안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 입체화학에서 키랄 중심이 물질의 물리적·생물학적 성질에 영향을 주는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 카이랄 중심이란 4개의 서로 다른 치환기를 가진 탄소 원자를 말하는데요, 거울상이성질체의 관계에 있을 경우 끓는점, 녹는점 등의 물성은 동일하지만 광학적 성질에서 차이가 발생합니다. 한쪽은 편광면을 시계방향으로 회전하며, 다른 한쪽은 반시계방향으로 회전하는데요, 즉, 광학활성에서 차이를 나타내기 때문에 분자 식별 및 분석이 가능한 것입니다. 이때 생체 내 효소, 수용체, 단백질은 대부분 카이랄한 환경인데요, 특정 3차원 배열의 분자만 결합 가능하며 이때 거울상 이성질체는 결합 친화력과 작용이 다르기 때문에 결과적으로 같은 화합물이라도 약리 작용이 크게 다를 수 있는 것입니다. 말씀해주신 것과 같이 탈리도마이드(R-형)은 입덧 완화 작용을 하지만 탈리도마이드(S-형)은 기형을 유발한다는 부작용이 있는데요, 즉 이는 인체 내에서 R ↔ S 형태로 상호변환되기도 하여 큰 문제 발생한 것이며, 결국 키랄 중심이 약물의 안전성과 효능에 직접적인 영향을 준다고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
화학
Q. 탄소양이온의 안정성을 설명하는 hyperconjugation 이론은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 탄소 양이온의 안정성을 설명하는 이론으로 hyperconjugation 이론이 있습니다. 우선 탄소양이온은 전자가 부족한 중심 탄소(C⁺)를 가진 구조인데요, 이러한 전자 결핍으로 인해 매우 반응성이 높으며 안정성의 순서는 3° > 2° > 1° > 메틸 순서입니다. 즉, 치환된 탄소(R)가 많을수록 전자공여 효과(+I 효과)로 양이온 중심의 전자 부족을 완화하기 때문에 안정화되는 것인데요, 하지만 이것만으로는 모든 안정성 차이를 충분히 설명하기 어려워 말씀해주신 hyperconjugation 개념이 등장합니다. Hyperconjugation은 σ결합 전자와 비공유 전자 또는 빈 p 오비탈(C⁺) 사이의 전자 공유 상호작용을 의미하는 것인데요, 즉 양이온 중심의 빈 p 오비탈과 인접 C–H σ결합 전자가 일종의 공명처럼 확산되어 전자를 나누어 가지는 효과인 것입니다. 이를 이용하면 중심 탄소의 빈 p 오비탈과 주변 σ결합 전자가 부분적으로 공유되어 양이온의 전자 부족을 보충할 수 있기 때문에 탄소 양이온의 안정성을 설명할 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 나이가 들수록 잔소리가 심해지는건, 호르몬의 변화로 볼 수 있나요?
안녕하세요. 나이가 들 수록 잔소리가 심해지는 것은 호르몬의 영향일 수도 있고, 이외의 외부적인 요인에 의한 것일 수도 있습니다. 우선 나이가 들수록 일부 사람들은 스트레스 반응이 민감해지거나 조절이 어려워질 수 있는데요 높은 스트레스 호르몬 수치는 신경민감성과 불안감을 증가시켜, 사소한 일에도 잔소리나 통제를 원하는 행동으로 나타날 수 있습니다. 또한 여성의 경우 폐경기 전후 에스트로겐 감소로 인하여 감정 기복이 심해지며, 인내심이 감소할 수 있고 남성 역시 안드로겐(테스토스테론)이 감소하는데요 이는 일부 연구에서 사회적 공격성이나 참을성 변화와 관련있습니다. 이처럼 호르몬 변화로 인해 감정 조절 능력이 약간 달라지면서 반복적 지적이나 잔소리 행동이 나타날 수 있습니다. 또한 이와 같은 호르몬적 변화 이외에도 나이가 들면서 자신이 가진 경험과 지식이 늘어나면서 더 잘 알고 있다는 인식이 강해지는데요, 이로 인해 자녀나 주변 사람에게 자신의 기준을 반복적으로 전달하려는 경향을 강화하게 됩니다. 또한 은퇴, 자녀 독립 등 삶의 구조 변화로 인해 기존의 역할적 상실감을 겪으면서 이를 잔소리를 통해 존재감을 표현하기도 하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 너구리가 고양이 사료를 먹으면 건강에 문제가 생길 수 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 것처럼 너구리가 고양이 사료를 먹는 상황은 흔히 아파트나 주거지 근처에서 관찰되는데요, 이처럼 너구리가 도심으로 모여드는 이유는 생태계 파괴로 기존 서식지에서 먹이를 구하기 어려워졌기 때문입니다. 