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단백질과 DNA

2007년 방영된 “태왕사신기(MBC)”라는 드라마는 주인공 ‘담덕(훗날 광개토대왕)’이 “청룡(靑龍)의 창, 주작(朱雀)의 홍옥, 현무(玄武)의 지팡이, 백호(白虎)의 쇠도끼’ 등 네 개의 신물을 찾고 고구려의 태왕이 된다는 내용이었다. 여기서 백호는 벵골 호랑이의 변종으로 “붉은색소와 노란 색소 합성에 필요한 효소(단백질)의 결핍”으로 흰색 털을 가졌고, 이로 인해 등에 검은 줄무늬가 진하게 보인다. 아미노산과 펩타이드 결합백호의 흰색 털은 위장 역할을 제대로 하지 못하기 때문에 사냥에 불리하게 작용하고, 유전병 등으로 사망률도 높다. 그러나 효소(단백질)의 부족 혹은 결핍으로 흰색 털을 가진 백호를 영험하고 신비한 능력을 지닌 호랑이로 생각해 신화나 설화에 등장하기도 한다.단백질(蛋白質)은 기본 단위체인 아미노산이 펩타이드 결합으로 형성된 고분자 화합물로 주요 구성 원소는 C, H, O, N, S이다. 세포의 주요 구성 성분으로 신체를 이루는 주성분이며, 에너지를 제공하는 3대 영양소 중의 하나이며, 생체 내 물질대사의 촉매(효소) 작용을 통하여 생명 현상을 유지하는 물질이다.식물은 단백질을 스스로 합성식물이나 미생물은 뿌리혹박테리아 혹은 질소 고정 등의 방법을 이용하여 뿌리로 암모늄이온(NH4+) 형태로 질소(N) 원자를 흡수하여 필요한 단백질을 스스로 합성할 수 있다. 반면 공기 중의 약 78%를 차지하는 질소 기체(N2)는 매우 안정적으로 반응성이 거의 없는 기체이다. 동물과 사람은 호흡으로 공기 중의 질소 기체가 몸 안으로 들어오지만 그대로 밖으로 배출하게 된다. 호흡으로는 질소 원자를 얻을 수 없어 동물과 사람은 음식물을 통해 단백질
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세포막

세포 안과 밖의 경계로 세포를 둘러싸는 얇은 막을 ‘세포막(cell membrane)’이라고 한다. 세포막은 외부와의 물질 교환 등 주위 환경과 상호 작용을 하고 있으며 외부의 신호를 감지하는 등 세포의 기능 유지에 필수적인 역할을 하고 있다.내부와 외부를 연결한다유동 모자이크 모델에 의하면 “세포막의 주성분인 인지질은 친수성(親水性)인 머리와 소수성(疏水性)인 꼬리 부분을 동시에 갖고 있다. 머리 부분은 친수성 부분이라 세포의 바깥쪽인 물() 쪽을 향하고 있으며, 꼬리 부분은 소수성이라 세포의 안쪽에서 서로 마주보며 배열되는 이중층 구조를 갖는다. 다양한 종류의 단백질이 인지질의 이중층에 박혀 있으며, 단백질은 물질 수송, 세포 안팎으로의 신호 전달 등 다양한 기능을 담당하고 있다.”‘촉진 확산’은 이온이나 분자의 크기가 큰 수용성 물질들이 세포막에서 이동하는 과정을 나타내는 말이다. 이 과정에서 단백질이 이런 특수물질만을 통과시키는 역할을 한다. 구체적으로는 포도당, 아미노산, Na+, K+ 등이 ‘촉진 확산’을 통해 세포막을 통과하게 된다. 에너지(ATP)를 사용하는 물질의 이동 방법으로 보면 된다.촉진확산과 단순확산크기가 매우 작은 기체 분자나 지용성 물질은 세포막 인지질의 이중층을 직접 통과하여 확산할 수 있는데, 이를 ‘단순확산’이라 한다. ‘단순확산’은 인지질의 이중층을 직접 통과하므로 에너지(ATP)를 사용하지 않는 물질의 이동 방법이다. 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나는 산소나 이산화탄소의 교환이 여기에 해당된다.세포막은 효소로도 작용하고, 세포 내부의 물질대사에 관여하며, 세포 외부의 화학 물질들을
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세포

