안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 이상 기체 상태 방정식을 이용할 때 압력과 온도가 매우 높은 상황에서는 왜 실제 기체와 차이가 나나요?
이상기체 상태방정식 'PV=nRT'는 기체 분자들이 부피를 갖지 않고, 분자 간 인력이 없다는 이상적인 가정을 전제로 만들어진 식인데요, 따라서 보통 온도와 압력이 극단적이지 않은 조건에서는 실제 기체와 큰 차이가 없지만, 압력과 온도가 매우 높은 경우에는 실제기차와 차이가 발생합니다.우선 압력이 높아지면 기체 분자들이 서로 가까워지는데요 이상 기체는 분자의 자체 부피가 무시 가능하다고 가정하지만, 실제로는 분자가 차지하는 부피가 무시할 수 없게 됩니다. 또한 가까워진 분자들은 서로 반발력과 약한 인력을 경험하게 되는데요, 특히 인력이 무시되지 않으면, 기체가 이상 기체 방정식이 예측하는 압력보다 낮거나 부피가 작게 나타납니다. 결과적으로 고압에서는 실제 기체의 부피가 이상 기체 방정식이 예상한 값보다 작거나, 압력 계산이 달라집니다.다음으로 온도가 높아지면 분자들의 운동 속도가 매우 커지는데요, 이상 기체 방정식은 운동 에너지가 완전히 이상적이라고 가정하지만, 실제 분자 간 충돌은 비탄성적이어서 일부 에너지가 상쇄됩니다. 또한 고온에서는 일부 기체 분자가 분해, 결합, 반응할 수 있는데요, 이런 현상도 이상 기체와 실제 기체 사이의 차이를 유발합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA의 복제 방식이 반보존적 복제라는 것은 어떻게 증명할 수 있나요?
DNA가 반보존적(semi-conservative) 방식으로 복제된다는 사실은 메셀슨과 스탈(1958)의 실험을 통해 증명되었는데요, 말씀하신 것처럼 원래 DNA의 복제 방식에 대해서는 보존적, 반보존적, 분산적 복제 방식이 가설로 제기되었습니다. 메셀슨과 스탈은 무거운 질소 동위원소(15N)을 사용하여 반보존적 복제 방식이 맞다는 것을 밝혀내었는데요, 우선 대장균을 15N이 풍부한 배지에서 키워 DNA를 무겁게 했습니다. 이후 15N-부모 DNA를 가진 대장균을 14N 배지로 옮기고, 여러 세대로 배양했습니다. 이후 DNA를 고밀도 용액에서 원심분리하여 DNA 가닥의 무게에 따라 층이 형성되는지 확인했습니다. 결과적으로 1세대 후에는 DNA가 중간 밀도로 나타났기 때문에 부모 DNA 한 가닥과 새 가닥 한 가닥이 섞인 구조를 이루었으나, 2세대에서는 두 층이 다 나타나는 것을 보고 반보존적 복제임을 증명한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진핵생물의 생식세포는 어떻게 텔로미어서열을 복원하나요?
네, 진핵생물의 생식세포에서 텔로미어 서열을 복원하는 과정은 텔로머레이즈라는 효소가 핵심적인 역할을 하는데요, DNA 복제는 5’→3’ 방향으로만 진행되기 때문에, DNA 말단에서는 프라이머 제거 후 DNA 합성이 완전하지 않아 일부 염기서열이 짧아지는 문제가 생깁니다. 이러한 반복적 단축은 체세포에서는 누적되며, 결국 세포 노화와 분열 정지를 유발하게 됩니다. 반면에 난자, 정자 등 생식세포는 다음 세대로 DNA를 전달해야 하기 때문에 텔로미어가 짧아지면 안되는데요, 따라서 이 세포에서는 텔로머레이즈가 활성화되어 있습니다. 텔로머레이즈는 리보뉴클레오프로테인 복합체(RNP complex)인데요, 텔로머레이즈가 DNA 말단의 3' 끝에 결합하면 TERC RNA를 템플릿으로 사용하여 반복 서열(TTAGGG 등)을 3' 말단에 연장하게 되고, 연장된 3’ 말단을 DNA 폴리메라제가 이용하여 상보적 가닥을 합성함으로써 완전한 텔로미어가 형성될 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 원핵의 DNA 복제 과정에서 지연가닥 합성 시 DNA polymerase 1이 필요한 이유는?
