안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 번역시에 mRNA의 5'말단에 단백질이 존재하면 번역이 어려워지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 진핵세포에서 단백질 번역은 단순히 리보솜과 mRNA만으로 이루어지는 것이 아니라, mRNA 말단의 구조와 결합 단백질에 의해 정밀하게 조절됩니다. 우선 번역 개시는 주로 mRNA 5′ 말단에 존재하는 캡 구조인 7-메틸구아노신에서 시작되며, 개시 인자인 eIF4E가 캡에 결합하고 eIF4G, eIF4A 등과 함께 eIF4F 복합체를 형성한 뒤 40S 소단위 리보솜이 결합하여 개시 코돈(AUG)을 탐색하게 됩니다. 그런데 5′ 말단에 다른 단백질이 강하게 결합하면, eIF4E가 캡에 접근하지 못하거나 리보솜이 cap 근처에 결합해 스캐닝을 시작하는 과정이 방해를 받아 번역 개시 자체가 억제됩니다. 반면, mRNA 3′ 말단에는 poly(A) tail이 존재하고, 여기에 결합하는 PABP(poly(A)-binding protein)는 eIF4G와 상호작용하여 mRNA를 고리 구조로 만들어주는데요, 이러한 구조는 리보솜이 번역 종결 후 다시 5′ 말단으로 재순환할 수 있도록 하여 번역 효율을 높이고, 동시에 mRNA의 안정성을 증가시킵니다. 따라서 5′ 말단에 단백질이 결합하면 번역이 억제되지만, 3′ 말단에 단백질이 결합하면 번역이 촉진되는 결과를 보이는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 클로닝 벡터와 발현 벡터의 목적은 어떻게 다른가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 벡터란 유전자를 운반하고 세포 내에서 유지·복제·발현되도록 돕는 운반체인데요, 연구 목적에 따라 클로닝 벡터와 발현 벡터로 나눠 사용하게 됩니다. 우선 클로닝 벡터의 주된 목적은 외부에서 삽입한 DNA를 보관하고 증식시키는 것인데요 대장균이나 효모 같은 숙주 세포 안에서 스스로 복제되어, 삽입된 유전자가 안정적으로 유지되도록 합니다. 여기서는 해당 유전자가 단백질로 발현될 필요가 없고, 단지 많은 양의 DNA를 얻는 것이 목표이기 때문에 보통 다중 클로닝 부위(MCS, 여러 제한효소 절단 부위), 선택 마커(항생제 내성 유전자), 복제원점(ORI) 같은 요소가 들어 있습니다.반면에 발현 벡터는 삽입한 유전자가 숙주 세포에서 RNA로 전사되고 단백질로 번역되도록 하는 것인데요 즉 단순한 DNA 보관이 아니라, 단백질 생산 자체가 목표입니다. 이를 위해 발현 벡터에는 클로닝 벡터의 기본 요소에 더해, 강력한 프로모터(promoter), 리보솜 결합 부위(RBS), 종결 신호(terminator), 필요하면 태그(His-tag) 등이 추가되며 이로 인하여 대량의 재조합 단백질을 만들거나 기능을 분석하는 데 사용됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 발현 벡터에서 진핵생명체의 유전자를 발현시키기 위해 필요한 조건은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 실제로 진핵생명체의 유전자를 원핵생명체에서 발현시키려면, 두 시스템 간의 유전자 발현 방식 차이 때문에 여러 조건과 조정이 필요하다고 볼 수 있습니다. 우선 원핵생물에서 발현이 일어나려면 원핵생물의 RNA 중합효소가 인식할 수 있는 원핵성 프로모터가 필요한데요, 따라서 진핵 유전자 앞에 대장균용 강력한 프로모터를 붙여줘야 합니다. 즉, 진핵 세포에서 사용되는 프로모터는 대장균에서는 작동하지 않습니다. 다음으로 원핵생물에서 번역이 시작되려면 mRNA 상에 Shine-Dalgarno 서열이 필요한데요, 진핵생물 mRNA는 보통 5’-cap 구조와 Kozak sequence를 사용하기 때문에, 원핵세포에서는 이를 인식하지 못하므로, 따라서 벡터에 원핵성 RBS를 포함시켜야 번역이 효율적으로 진행될 수 있습니다.마지막으로 원핵세포에는 스플라이싱 기작이 없으므로, 진핵 유전자의 원래 게놈 DNA를 그대로 넣으면 intron이 제거되지 않아 제대로 된 단백질이 발현되지 않기 때문에 따라서 반드시 성숙 mRNA로부터 합성한 cDNA를 사용해야 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전자 재조합을 위해 cDNA를 만들 때 RNase는 소량 처리해야 되는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 질문주신 것과 같이 유전자 재조합 과정에서 cDNA를 만들 때 RNase를 소량 처리하는 이유는 역전사 반응의 특성과 RNA–DNA hybrid의 역할과 관련이 있는 것인데요, 우선 cDNA를 합성할 때 역전사효소가 mRNA를 주형으로 하여 상보적인 DNA(cDNA)를 합성하는데, 이 단계에서 만들어지는 것은 RNA–DNA hybrid 즉 한 가닥은 RNA, 다른 가닥은 DNA인 이중가닥 구조입니다. 