우선 너구리는 잡식성의 포유류이기 때문에 주로 과일, 견과류, 곤충, 작은 척추동물, 버섯, 달걀 등을 섭취하는데요 따라서 다양한 영양소를 균형 있게 섭취하는 것을 자연적으로 선호합니다. 고양이 사료는 단백질과 지방이 매우 높은 편이며, 특정 필수 아미노산이 포함되어 있으며 고양이의 소화와 영양 요구량에 맞춰 제조되어 있습니다. 따라서 너구리가 먹기에 지나치게 단백질과 지방이 많고, 탄수화물과 식이섬유가 적긴 합니다. 장기적으로 단백질과 지방 과잉으로 인해 간과 신장에 부담이 될 수 있으며 단백질·지방 위주의 사료를 과다 섭취 시 설사, 구토, 소화불량 가능합니다. 즉, 단기적으로 소량 섭취는 치명적이지 않을 수 있으나, 장기적으로는 영양 불균형, 소화 장애, 비만 등 건강 문제를 초래할 수 있을 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 알켄의 첨가 반응에서 Markovnikov의 법칙이 성립하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 Markovnikov 법칙이란 알켄에 HX(할로젠화 수소)나 H–OH(물) 같은 친전자체(E⁺)가 첨가될 때 수소(H)가 이미 수소가 많은 탄소에 첨가되고, X나 OH가 수소가 적은 탄소에 첨가되는 경향을 나타낸다는 것입니다. 이때 알켄 첨가 반응은 일반적으로 친전자체(E⁺)가 π결합을 공격하는 과정으로 진행되는데요, 우선 π전자밀도가 높은 알켄의 C=C 결합에서 친전자체가 먼저 전자를 공격합니다. 이 과정에서 탄소양이온이 생성되는데요, 이때 H⁺가 어느 탄소에 붙느냐에 따라 중간체 카보양이온의 위치가 달라집니다. 이 과정에서 더 안정한 탄소양이온이 생성되는 방향으로 반응이 진행되기 때문에, 수소가 더 많은 수소를 가진 탄소에 붙고, 그 결과 카보양이온은 더 치환된 탄소에 위치하게 되는 것입니다. 즉 수소가 많은 탄소에 H⁺가 붙으면, 남은 탄소에 생성되는 카보양이온은 치환기가 많아 안정해지기 때문에, 반응이 빠르게 진행되는 것이며 따라서, 친전자체는 안정한 카보양이온에 붙어 최종 생성물이 결정됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 베이킹 소다가 산불 진압에 도움이 될 수 있는지 궁금합니다.
안녕하세요. 질문해주신 베이킹 소다는 알칼리성 무기염으로, 화염과 접촉하면 열에 의해 분해되어 이산화탄소(CO₂)를 발생시키는데요, 이때 발생한 CO₂가 산소를 밀어내면서 연소를 억제하게 되는 것입니다. 또한, 분해 과정에서 열을 흡수하여 국소 온도를 낮추고, 화염 확산을 지연시키는 효과가 있는데요, 이러한 이유로 주방용 화재 진압에 제한적으로 사용되고 있습니다. 하지만 산불과 같은 경우에는 나무, 풀, 건조한 잎 등 자연 연료가 넓게 퍼져 있으며, 강한 바람으로 인해 화염이 빠르게 확산되고, 소방관이나 장비가 직접 화염 근처에 접근하기 어렵습니다. 따라서 작은 화재에는 몇 스푼 정도면 효과가 있지만, 산불처럼 수십~수백 헥타르 규모에서는 필요량이 현실적으로 불가능하며, 산불의 열과 바람 때문에 베이킹 소다를 충분히 뿌리더라도 CO₂가 즉시 연소를 억제하기 어렵기 때문에 산불 진압에 적용하기에는 한계가 따릅니다. 따라서 일반적으로 산불 진압 시에는 물 또는 소화액 등을 사용하는데요, 연료를 적셔 연소를 억제하게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 전이금속 착물에서 배위수가 결정되는 요인은 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 전이금속 착물은 금속 중심과 리간드 사이의 배위결합으로 이루어지며, 배위수는 금속 원자를 중심으로 주변에 몇 개의 리간드가 결합할 수 있는가를 나타내게 됩니다. 우선 배위수 결정 요인으로는 금속 중심 요인이 있는데요, 금속 이온의 반지름이 크면 공간적으로 더 많은 리간드를 수용할 수 있습니다. 예를 들어서 큰 금속 이온인 La³⁺, Zr⁴⁺ 등은 8~9배위도 가능하며, 작은 금속 이온인 Fe³⁺, Cr³⁺ 등은 6배위가 일반적입니다. 또한 산화수가 높으면 금속 이온이 더 전자를 끌어당기는 능력이 커지는데요, 이로 인해 배위 결합이 강해집니다. 그러나 높은 산화수는 금속 반지름을 줄여서 공간적 제한을 만들기도 합니다. 다음으로 전이금속의 d-오비탈 전자배치가 배위수와 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는데요, 특히 6배위, 4배위의 구조의 안정성이 d 전자수와 관련되어 있습니다. 