안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 식물성 플랑크톤이 지구온난화문제를 해결할 수 있을까요?
흔히 육상 식물이 광합성을 통해 산소를 많이 만든다고 생각하지만, 지구 산소의 약 50% 이상을 바다 식물성 플랑크톤이 만들기 때문에 식물성 플랑크톤은 중요성을 갖습니다. 또한 대기 중 CO₂를 흡수해 유기물로 전환하는데요, 이 과정에서 탄소 일부는 해저로 가라앉아 탄소 저장 역할을 합니다.따라서 식물성 플랑크톤이 많아지면 대기 중 CO₂ 흡수량이 증가하면서 온난화 완화 효과가 있을 수 있습니다. 실제로 연구자들은 철분 살포와 같은 같은 방법으로 플랑크톤 증식을 유도해, 대량의 탄소를 바다에 저장하려는 실험도 진행한 바 있습니다. 하지만 한계 역시 존재하는데요, 특정 지역에 플랑크톤을 인위적으로 증식시키면 적조나 산소 고갈 같은 부작용이 생길 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 산성 PH를 가진 물질은 위에서 더 잘 흡수되는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 산성 pH를 가진 물질이 위에서 잘 흡수되는 현상은 Henderson–Hasselbalch 방정식(M–M식)과 약물의 pKa, 흡수 부위의 pH 관계를 알면 이해할 수 있는데요, 우선 세포막은 지질이중층으로 이루어져 있어, 비이온형 분자가 막을 통과하기 쉽습니다. 반대로 이온형 분자는 전하 때문에 지질막을 잘 통과하지 못하는데요, 따라서 흡수율은 약물이 비이온형으로 존재하는 비율에 크게 의존합니다. Henderson–Hasselbalch 방정식 (M–M식)에서 산성 pH를 가진 물질일 경우에는 pH [A⁻]가 되면서 비이온형 많아지기 때문에 세포막을 더 잘 통과하게 되는 것이며, 이로 인해 산성 약물은 자신보다 pH가 낮은 환경에서 더 많은 비이온형이 존재합니다. 감사합니다.
화학
Q. 아스피린 속 아세틸살리실산의 농도가 높을수록 좋을까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 아스피린(acetylsalicylic acid)은 진통, 해열, 항염증 효과와 항혈소판 작용을 내는 주성분인데요, 실제로 판매되는 아스피린 제제의 유효성분 함량(순도)은 의약품 규격으로 정해져 있고, 보통 약 80~90% 이상이면 적합하다고 봅니다. 만일 농도가 높아질 경우에는 약효가 예상보다 강해질 수 있어 과용량 위험이 있으며 위장관 출혈, 위염, 출혈 등의 부작용이 증가할 수 있어 안전성 문제가 커지게 됩니다. 따라서 ‘순도가 높을수록 좋은 약’은 아니고, 규격 범위 안에서 일정하게 유지되는 것이 중요합니다. 반면에 농도가 낮아질 경우에는 약효가 기대만큼 나오지 않아 효능 부족이 생길 수 있으며 오래 보관해 습기 등에 의해 아세틸살리실산이 분해(가수분해 → 살리실산 + 아세트산)되면, 위 자극이 더 심해지면서 약효는 줄고 부작용만 늘어날 수 있습니다. 제산제는 위산(HCl)을 중화하는 데 쓰이는데, 순도는 보통 85% 전후로 규격화되어 있는데요, 나머지 15%는 불순물(수분, 다른 염류 등)인데, 의약품 규격 안에서 안전하게 관리됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 산소를 사용하지 않는 에너지 생산 방식으로 발효와 무산소호흡은 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 산소를 사용하지 않는 에너지 생산 방식으로는 '무산소 호흡'과 '발효'가 있는데요, 우선 발효와 같은 경우에는 피루브산, 아세트알데하이드와 같은 세포 내 유기분자가 최종 전자 수용체로 작용하며, 전자전달계를 사용하지 않고, 따라서 해당과정을 통해서만 소량의 ATP를 생산하는 방식입니다. 반면에 무산소호흡은 산소 이외의 NO₃⁻, SO₄²⁻, CO₂, Fe³⁺와 같은 무기 분자를 전자의 최종 수용체로 사용하며, 전자전달계를 사용하기 때문에 발효에 비해서는 훨씬 효율적인 에너지 생산 방식이라고 할 수 있습니다. 즉 발효는 내부 유기물에 전자를 넘겨 NAD⁺를 재생하는 단순한 에너지 보충방식이라면 무산소호흡은 산소 대신 다른 무기 전자수용체를 ETC에서 쓰는, 보다 체계적인 호흡 방식이라고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 금속끼리 공유 결합을 하는 경우에는 어떤 경우인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 일반화학에서 “공유결합 = 비금속–비금속, 금속–금속은 금속결합”이라고 배우다 보니, 금속 간에 공유결합이 있다는 게 조금 헷갈릴 수 있는데요 사실 금속 원자들끼리도 전자를 공유하는 경우가 존재합니다. 우선 전이금속은 d 궤도가 있어 전자를 다양하게 배치할 수 있는데요, 이 d 궤도들이 직접 겹쳐서 단일, 이중, 삼중, 심지어 사중 결합까지 형성할 수 있습니다. 대표적인 예시로는 레늄–레늄 4중 결합이 있습니다. 또한 여러 금속 원자가 모여 작은 덩어리(클러스터)를 이루는 경우, 금속 원자끼리 직접 공유결합을 맺기도 하는데요, 예를 들자면 Fe₂(CO)₉와 같은 금속 카보닐 클러스터가 있습니다. 마지막으로 일부 금속 고체에서도 금속–금속 거리가 보통 금속결합 거리보다 짧아, 부분적으로 공유성 금속–금속 결합이 존재한다고 봅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 앵무새는 아이큐가 얼마나 좋길래 사람의 말을 할까요??
