안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 아레니우스 식에서 충돌 빈도 인자와 활성화 에너지는 각각 분자 충돌 과정에서 어떠한 의미를 지니나요?
안녕하세요. 말씀해주신 아레니우스 식은 반응 속도상수 k를 설명하는 데 핵심적인 식이며, 여기서 충돌 빈도 인자(A)와 활성화 에너지(Ea)는 분자 충돌 과정의 물리적 특성을 잘 나타냅니다.충돌 빈도 인자는 단순히 분자들이 얼마나 자주 충돌하는지를 나타내는 값인데요, 단순 충돌 횟수뿐 아니라, 충돌이 올바른 방향으로 일어날 확률까지 포함하는 개념입니다. 분자적 수준에서 기체 분자라면 평균 속도, 분자 직경, 농도 등이 충돌 빈도에 직접 영향을 주며 예를 들어 두 분자가 반응하기 위해서는 단순히 부딪히는 것만으로는 부족하고, 활성화된 부분끼리 올바른 각도로 충돌해야 결합이 형성됩니다. 다음으로 활성화 에너지는 분자들이 실제로 반응하기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽을 말하는 것인데요, 분자들이 충돌했을 때, 충분한 운동에너지를 가진 경우에만 기존 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성될 수 있기 때문에 즉, Ea가 높을수록 반응이 잘 일어나지 않고, 낮을수록 충돌이 실제 반응으로 이어질 가능성이 커집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 항체의 중쇄와 경쇄는 어떻게 결합을 이루는 것인가요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 것처럼 항체는 단백질의 대표적인 4차 구조를 가진 분자로, 두 개의 중쇄와 두 개의 경쇄가 결합하여 하나의 Y자 모양 구조를 형성하는데요, 이때 중쇄와 경쇄가 결합하는 방식은 크게 이황화결합과 비공유적 상호작용으로 이루어집니다. 각 경쇄는 한 개의 중쇄와 결합하여 Fab 구조를 만드는데요, 이 결합은 공유결합과 비공유결합이 모두 관여합니다. 우선 이황화결합이란 시스테인 잔기의 황 원자 사이에서 형성되는 공유결합이며 중쇄와 경쇄 사이, 그리고 중쇄와 중쇄 사이를 안정적으로 연결하는 데 핵심 역할을 합니다. 다음으로 각종 비공유적 상호작용도 관여하는데요, 수소결합, 소수성 상호작용, 이온결합 등이 작용하여 중쇄와 경쇄가 맞물린 형태를 유지하게 되며 특히 가변 영역(VH와 VL)이 항원 결합부위를 형성할 때, 정밀한 상보성은 이러한 비공유적 힘에 의존합니다.또한 항체의 ‘Y자 몸통’ 부분(Fc 영역)은 두 개의 중쇄가 서로 연결되어 있는데요, 이 역시 이황화결합과 비공유적 상호작용으로 안정화되며, 항체의 구조적 골격을 담당합니다. 마지막으로 두 개의 경쇄는 직접적으로 서로 연결되지 않지만, 각각이 중쇄에 결합함으로써 전체적으로 네 개의 사슬이 하나의 단위를 형성합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 항체의 가변부위와 불변부위에 기능은 어떠한가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 항체는 크게 가변부위와 불변부위로 이루어져 있습니다. 이때 가변부위란 항체의 Y자 구조에서 끝부분에 존재하는 Fab 영역의 일부이며, 무거운 사슬과 가벼운 사슬 각각에서 가변 영역이 형성됩니다. 이 가변부위는 특정 항원의 에피토프를 인식하고 결합하는 역할을 수행하며, 이 영역의 서열 다양성 때문에 수억~수조 개에 달하는 서로 다른 항체가 생성될 수 있습니다.다음으로 불변부위란 항체의 ‘몸통’ 부분(Fc 영역)과 Fab 영역의 일부에 해당하는데요, 같은 항체 클래스(IgG, IgA, IgM, IgE, IgD) 안에서는 매우 보존된 서열을 가지고 있습니다. 기능적으로는 면역 효과 기능을 수행하는데요, 보체활성화, Fc 수용체를 가진 면역세포(대식세포, NK 세포 등)에 신호를 전달하여 항체-의존적 세포독성 반응(ADCC)이나 식균작용 유도합니다. 즉 가변부위는 항원과의 결합 특이성을 부여하여, 무수히 많은 종류의 병원체를 구별할 수 있게 하고, 불변부위는 어떤 항원을 인식하더라도, 그 뒤의 면역 반응(보체 활성, 세포와의 상호작용 등)을 안정적으로 수행할 수 있도록 하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. IR에서는 쌍극자 모멘트의 합이 0인 분자는 왜 측정이 불가능 한 것인가요?