지구에 사는 생물과 그들이 서식하는 영역을 생물권(生物圈)이라고 한다. 지구에는 인간을 비롯해 동물, 식물, 미생물 등 수많은 종류의 생물이 살고 있으며, 지권, 수권, 기권 등 넓은 범위에 생활하고 있다. 기권의 이산화탄소는 식물의 광합성에 반드시 필요한 물질이며, 토양은 식물에 무기 양분을 제공하고 땅속 생물의 터전이다. 수권은 생물에게 물을 제공하는 등 생물권은 기권, 수권, 지권과 지속적인 상호 작용을 하고 있다.세포는 핵·세포질·세포막으로 나뉜다생물권에서는 세포(cell)가 모여 조직(組織)을 이루고, 조직이 모여 특정한 형태와 기능을 갖고 있는 기관(汽管)을 이루는 등의 단계를 거치면서 하나의 독립된 생물체인 개체(個體)가 된다. 이렇게 생물은 살아가는 데 필요한 독립적인 기능을 갖춘다. 생물 개체는 서로 다른 기능을 하는 기관이라는 구성 요소가 상호 작용하는 생명 시스템이며, 세포는 모든 생명 시스템의 기본 단위가 된다.“세포는 기본적으로 핵, 세포질, 세포막으로 구성되어 있다. 세포질은 핵을 제외한 세포를 채우는 기질로 다양한 세포 소기관을 가지고 있다. 이 속에서 세포의 생명 활동이 활발하게 일어난다. 세포질에는 미토콘드리아, 엽록체 등과 같은 세포 소기관이 들어 있다. 식물 세포의 경우 동물 세포와 달리 엽록체가 있으며, 세포벽이 세포막을 둘러싸고 있다”라고 배웠다.남조류·세균류는 원핵세포동물과 식물의 기본 단위인 세포는 모두 유전 물질인 DNA(Deoxyribonucleic acid)를 갖고 있으며, 세포의 생명 활동을 조절하는 중추 역할을 하는 핵을 갖고 있다. 세포는 원핵세포와 진핵세포로 구분된다. 남조류와 세균류 등은 핵과 세포질
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지구의 물

하와이제도는 8개의 섬과 100여 개가 넘는 작은 섬으로 구성돼 있다. 지난 3일 큰 섬 중 하나인 빅아일랜드 칼라우에아 화산이 용암을 분출했다. 당국은주민 1만여 명에게 대피령을 내렸다. 암석이 고온 고압에서 용융된 마그마는 주변보다 밀도가 낮아 위로 상승한다. 지각에서는 상승된 마그마를 마그마굄이라 한다. 마그마굄은 지각의 얇은 틈을 통해 동시에 지표로 분출된다. 이런 현상을 화산(volcano)이라 한다. 화산 활동은 지구 내부(지표 안) 에너지를 지표 밖으로 전달하는 열 교환 시스템으로 작용하고 있다.수권도 지구시스템 유지수권과 기권의 상호 작용으로 구름이 형성되고, 수권과 지권의 상호 작용으로 피오르, 해안절벽과 같이 웅장하고 아름다운 모습을 만든다. 지구 시스템을 구성하는 지권, 수권, 기권, 생물권 등의 상호 작용은 화산 활동을 포함해 웅장하고 경이롭고 아름다운 자연 현상을 낳는다.이렇듯이 지구상에서 발생하는 여러 자연 현상은 지구 시스템 구성 요소 간의 상호 작용뿐만 아니라 외기권(exosphere)과의 상호 작용을 통해 일어나며 이 과정을 통해 생명체가 살아간다.지난 시간에는 지권, 수권, 기권, 생물권, 외기권 등 다섯 가지 구성 요소가 지속적으로 상호 작용하면서 균형을 유지하는 지구 시스템, 그중에서도 지권과 기권에 대해 이야기했다. 이번 시간에는 지구 시스템의 구성 요소 가운데 수권과 생물권을 이야기하려 한다.수권(hydrosphere)은 지구 시스템의 구성 요소로 기체 상태인 수증기를 제외한 지표 위의 모든 물()을 말한다. 전체의 약 97%를 차지하며 바다에 분포하는 해수(海水), 약 3%로 적은 양이지만 육지에 존재하는 담수(淡水)로 수권의 물은 나뉜다.물이 이산