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 앵무새가 사람 말을 따라하는 건 단순히 목소리를 낼 수 있는 성대 때문이 아니라, 특수한 발성기관과 높은 지능이 결합된 결과라고 볼 수 있습니다. 사람은 성대로 소리를 내지만, 새들은 기관지 끝에 있는 발성기관으로 소리를 내는데요, 앵무새의 발성기관은 매우 정교해서 사람 목소리의 높낮이, 리듬, 억양까지 모방할 수 있습니다. 그래서 사람 목소리와 비슷한 소리가 나오는 것이지, 성대 구조가 사람과 같은 건 아닙니다. 또한 앵무새는 소리 학습 능력을 가진 몇 안 되는 동물인데요, 이건 단순히 자극-반응이 아니라, 특정 소리를 듣고 기억하고 자기 발성을 조절해서 비슷하게 재현하며 사회적 맥락(주인에게 관심 받기, 교감, 보상 기대) 속에서 소리를 활용하는 것으로 대표적으로 회색앵무는 연구에서 사람 단어를 흉내내는 것뿐 아니라, 색깔·숫자·사물 개념을 이해하고 단어를 상황에 맞게 사용하는 능력까지 보였습니다. 즉, 단순한 반사가 아니라 인지·기억·소리 모방 능력이 결합된 결과인 것입니다. 이러한 앵무새는 동물지능을 IQ로 직접 비교하기는 어렵지만, 인지 수준으로는 어린아이(약 3~5세) 정도에 비유되기도 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 노화 세포와 암세포의 분열 기전을 이용한 실험사례가 있을까요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 사항은 이론적으로는 가능합니다. 주로 배양접시(in vitro)에서는 증명될 수 있으나 생체(in vivo)에서는 암화 위험 때문에 제약이 있을 수 있는데요, 핵심은 노화세포의 분열 정지를 붙잡고 있는 p53–p21, 텔로미어 단축, 그리고 후성유전 및 염색체 손상 흔적을 어떻게 풀 것인가입니다. 먼저, 고전적인 연구에서 사람 섬유아세포의 복제노화는 주로 p53이 유지하며, p53 기능을 억제하면 세포주기 재진입이 가능함이 보여졌는데요, 그러나 p16이 높은 세포는 p53 억제만으로는 완전히 풀리지 않거나 증식 회복이 제한됩니다. 다음으로 텔로머레이스(hTERT) 도입으로 텔로미어 단축에 의한 복제노화를 우회해 분열능을 회복시키는 실험은 매우 잘 확립돼 있는데요, 다만 스트레스 유도 노화나 p16-주도 노화에는 단독으로 충분치 않을 수 있습니다. 따라서 노화세포의 분열 재개 자체는 실험적으로 가능하지만 종양화 위험과 같은 제약이 있을 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 메뚜기가 점프를 높이 할수 있는건 무엇일까요?