안녕하세요, 질문주신 사항에 대해 답변드리자면 우선 IR 스펙트럼은 분자가 진동 에너지를 흡수하면서 나타나는데요, 하지만 모든 분자 진동이 IR에 흡수로 나타나는 것은 아닙니다. IR에서 진동이 관찰되려면, 그 진동 모드가 전기쌍극자 모멘트에 변화가 있어야하는데요, 즉, 진동하면서 순간적으로라도 전하 중심이 이동해야 IR 빛의 전기장과 상호작용이 가능한 것입니다. CO₂, O₂, N₂ 같은 분자는 전체적으로 쌍극자 모멘트가 0인데요 예를 들어, O₂나 N₂는 항상 대칭적이어서 진동하더라도 쌍극자 모멘트가 변하지 않기 때문에 IR 불활성입니다. 하지만 CO₂처럼 평형 상태에서는 쌍극자 모멘트가 0이라도, 비대칭 신축 진동 시에는 순간적인 쌍극자 변화가 생겨 IR에 나타날 수 있습니다. 즉, IR은 분자의 전기장과 빛의 전기장이 상호작용하는 현상이므로, 진동하면서 쌍극자 모멘트 변화가 없는 경우 IR 신호가 생기지 않는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산성수는 주로 어떻게 활용하는건가요?
안녕하세요. 질문해주신 산성수는 일반 정수기에서 나오는 물과 달리 pH가 약 2.5~5 정도로 낮은 물을 의미하며, 음용보다는 소독, 세정, 위생 관리 등 특정 용도로 개발된 물입니다. 산성수는 pH 2.5~5 정도로, 수소이온(H⁺) 농도가 높아 산성 환경을 가지는데요 전해수 방식으로 제조되며, 음이온과 양이온 분리를 통해 산성 영역과 알칼리 영역을 나누어 냅니다. 이러한 산성 환경에서는 세균, 곰팡이, 바이러스 등 미생물이 살아가기 어렵기 때문에 살균 효과가 있으며 일반적으로 음용용이 아닌 살균 및 세정용으로 권장되고 있습니다. 즉 산성수의 대표적인 활용분야는 세균 및 바이러스의 살균이라고 할 수 있는데요, 도마, 칼, 식기, 조리대 등의 표면 살균에 쓰일 수 있으며 이는 산성 환경에서 미생물 세포벽 파괴 및 단백질 변성 유도한 것입니다. 다만 pH가 낮아 위산과 유사하거나 더 강하기 때문에 위 점막 자극, 치아 부식 가능성이 있으며 따라서 직접 음용은 권장되지 않고 어린이, 노인, 위장 질환자 등은 특히 주의가 필요합니다. 감사합니다.
화학
Q. 알카리수 정수기물을 수분섭취용으로 계속 먹어도 될까요?
안녕하세요. 알카리수 정수기는 물의 pH를 높여 보통 7.5~9.5 정도를 제공하는 제품으로, 일반 정수기와 달리 물의 산-염기 성질에 초점을 맞춘 것입니다. 일반 물은 pH 약 7로 중성 정도이고, 알카리수는 pH 7.5~9.5 정도로 소량의 수산화 이온(OH⁻)을 포함하는데요, 일부 제품은 전기분해를 통해 물 속에 미네랄 이온(Ca²⁺, Mg²⁺ 등)을 녹여 pH를 높이는 방식을 사용하며 목적은 주로 산성 체질을 중화하거나 또는 항산화 및 활력 효과를 홍보하는 경우가 많습니다.우선 건강한 사람은 신장, 폐 등 체내 완충 시스템 덕분에 혈액 pH(약 7.35~7.45)를 일정하게 유지하는데요, 알카리수 섭취가 일시적으로 소변 pH를 약간 올릴 수 있음은 보고되어 있으나, 혈액 pH 변화까지는 거의 없습니다. 칼슘, 마그네슘 등의 알카리 미네랄이 포함된 물은 부족한 미네랄 보충에 도움 가능하며 위산 분비가 정상인 사람에서는 소화에 큰 문제를 주지는 않을 것입니다. 하지만 혈액이나 체액이 과도하게 알칼리화되는 것은 거의 드물지만, 신장 기능이 약한 사람이나 신장결석, 고칼슘혈증 등의 특정 질환과 관련해서는 주의가 필요합니다. 감사합니다.