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지구시스템

통합 과학에서는 “일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소들이 일정한 규 칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합”을 시스템이라 한다. 지구는 지권, 수권, 기권, 생물권, 외기권 등 다섯 가지의 구성 요소가 지속적으로 상호 작용하면서 균형을 유지 하고 있기에 지구 시스템이라 할 수 있다. 지구상에서 발생하는 여러 자연 현상들은 지구 시 스템 구성 요소 간의 상호 작용뿐만 아니라 외기권(Exosphere)과의 상호 작용을 통해 일어 나며 이 과정을 통해 생명체가 살아가고 있는 것이다.지구 시스템지구를 덮고 있는 대기층을 기권(Atmosphere)이라 하며, 기권은 높이에 따른 기온의 분포로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눠진다.지표면에서 약 10㎞ 높이까지는 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아지며 기상 현상이 나타나는 곳을 대류권(Troposphere)이라 한다. 대류권에서부터 위로 50㎞까지의 높이를 성층권(Stratosphere)이라 하며, 성층권의 큰 특징은 지표에서 약 15~30㎞ 높이에 오존(O3)층이 존재한다. 1990년대 남극의 오존층에 구멍이 생겼다는 사실이 큰 이슈가 되기도 하였다. 성층권에 있는 오존층은 우주에서 유입되는 강한 자외선 등을 차단하는 역할을 하고 있다. 만약 오존층이 사라져 해로운 자외선 등이 그대로 지표면에 도달한다면 인간에게는 피부암, 백내장, 면역결핍 등을 유발한다.성층권이 뭐지?중간권(Mesosphere)에서는 수증기가 없어 기상 현상이 나타나지 않는다. 중간권에서 위로 올라갈수록 기온은 점점 낮아진다. 또한 대류권, 성층권, 열권 중에서 기온이 가장 낮은 곳이다. 지표면에서 80㎞ 이상의 높이를 열권(Thermosphere)이라 하며, 오로라(aurora) 현상이 나타
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시스템

“봄이 됐다는 것을 어찌 알고 꽃들은 피고, 물체를 위로 던지면 위로 올라가다 왜 밑으로 떨어지는 것일까?” 설명이 가능한 우리 주변의 과학 현상이지만 접할 때마다 늘 경이로움을 느낀다. 인간은 커다란 시스템의 한 부분이라는 것도 생각하게 된다. ‘일정한 질서에 따라 끊임없이 변화하면서도 각 구성 요소가 일정한 규칙에 따라 상호 작용하면서 균형을 유지하는 집합’을 통합과학에서 시스템이라고 한다.경이로운 현상들중력(Gravity)은 태어나서 삶을 마감할 때까지 지속적으로 우리에게 가해지는 기본적인 힘이다. 하늘을 향해 던진 공은 일정한 높이까지 올라갔다가 다시 바닥으로 떨어지고, 폭포는 높은 곳의 물이 아래 방향을 향해 떨어진다. 힘의 작용을 받는 물체의 운동과 운동 상태의 변화, 정지 등과 관련한 물리적 현상을 역학(力學)이라 한다.중력의 영향을 받는 물체의 운동으로 자유낙하(自由落下)운동 등이 있다. 자유낙하운동은 초기 속도(v)가 0인 물체가 중력의 영향을 받아 지면을 향해 떨어지는 운동이다. 자유낙하운동하는 물체가 지표면에 도달할수록 물체를 잡아당기는 만유인력(萬有引力)은 두 물체 사이의 거리 제곱에 반비례하므로 증가한다.갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 지동설을 확립하기 위해 ‘프톨레마이오스와 코페르니쿠스의 2대 세계 체계에 관한 대화’를 저술했다. 그는 이로 인해 1633년 종교재판소에서 이단 판정을 받았다. 하지만 그는 재판장을 나오면서 “그래도 지구는 돈다”라는 유명한 말을 남겼다고 한다. 이처럼 갈릴레이는 지동설을 확고하게 믿고 있던 천문학자이기도 하다.갈릴레이의 논
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DNA