또한 영향을 줄 수 있는 요인으로 리간드 요인이 있는데요, 큰 리간드는 금속 주변에 많이 붙기 어려우며 배위자 내에서 두 개 이상의 배위부를 가진 리간드는 배위수를 줄이면서 안정화됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 카이랄 중심이 없는 경우에도 광학활성 물질일 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 카이랄 중심이 없어도 분자가 광학활성을 나타낼 수 있습니다. 우선 광학활성이란 편광면을 회전시키는 능력을 의미하며, 이는 분자가 거울상과 겹쳐지지 않는 구조를 가지고 있을 때 나타나는데요, 일반적으로 카이랄 중심이 있으면 쉽게 광학활성이 생기지만, 카이랄 중심이 없어도 분자 전체 구조가 대칭성이 없으면 광학활성을 가질 수 있습니다. 카이랄 중심이 없지만 광학활성을 갖는 대표적인 예시가 말씀해주신 allen 구조인데요, 이는 C=C=C 형태의 연속 이중결합이며, 중앙 탄소는 sp 탄소로 두 말단의 탄소가 각각 평면을 형성합니다. 하지만 두 말단 탄소에 서로 다른 치환기가 있으면, 전체 분자는 거울상과 겹치지 않는 구조가 되기 때문에, 카이랄 중심이 없더라도 축 카이랄리티가 발생할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. siRNA와 preRNA의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 siRNA와 pre-mRNA는 모두 RNA이긴 하지만, 생물학적 의미와 역할이 완전히 다릅니다. 아마 pre-miRNA를 말씀해주신 것 같습니다. siRNA와 miRNA는 둘 다 RNA 간섭 경로에서 작용하여 유전자 발현을 억제한다는 공통점이 있습니다. 우선 siRNA는 외부에서 들어온 이중가닥 RNA(dsRNA)에서 유래된 것으로 바이러스 RNA, 인공 합성 RNA를 말하며, 길이가 긴 dsRNA가 세포 내로 들어왔을 때 Dicer 효소에 의해 21-23nt로 절단됩니다. 반면에 miRNA는 주로 세포 내에서 전사된 유전자형 전사물인 pri-miRNA에서 유래된 것으로, pri-miRNA는 먼저 Drosha에 의해 70nt 정도의 pre-miRNA로 절단된 후에 Dicer에 의해 21-23nt로 절단됩니다. 우선 siRNA는 RNA-induced silencing complex(RISC)에 결합했을 때 완전 상보적인 mRNA를 찾아 절단하게 되며 mRNA를 분해하여 단백질 합성을 억제합니다. 이는 주로 실험실에서 특정 유전자 knockdown 용도로 사용됩니다. 다음으로 miRNA는 RISC에 결합한 후에 표적 mRNA의 3' UTR에 부분적 결합하고 번역 억제 또는 mRNA 불안정화를 유발하는데요, 주로 내인성 유전자 발현 조절 및 세포 기능 유지에 관여합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 철의 유무에 따라서 페리틴과 트랜스페린의 유전자 발현은 어떻게 달라지나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 좋은 질문 주셨습니다. 철(Fe)은 세포 대사와 산화환원 반응에 필수적이지만 과잉되면 활성산소종을 생성해 독성을 나타내기 때문에, 세포는 철 항상성을 정교하게 조절하게 되는데요, 여기에는 말씀해주신 것처럼 주로 철조절단백질과 철반응요소가 중요한 역할을 합니다. 우선 페리틴은 철을 세포 내에 저장하여 독성을 줄이고 필요할 때 방출하는 역할을 담당하는데요, 원래 페리틴 mRNA의 5′ UTR에 IRE가 존재하고 있습니다. 철이 부족한 상황에서는 IRP가 5′ UTR IRE에 결합해 있기 때문에 리보솜 결합이 방해되므로 번역이 억제되고 따라서 페리틴 단백질 생성이 감소합니다. 반면에 철이 충분한 조건에서는 IRP가 IRE에서 떨어지며 번역이 진행되고 페리틴 단백질이 증가하여 철을 저장하게 되는 것입니다.또한 트랜스페린 수용체는 세포 외부의 철을 트랜스페린(Tf)에 실어 세포 내로 유입하는 역할을 하는데요, TfR mRNA의 3′ UTR에 여러 개의 IRE가 존재하고 있습니다. 따라서 철이 부족할 때에는 IRP가 3′ UTR IRE에 결합해있기 때문에 mRNA가 분해되지 않고 안정화되므로 번역이 진행되어 트랜스페린 수용체 단백질이 증가하여 철 유입이 촉진됩니다. 반면에 철이 충분할 때에는 IRP가 IRE에 결합하지 않기 때문에 mRNA가 불안정해지고 분해되어 발현이 감소하는 것입니다. 감사합니다.