화학
Q. 수소정수기는 일반정수기와 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 정수기와 수소정수기 모두 물을 깨끗하게 한다는 점에서는 같지만, 그 작동 원리와 목적은 차이가 있는데요 우선 일반 정수기는 활성탄, 세라믹, 역삼투압(RO) 필터 등으로 미세먼지, 중금속, 미생물, 잔류염소, 미세플라스틱 등을 걸러내는 것이 주된 목적이며 깨끗한 물을 제공하는 기능이 핵심입니다. 수소 정수기는 정수 기능에 더해, 전기분해 등을 이용하여 물 속에 분자 수소(H₂)를 녹여 넣는데요, 분자 수소는 체내에서 활성산소(ROS)를 선택적으로 제거할 수 있다는 연구들이 있습니다. 또한 분자 수소는 활성산소 중에서도 특히 독성이 강한 OH·과 ONOO⁻를 선택적으로 제거할 수 있음이 세포 및 동물실험에서 보고되었으며, 일부 임상 연구에서는 수소수를 꾸준히 마셨을 때 피로감 개선, 대사증후군 완화, 피부 건강 개선 등의 효과가 보고되었지만, 아직 대규모 임상시험이 충분히 진행되지 않았기 때문에 확정적인 의학적 효과로 보기엔 이르며 현재는 보조적 건강관리 수준에서 연구가 이루어지고 있습니다.또한 수소 자체는 인체에 독성이 없는 기체이고, 물에 녹은 농도도 수 ppm(매우 낮은 수준)이라서 일반적으로 지속적인 섭취가 안전하다고 여겨지며 다만, 수소는 휘발성이 강하기 때문에 물에 오래 보관하면 쉽게 빠져나갑니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 퍼옥시좀의 카탈라아제와 산화효소는 어떻게 과산화수소를 처리 할 수 있나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 퍼옥시좀은 지방산의 β-산화나 아미노산 대사 과정에서 산화효소들이 기질을 산화시키는 반응을 담당하는데, 이때 부산물로 독성이 강한 과산화수소(H₂O₂)가 발생합니다. 퍼옥시좀은 이 과산화수소를 무해하게 처리하기 위해 산화효소와 카탈라아제라는 두 가지 효소 체계를 가지고 있습니다.우선 퍼옥시좀 안에는 산화효소들이 존재하여 여러 기질을 산화하는데요, 이 단계에서 과산화수소(H₂O₂)가 생성되며, 그대로 방치되면 DNA, 단백질, 지질을 손상시키는 활성산소종(ROS)으로 작용할 수 있습니다. 퍼옥시좀의 대표 효소가 카탈라아제인데요, 카탈라아제는 과산화수소를 해독하는 두 가지 경로로 작용할 수 있습니다. 우선 과산화수소 두 분자를 반응시켜 물과 산소로 바꾸며, 과산화수소를 전자수용체로 사용하여 다른 기질을 산화시킵니다. 퍼옥시좀 내부는 산화적 대사에서 발생한 과산화수소를 즉시 처리할 수 있는 시스템을 갖추고 있으며, 이로써 세포 전체가 활성산소에 의해 손상되는 것을 막습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 핵공복합체는 선택적으로 분자를 수송하는데 NLS 및 NES 서열이 인식되는 분자적 과정은 어떻게 이루어지나요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 핵공복합체(NPC)는 단순히 구멍이 아니라 수백 개의 핵공 단백질이 모여 이룬 거대한 단백질 복합체로, 핵과 세포질 사이의 분자 교통을 정밀하게 조절하는데요, NPC는 작은 분자는 자유롭게 확산할 수 있게 하지만, 그보다 큰 단백질이나 RNA는 반드시 특정 서열 신호와 수송 단백질을 통해 선택적으로 이동해야 합니다. 이때 중요한 것이 NLS와 NES입니다. NLS 서열은 보통 양전하 아미노산이 풍부한 짧은 서열인데요, 핵 안쪽에는 Ran-GTP가 고농도로 존재하며, Ran-GTP가 Importin-β에 결합하면 수송 복합체가 해체되고, NLS 단백질은 핵 안으로 방출됩니다. 반대로 NES는 보통 소수성 아미노산이 규칙적으로 배열된 서열인데요, 삼자 복합체가 NPC의 FG-nucleoporin과 상호작용하며 세포질로 이동하며 세포질에는 RanGAP이 있어 Ran-GTP를 Ran-GDP로 가수분해시킵니다. 이때 Exportin이 화물 단백질을 방출하고, Ran-GDP는 다시 핵 안으로 돌아가 GTP로 재충전됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 리소좀이 낮은 PH를 유지하기 위해 사용하는 분자적 기작은 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 리소좀은 세포 내에서 단백질, 지질, 핵산 등 불필요하거나 손상된 분자를 분해하는 역할을 하며, 이를 위해 약 pH 4.5~5.0의 산성 환경을 유지해야 하는데요, 따라서 이 낮은 pH는 리소좀 안에 존재하는 가수분해 효소들이 최적 활성도를 갖도록 하는 조건이라고 할 수 있습니다.우선 리소좀의 막에는 V형 ATPase라는 양성자 펌프가 존재하는데요, 이 효소는 ATP를 가수분해하면서 얻는 에너지를 이용하여, 세포질에서 리소좀 내부로 H⁺ 이온을 능동 수송하며 그 결과 리소좀 내부의 H⁺ 농도가 점차 증가하여 산성 환경이 형성되는 것입니다. 이때 H⁺가 리소좀 내부로 계속 들어가면 전하 불균형으로 인한 막 전위가 생길 수 있는데요, 이때 Cl- 통로를 통해 음전하를 띠는 염화이온을 함께 유입시켜 전하 균형을 맞추며, K⁺ 또는 Na⁺ 교환 기작을 통해 양이온 이동을 통해 전위 차이를 완화시키게 됩니다. 감사합니다.