네, 말씀해주신 것과 같이 원핵생물의 DNA 복제 과정에서 지연가닥 합성 시 DNA polymerase I이 필요한데요, 우선 DNA는 항상 5’→3’ 방향으로만 합성됩니다. 이때 선도가닥과는 달리 지연가닥은 복제 포크 방향과 반대 방향으로 합성되므로 짧은 조각, 즉 오카자키 단위로 만들어집니다. 각 오카자키 절편은 RNA 프라이머로부터 중합이 시작되는데요, 이때 DNA polymerase III는 주요 DNA 합성 효소로, RNA 프라이머로부터 DNA를 합성하여 오카자키 절편을 만들어냅니다. 그러나 DNA polymerase III는 RNA 프라이머를 제거할 수 없고, RNA로 된 시작점을 DNA로 바꿀 수 없습니다.반면에 DNA polymerase I은 2가지 중요한 기능을 가지고 있는데요, 5’→3’ exonuclease 활성을 통한 RNA 프라이머 제거와 5’→3’ DNA polymerase 활성을 통한 DNA 채움 기능입니다. 따라서 DNA polymerase I 덕분에 RNA 프라이머가 DNA로 교체되고, 지연가닥이 연속된 DNA 사슬로 연결될 수 있는 것이기 때문에 DNA polyerase 1이 필요한 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 백색소음이 왜 집중력에 도움이 되는건가요?
질문해주신 백색소음이 집중력에 도움을 주는 원리는 뇌 과학적 관점에서 뇌의 신호 처리와 주의 집중 메커니즘과 관련이 있습니다. 우선 인간의 뇌는 주변 환경에서 들어오는 모든 자극을 처리하려고 하는데요, 완전히 조용한 환경에서는 미세한 잡음이나 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 긴장 등의 체내 신호도 뇌가 잠재적 신호로 인식하여 주의를 분산시킬 수 있습니다. 이 때문에 조용할수록 오히려 산만해지거나 졸음이 몰려올 수 있습니다.이때 백색소음은 모든 가청 주파수의 소리를 균등하게 포함하는 소리를 말하는 것인데요, 이 때문에 특정 주파수에 편향되지 않고 지속적이고 일정한 배경 소리로 작용합니다. 이러한 백색소음은 뇌가 불규칙한 외부 자극에 과민 반응하지 않도록 도와주는데요, 불규칙한 소음보다 일정한 소음이 존재하면 뇌는 이를 배경으로 인식하고, 중요한 과제나 학습 자극에만 주의를 집중시킬 수 있으며 또한 주변 환경의 돌발 소음을 마스킹하여, 외부 방해로 인한 주의 분산을 줄여줄 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA만을 순수 분리하고자 할 때 알칼리 분해법을 사용할 수 있는 이유는 무엇인가요?
질문하신 알칼리 분해법을 이용해 DNA만을 선택적으로 분리할 수 있는 이유는 DNA와 RNA가 알칼리 조건에서 갖는 화학적 안정성 차이를 갖기 때문인데요, 우선 DNA는 2′ 위치의 수산화기(–OH)가 없는 2′-deoxyribose를 갖고 있으나 RNA는 2′ 위치에 수산화기(–OH)가 존재하는 리보오스 오탄당을 가집니다.따라서 RNA의 리보스 2′-OH가 염기성 환경에서 자기 가수분해를 일으킬 수 있는데요 구체적으로, OH가 인접한 인산 결합을 공격하여 인산-에스터 결합을 절단하게 되므로, RNA 사슬이 잘게 쪼개집니다. 이 반응은 pH가 높을수록 빠르게 일어나며, RNA가 쉽게 분해됩니다. 반면에 DNA는 2′-deoxyribose이므로 2′-OH가 없고, 따라서 같은 메커니즘으로 가수분해되지 않으며, 결과적으로 DNA는 알칼리 조건에서도 거의 손상되지 않고 안정하게 남는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.
화학
Q. 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.
화학
Q. 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.