이때 역전사 후에는 RNA–DNA hybrid가 존재하게 되는데, 이 상태로는 이중가닥 DNA가 아니므로 바로 클로닝에 쓰기 어렵기 때문에 따라서 RNase H는 RNA–DNA hybrid에서 RNA 가닥을 부분적으로 절단하여 제거합니다. 이렇게 RNA 일부가 절단되면, 남아 있는 짧은 RNA 조각들이 프라이머 역할을 하여 DNA polymerase가 그 자리를 채우며 이중가닥 cDNA를 완성할 수 있습니다. 즉 RNase를 소량 처리하는 이유는 DNA polymerase가 필요로하는 프라이머를 제공하기 위함이라고 생각하시면 되겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 달걀껍데기의 주성분은 무엇이며 어떤 역할을 하나요
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 달걀껍질은 단단하면서도 쉽게 깨질 수 있는 특징이 있습니다. 달걀껍질의 약 97% 정도는 탄산칼슘으로 구성되어 있는데요, 이는 달걀껍데기의 절대적인 주성분으로, 결정 형태의 방해석구조를 형성하는데 이 때문에 단단하고 무기질성의 성격을 가지는 것입니다. 그리고 약 2%는 단백질과 다당류 등의 유기질로 구성되어 있는데요, 무기질 결정 사이를 이어주는 접착제 역할을 하여 탄산칼슘 결정들이 서로 잘 결합할 수 있도록 도와줍니다. 또한 껍질 두께는 보통 약 0.3~0.4 mm 정도이며, 수천 개의 미세한 구멍이 껍질 상에 존재합니다. 이 구멍은 산소 흡수, 이산화탄소 방출과 같은 외부와의 가스 교환을 가능하게 합니다.달걀 껍질의 주된 역할은 보호인데요, 알 내부의 노른자와 흰자를 충격, 압력, 미생물 침입으로부터 보호합니다. 하지만 지나치게 단단하면 병아리가 부화할 때 스스로 껍질을 깨고 나올 수 없기 때문에, 적절히 깨질 수 있는 구조로 되어 있습니다. 또한 껍질 표면의 공극을 통해 배아 발달 과정에서 산소를 공급받고, 배출되는 이산화탄소를 내보낼 수 있는데요, 이는 알이 살아 있는 생명체를 품을 수 있는 중요한 기능입니다. 감사합니다.
화학
Q. SN2반응이 극성 비양성자성 용매에서 더 잘 진행되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 친핵체는 전자쌍을 가지고 있기 때문에 용매와의 상호작용에 크게 영향을 받습니다. 우선 SN2 반응은 단일 단계 반응으로, 친핵체가 기질의 전자를 끌어당기는 탄소를 후면 공격 하는 동시에, 이탈기가 나가면서 진행되는데요 따라서 친핵체가 얼마나 자유롭게, 빠르게 기질을 공격할 수 있는가가 반응 속도를 결정하는 핵심 요인입니다. 이때 물이나 에탄올과 같은 극성 양성자성 용매는 O–H 결합의 수소가 부분 양전하를 띠고 있어 수소 결합을 형성할 수 있는데요, 이로 인해 음전하를 띤 친핵체는 이 수소 결합에 강하게 둘러싸여 용매 껍질을 형성하게 됩니다. 이렇게 친핵체가 단단히 포위되면, 기질을 공격하기 위해 껍질을 벗어나는 데 추가적인 에너지가 필요하므로 반응 속도가 느려지는데요 즉, 친핵체가 갇혀서 제 역할을 제대로 못하게 되는 것입니다. 반면에 DMF나 아세톤과 같은 극성 비양성자성 용매는 수소 결합을 제공할 수 있는 –OH 같은 그룹이 없어서, 친핵체를 강하게 둘러싸지 않는데요, 따라서 음전하를 띤 친핵체는 상대적으로 자유롭게 존재하게 되고, 기질의 탄소를 더 쉽게, 더 빠르게 공격할 수 있습니다. 결과적으로 SN2 반응 속도가 극성 양성자성 용매에 비해 크게 증가하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. SN1과 E1 반응을 결정짓는 요인은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 SN1(친핵성 치환, 단분자 반응)과 E1(제거, 단분자 반응)은 모두 1차 반응 속도식을 따르며, 속도 결정 단계가 카보양이온 형성이라는 공통점을 가지고 있는데요 하지만 최종 산물이 치환체냐 이중결합이냐를 결정짓는 데에는 여러 요인이 작용합니다. 우선 두 반응에서는 카보양이온 안정성이 중요한데, 3차 카보양이온은 유도 효과와 하이퍼컨쥬게이션에 의해 매우 안정하므로 SN1과 E1 반응이 잘 일어납니다.또한 SN1과 E1은 모두 에탄올이나 물과 같은 극성 양성자성 용매에서 잘 일어나는데요 이는 용매가 양이온을 안정화시키고 음이온을 수소 결합으로 잘 용해시켜서 카보양이온 형성을 돕기 때문입니다.다만 이러한 상황에서 온도가 높을수록 E1 반응이 더 우세합니다. 왜냐하면 제거 반응은 엔트로피(ΔS)가 증가하는 반응이기 때문에, 높은 온도에서 자유에너지 변화(ΔG = ΔH - TΔS)가 더 유리해지기 때문입니다. 감사합니다.