박테리아들은 오래전부터 생존 확률을 높이기 위해 어떤 전략을 선택했다. 그것은 외 부에서 다른 DNA(디옥시리보핵산)를 받아들여 유전적 성질을 변화시키는 형질전환 (transformation) 전략이었다. 이를 처음 발견한 사람은 영국의 과학자 프레드 그리피스다. 그는 1928년 폐렴쌍구균(Pneumococcus)을 이용한 실험으로 형질전환을 발견했다.형질전환은 왜 일어나지?폐렴쌍구균은 폐렴을 일으키는 유독한 균주인 S형과 폐렴을 초래하지 않는 무독한 균주인 R형이 있다. 그는 실험을 통해 열을 가해 죽은 S형 폐렴쌍구균을 생쥐에 주입하면 쥐가 폐렴에 감염되지 않으나, 살아 있는 R형과 열을 가해 죽인 S형 폐렴쌍구균을 섞어서 주입하면 쥐가 폐렴에 감염된다는 것을 발견했다. 그리피스는 살아 있는 폐렴쌍구균 R형이 S형으로 형질전환이 일어나 폐렴에 감염됐다는 결론을 얻었다.1944년 분자생물학과 면역학의 선구자인 오즈월드 에이버리는 DNA가 유전 정보의 매개체로 작용하는지를 실험했다. 동료들과 함께 진행한 실험에서 그는 형질전환을 일으키는 물질은 DNA이며 DNA가 유전 물질임을 발견했다. 앨프리드 허시와 그의 제자인 마사 체이스는 DNA와 단백질로 이뤄진 가장 단순한 생명체인 박테리오파지(bacteriophage)를 이용한 실험을 통해 DNA가 유전 물질임을 밝혀내기도 했다.DNA의 화학적 구조에 대한 고민도 해결됐다. 이런 노력은 동물, 식물, 미생물 할 것 없이 모든 생물체에 적용되는 ‘샤가프의 규칙’에서 출발했다. 에드윈 샤가프는 DNA의 염기를 정량적으로 분석해 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G)과 사이토신(C)이 항상 1 대 1의 비율로 들어 있다는 사실을 발견했고, 이를 샤가프의 규칙이라고 명명했다.DNA
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신소재

우리는 아주 오래전부터 철(Fe)이나 구리(Cu)와 같은 금속을 농기구나 교통기관의 소재로 사용해 왔다. 플라스틱은 가볍고 유리는 투명해 이런 소재를 주변에서 널리 사용하고 있다. 산업과 첨단과 학 재료를 연구개발하는 분야를 공부하는 학과 중에 신소재공학과가 있다. 신소재공학과에서는 재료를 효과적으로 이용하기 위해 물질의 구조와 성질을 배우고, 이를 통해 일상생활이나 산업 분 야에 활용할 수 있는 성질을 지닌 물질을 찾거나 설계한다. 대학들은 오래전부터 신소재공학과를 개설해 4차 산업혁명에 대비하고 있다.대학에 있는 신소재공학과신소재에는 크게 전기적 성질 또는 자기적 성질을 이용한 것이 있다. 최근에는 그래핀, 탄소 나노튜브와 같이 원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재가 많은 관심을 받고 있다.전기적 소재를 이용한 신소재는 거실에 설치된 TV다. 독일의 칼 브라운 박사가 브라운(음극선)관을 발명한 이래로 디스플레이는 발전을 거듭해 현재 OLED(유기발광다이오드)까지 진화했다. OLED를 이용한 디스플레이는 자체에서 빛을 내기 때문에 별도의 광원이 필요한 LCD보다 얇고 가볍게 만들 수 있다. 휘어지는 디스플레이를 개발할 수도 있다. 요즘 광고에 등장하는 QLED(양자점발광다이오드)는 퀀텀닷 입자 하나하나가 스스로 빛과 색을 내도록 해 큰 폭의 화질 개선 효과를 낼 수 있는 기술이다.물질이 지닌 성질을 살펴보자자기적 성질을 이용한 신소재로는 초전도체가 있다. 1911년 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨을 통해 약 4K(-269도)에서 수은의 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했다. 이 현상을 초전도 현상이라 한다. 초전도체는 일정한 온

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