안녕하세요.네, 메뚜기가 자기 몸 크기에 비해 아주 높이 점프할 수 있는 비결은 단순히 다리 근육의 힘만이 아니라, 에너지를 저장하고 순간적으로 방출하는 독특한 기계적 구조 덕분인데요, 메뚜기의 뒷다리에는 강력한 굴곡근과 신전근이 있지만 근육은 단독으로는 순간적으로 아주 큰 힘을 내기 어렵습니다. 그래서 메뚜기는 근육이 수축한 힘을 곧바로 쓰지 않고, 먼저 다리 관절 부위에 있는 단단한 키틴질 구조에 에너지 형태로 저장하는데요, 이는 마치 활시위를 잡아당겨 장전에너지를 모으는 것과 같습니다. 또한 메뚜기의 무릎 관절에는 일종의 잠금장치가 있어, 근육이 수축해도 다리가 곧바로 펴지지 않게 막는데요, 그동안 근육이 계속 에너지를 쌓아두면, 키틴질 구조가 탄성체처럼 에너지를 저장하게 되는 것입니다. 이러한 잠금 장치가 풀리면 저장된 에너지가 단숨에 해방되면서, 근육만으로는 낼 수 없는 순간적이고 폭발적인 힘이 발생합니다. 이 힘으로 다리가 빠르게 펴지면서 메뚜기는 자기 몸길이의 수십 배에 달하는 점프를 할 수 있게 됩니다. 게다가 메뚜기는 상대적으로 몸이 작고 가볍기 때문에 중력의 영향을 적게 받는데요, 포유류 같은 큰 동물은 몸집이 커질수록 중력의 영향이 커져 점프력이 제한되지만, 작은 곤충은 저장된 에너지를 몸 전체에 훨씬 효율적으로 전달할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 얀핀셴의 실험에서 요소와 DTT에 처리 순서가 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 얀 핀셴의 실험은 리보뉴클레아제 A라는 효소를 가지고 단백질의 1차 구조인 아미노산 서열만으로도 올바른 3차 구조가 자발적으로 형성될 수 있음을 보여준 고전적인 연구인데요, 여기서 핵심은 요소(urea)와 DTT(dithiothreitol)의 처리 순서가 단백질의 올바른 재접힘에 결정적이라는 점입니다. 우선 요소는 단백질의 수소결합이나 소수성 상호작용과 같은 비공유적 상호작용을 파괴하여 3차 구조와 2차 구조를 풀어버리는데요 즉, 전체적으로 단백질이 변성된 상태를 만듭니다. 다음으로 DTT는 단백질 내의 이황화 결합(-S-S-)을 환원하여 끊어버리는데요, RNase A에는 여러 개의 시스테인 잔기가 있어 정상적으로는 정확한 쌍끼리 결합해야 하지만, 잘못된 조건에서 형성되면 비정상적인 이황화 결합이 생겨 단백질이 엉뚱하게 접힐 수 있습니다. 먼저 요소로 단백질의 비공유적 구조를 완전히 풀어주며 그러면 단백질은 선형 사슬 상태가 되고, 이 상태에서 DTT가 작용하면 모든 이황화 결합이 끊어집니다. 이후 요소를 제거하고 산화 조건(공기 중 등)을 제공하면, 단백질은 아미노산 서열의 정보에 따라 자발적으로 가장 안정한 3차 구조를 형성하면서 정확한 이황화 결합이 다시 형성됩니다. 반면에 먼저 DTT로 이황화 결합만 끊으면, 단백질은 여전히 부분적인 3차 구조와 2차 구조를 유지하고 있는데요, 이 상태에서는 자유 시스테인 잔기들이 잘못된 위치에서 서로 결합할 가능성이 높습니다. 따라서 그 후에 요소를 처리하더라도 이미 잘못된 다리가 걸려 있기 때문에 단백질이 다시 풀리지 않고 비정상적인 misfolded 상태에 갇히게 됩니다. 따라서 원래의 생물학적 활성을 가진 구조로 돌아가지 못하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. GPCR이 유전체 발현의 촉진하는 경우도 있나요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것처럼 세포막수용체에 해당하는 티로신인산화효소 수용체에 신호분자로서 성장인자가 와서 결합하여 세포 내에서 연속전인 인산기 전달 과정이 나타나고 최종적으로 myc 전사인자를 활성화시키면서 세포분열을 촉진합니다. 또한 GPCR도 충분히 유전자 발현을 촉진할 수 있는데요, 다만 방식이티로신인산화효소 수용체처럼 직접적인 인산화 경로가 아니라, G단백질과 2차 신호전달자를 매개로 전사인자를 조절하는 형태입니다. GPCR이 Gs 단백질을 활성화하면 adenylate cyclase가 활성화되어 cAMP 농도가 증가하는데요, cAMP는 PKA(단백질 인산화효소 A)를 활성화시키고, PKA는 핵 내 전사인자 CREB를 인산화하며, 결과적으로 인산화된 CREB는 DNA의 CRE(cAMP response element)에 결합하여 특정 유전자의 발현을 촉진할 수 있습니다. 감사합니다.