒷다리를 떨면서 벽, 나무, 바위 등에 소량의 농축된 소변을 분사하는데요 소변에는 페로몬과 강한 냄새가 포함되어 있어 다른 개체에게 성별, 발정 상태, 개체의 존재를 알립니다. 또한 몸을 비비는 행동을 할 수도 있는데요, 얼굴, 뺨, 꼬리 기저부의 피지샘에서 나오는 냄새를 물체나 동료에게 문질러 흔적을 남기며 특히 집고양이가 가구나 사람에게 몸을 비비는 것도 영역 표시 및 친화적 신호라고 할 수 있습니다. 반면에 개과 동물은 무리 생활을 하는 종이 많아, 소변 마킹과 배설물 덮기를 통한 집단적 영역 표시에 의존하는 경우가 많습니다. 하지만 고양이과 동물은 대부분 단독 생활을 하므로, 더 은밀하고 다양한 화학 및 시각 신호를 사용하는데요 즉, 개는 여기 우리 무리가 있다는 집단적 표식이 강하고, 고양이는 여기는 내 구역이다라는 개인적 표식을 강조하는 것이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 인간 외의 동물들은 인간들보다 질병의 수가 적나요?
안녕하세요. 현재 의학적으로 분류된 인간 질환은 만여 종 이상인데요 감염병, 유전병, 대사성 질환, 자가면역질환, 신경정신질환, 암 등 다양하게 세분화되며 인간은 장수하는 특성과 정밀한 진단 시스템 때문에 질병 종류가 매우 세밀히 기록됩니다. 실제로 이들 동물도 사람과 유사한 감염병, 기생충, 암, 퇴행성 질환을 겪습니다. 하지만 야생에서는 세밀한 진단이나 장기 추적이 불가능하므로 질병의 수가 적게 보일 뿐, 실제로는 상당히 많은 질병이 존재합니다. 예를 들어서 고릴라는 인간과 유사한 호흡기 감염, 심혈관질환, 위장 질환, 기생충 감염을 겪고, 사자는 치주질환, 결핵, 바이러스 감염, 기생충을 겪습니다. 인간과 다른 동물에서 차이를 만드는 요인으로는 수명 차이가 있는데요, 인간은 의료과 위생의 발달로 수명이 길어지면서 암, 퇴행성 뇌질환, 대사질환과 같은 노화와 관련된 질환이 크게 늘었습니다. 반면에 야생 동물은 병이 나타나기도 전에 포식, 굶주림, 상처 등으로 사망하는 경우가 많아, 노인성 질환 비중이 낮아 보일 수 있습니다. 또한 인간은 가공식품, 고칼로리 식단, 음주 및 흡연 등으로 생활습관과 관련된 비만, 당뇨, 고혈압, 동맥경화가 많은데요, 반면 야생 동물은 자연적인 먹이를 먹기 때문에 대사질환은 적지만, 기생충 감염, 상처 감염, 영양 결핍 같은 문제가 더 흔합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 단일클론 항체는 어떠한 방식으로 제작할 수 있는 것인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 단일클론 항체는 특정한 항원에만 선택적으로 결합하는 항체를 인위적으로 만들어낸 것으로, 현대 바이오의약품 연구와 항암치료의 핵심 기술 중 하나입니다. 단일클론 항체는 기본적으로 한 종류의 B세포가 생산하는 항체만 증식시켜 얻는데요, 가장 전통적이면서 현재까지도 널리 활용되는 방식은 하이브리도마 기술입니다. 우선 실험용 쥐에 암세포 표면 단백질과 같은 특정 단백질을 항원으로 주입하여 면역 반응을 유도하는데요, 이때 쥐의 비장에서 해당 항원을 인식하는 B세포가 활성화됩니다. 이후 비장에서 채취한 B세포를 종양성 세포와 융합시키는데, 이렇게 하면 항체를 생산하면서도 무한히 분열할 수 있는 하이브리도마 세포가 만들어집니다. 이후 하이브리도마 세포 중에서 원하는 항체를 생산하는 세포만 선별하여 단일 클론으로 배양하는데요, 선택된 하이브리도마 클론을 세포배양 시스템에서 대량으로 배양하여 단일클론 항체를 얻습니다.이렇게 생성한 단일클론 항체는 암세포를 선택적으로 공격하거나 면역 반응을 조절하는 데 사용할 수 있는데요, 우선 암세포 표면의 특정 단백질인 HER2, EGFR에 결합하여 암세포의 성장 신호를 차단할 수 있으며 예시로는 트라스투주맙이라고 하는 HER2 양성 유방암 치료제가 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 공룡 무리를 분석했을 때 왜 수각류 쪽에 육식이 더 많았나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 공룡 무리를 골반 구조에 따라 용반목과 조반목으로 나누는 것은 형태학적 구분이지 곧바로 식성을 결정짓는 기준은 아닌데요, 그럼에도 불구하고 실제 화석 기록을 보면 육식성 또는 잡식성 공룡은 주로 수각류에 몰려 있고, 용각류는 대체로 초식, 조반목 공룡은 거의 전부 초식인 것으로 나타납니다. 우선 수각류는 상대적으로 가벼운 몸, 날카로운 발톱, 앞을 향한 눈, 큰 턱과 톱니 모양의 치아를 진화시켰는데요, 이는 명백히 육식에 최적화된 형태학적 장치이고, 초기부터 이 그룹이 작은 포식자 역할을 담당하면서 생태적 지위를 굳혔습니다. 또한 잡식류로 알려진 오르니토미무스류, 테리지노사우루스류 같은 계통도 결국 수각류에서 파생되었으니, 기본적으로 육식 포식자 틀에서 다양한 변화를 거친 셈입니다.다음으로 중생대 생태계는 현대 초식, 육식 포유류의 관계처럼 대규모 초식 공룡과 이를 압박하는 소수 포식 공룡 구도로 유지되었는데요 용각류와 조반목은 몸집을 키워 식물 자원을 대량 섭취하는 전략을 택했는데, 이렇게 거대한 초식 공룡이 많아지면 자연스럽게 포식자 무리도 필요했습니다. 그 포식자 역할을 전담한 계통이 수각류였기 때문에, 화석에서 육식 흔적이 수각류 중심으로 발견된 것입니다. 감사합니다.