화학
Q. 광합성 색소인 클로로필의 중심에 있는 포르피린 고리 구조는 유기화학적으로 어떠한 특성이 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 클로로필의 중심에 존재하는 포르피린 고리 구조는 유기화학적으로 매우 중요한 특징들을 가지는데요, 이 구조는 사원자 질소들이 배치된 큰 평면형 고리이며, 이중결합과 단일결합이 교대로 배열된 공명 가능한 공액 π-전자계를 형성하고 있습니다. 포르피린 고리는 광범위한 공액 시스템을 갖고 있어 π-전자들이 고리 전체에 비편재화되어 있는데요, 이는 전자 구름이 넓게 퍼지면서 안정성이 증가하고, 특정한 파장의 빛을 강하게 흡수할 수 있게 합니다. 따라서 클로로필이 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 광합성에 필요한 에너지 변환을 가능하게 합니다. 또한 포르피린 고리는 휴켈의 규칙(4n+2 π전자 규칙)을 만족하는 고리 방향족 화합물로 간주되기 때문에 이 방향족성은 구조적 안정성을 높이고, 전자의 비편재화로 인해 광화학적 반응에 유리한 전자 상태를 제공할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. Grignard 시약은 어떻게 만드는 것인가요?
안녕하세요. 질문해주신 Grignard 시약은 유기금속 화합물로서, 일반식 RMgX 형태를 가지며 유기합성에서 매우 중요한 친핵 시약인데요, 우선 Grignard 시약은 물, 알코올, 산 등 프로톤 공여체와 즉시 반응하여 파괴되므로 반드시 무수 조건이 필효합니다. 마그네슘 리본 표면의 산화막 제거하면 마그네슘 표면의 반응성이 증가하는데요, 이후 플라스크에 무수 에테르를 넣고, 마그네슘 금속을 투입합니다. 다음으로 할로젠화 알킬/아릴(R–X)을 천천히 첨가하면 Mg가 C–X 결합에 삽입되어 RMgX가 형성되는 것입니다. 이때의 반응메커니즘은 Mg 금속이 R–X의 C–X 결합에 전자를 주며 라디칼/이온 중간체 형성이라고 보시면 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. EAS 반응에서 치환기의 종류에 따라서 지향성이 달라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 친전자성 방향족 치환반응인 EAS 반응에서 치환기의 종류에 따라 ortho/para 또는 meta 지향성이 달라지는 이유는, 치환기가 방향족 고리의 전자밀도와 반응 중간체 안정성에 미치는 영향 때문입니다. 우선 EAS 반응의 경우 일반적인 단계를 설명 드리자면 방향족 고리의 π 전자가 친전자체를 공격하여 탄소양이온이 형성되는데요, 이때 양성자를 탈리하는 과정에서 방향족성이 회복되며 이때 반응 속도와 위치는 σ-복합체의 안정성에 의해 결정됩니다. 이때 전자를 제공할 수 있는 OH, –OR, –NH₂, –R와 같은 EDG의 경우에는 고리에 전자를 공급해주기 때문에 친전자체 공격이 용이해지며, σ-복합체에서 친전자체가 붙은 위치 주변 전자 밀도 증가하여 양이온이 안정화됩니다. 이때 EDG는 카보캐티온 양전하를 안정화하며 공명 구조로 전자밀도 공급하는데 메타 위치에서는 안정화 효과가 없기 때문에 반응이 불리하여 o, p 지향성이 되는 것입니다. 반면에 –NO₂, –CF₃, –COOH, –CN와 같은 EWG는 고리로부터 전자를 빼았는데요, ortho/para 위치에서 친전자체가 붙으면 EWG가 양전하와 직접 상호작용하여 불안정해지기 때문에 상대적으로 안정한 meta 지향성이 되는 것입니다. 감사합니다.