- 항공기의 동적특성은 주로 안정성(Stability)과 조종성(Control)에 의해 규정됨
- 항공기의 동적특성에 직접적인 영향을 주는 것은 공력계수며 이를 이해하려면 에어포일과 날개의 기하학적, 공기역학적 특성을 살펴봐야함
- 시스템을 해석에는 주파수영역 해석기법이 있고 시간영역 해석기법이 있음
2.2 항공기의 기하학적, 공기역학적 특성
- 에어포일: 항공기 날개의 2차원 단면
- 날개: 2차원 모양의 에어포일을 날개 길이 방향으로 유한한 길이를 갖도록 포개서 만든 3차원 모형
- 양력발생원리: 에어포일 주변에 받음각으로 인해 에어포일 윗면과 아랫면의 유속차의 발생에 따라 압력분포가 달리 작용해 양력을 얻음
- 압력중심: 압력분포에 의한 모멘트 합이 0이 되는 점. 특징으론 받음각이 변하면 압력분포가 달라지므로 압력중심 위치도 변함
- 공력중심: 항공기 무게 중심에 대한 힘과 모멘트 계산에 있어 압력중심을 기준으로 사용하면 받음각의 변화로 압력중심이 달라지는 문제를 해결하기 위해 받음각에 따라 위치가 변하지 않는 점인 공력중심을 사용.
- 피칭 모멘트(pitching moment): 모멘트가 Y축으로 작용(회전)하려는 힘
모멘트(Moment): 물체의 회전운동에 대한 양을 나타내는 개념이다. 즉 물체가 회전력을 받는 정도를 뜻한다. 모멘트는 어떤물리량과 어떤 기준점 사이의 거리를 곱한 형태로 정의된다. 예를 들어 물리량은 질량, 힘, 길이 등이 될 수 있고 (질량 x 거리), (힘 x 거리), (길이 x 거리) 등으로 표현할 수 있다. 실제로 관성 모멘트는 질량과 거리제곱의 곱으로 표현되고 힘의 모멘트(토크)는 힘과 거리의 곱으로 표현된다. 모멘트는 어떤 물리량의 분포에 따라 물리적 특성이 달라질 때 사용한다.
2.4 비행안전성 개요
- 항공기 운동은 크게 병진운동과 회전운동으로 구분되며 이 둘은 서로 독립이라 가정해 별도의 해석이 필요함.
- 병진운동: 물체를 하나의 질점으로 간주해 질점계의 모든 질점이 평행이동 즉 모든 지점이 똑같이 이동하는 운동.
- 회전운동: 물체가 한 점을 축으로 회전하는 운동. 주로 자세안정성해석이나 제어시스템 설계에 이용됨. 정적안정성과 동적안정성으로 구분됨. 정적안정성이란 크게 3가지로 정의됨. 한 물체가 초기에 평형상태에 있다고 가정했을 때 외력이 발생했지만 평형상태로 되돌아 가려는 1. 정적 안정, 외력이 발생해서 평형상태에서 멀어지는 2. 정적불안정, 평형이 유지되는 3. 정적중립. 동적안정성은 시간에 대한 변화를 염두에 두고 정의되는 특성으로 평형상태를 벗어난 뒤 어느 정도의 시간이 경과한 후 다시 평형상태로 되돌아오는 경향으로 정의
강체: 물리학에서 형태가 변하지 않는 물체. 외력이 가해져도 크기나 모양이 변형되지 않거나 무시할 만큼의 변형이라면 강체라 함. 강체의 가장 일반적인 운동은 질량중심의 병진운동과 질량중심을 지나는 축에 대한 회전운동의 결합.
지구중심 관성 좌표계란 관성의 법칙이 적용되는 좌표계다. 관성의 법칙이란 뉴턴의 운동법칙 제1법칙으로 물체에 아무런 힘이 가해지지 않을 경우 물체는 정지하거나 등속직선운동을 하는 것이다. 즉 시간의 변화에 따라 가속하거나 회전하지 않는 좌표계다. 실제로는 지구가 회전하고 있기 때문에 존재하지 않는 좌표지만 다른 좌표계들과의 관계를 기술하기 위한 목적으로 만든 가상의 좌표계다. 이러한 관성 좌표계와 달리 가속운동을 하는 좌표계를 비관성 좌표계 또는 가속 좌표계라 부른다.
지구중심 지구고정 좌표계란 회전이 포함된 지구중심 관성 좌표계다. 즉 지구의 자전으로 인해 회전하는 좌표계며 t=0 시점에서 지구중심 관성 좌표계와 동일하다.
3. 지면좌표계 (NED: North East Down frame)
지면 좌표계(NED frame)는 항공 및 우주분야에서 널리 사용되는 좌표계다. LLA(Latitude-Longitude-Altitude) 좌표계라고도 불리는 NED 좌표계는 비행체의 상대적인 위치와 방향을 표현하기 위해 사용된다. N은 North, E는 East, D는 Down을 나타낸다. North는 경도선과 평행을 이루며 북쪽을 바라보는 방향을 표현한다. 적도를 기준으로 북반구는 + 남반구는 -이다. x, y, z를 기준으로 상대적인 좌표를 표현하는 local frame 좌표계에서의 x축과 같다. East는 위도선과 평행을 이루며 동쪽은 + 서쪽은 -로 방향을 표현한다. 마찬가지로 local frame 좌표계에서 y축과 같다. Down(Depth)은 지구 중심, 내부를 바라보는 방향을 표현하는 것으로 지구 중심과 가까워지는 방향은 + 중심과 멀어지는 방향은 -로 표현한다. 마찬가지로 local frame 좌표계에서 z축과 같다.
이러한 NED 좌표계는 일반적으로 3차원 직교 좌표계로 표현된다. (North, East, Down)이며 예를 들어 (100, 200, -50)은 북쪽으로 100 단위, 동쪽으로 200단위 아래로 50단위로 이동한 지점을 나타낸다. NED 좌표계는 항공 및 우주 분야에서 좌표와 방향을 정확하게 표현하는데 사용되는 다른 좌표계와 결합되어 사용될 수 있다. 예컨데 GPS 좌표는 NED 좌표계로 변환되어 위치를 정확하게 나타낼 수 있다.
4. 동체 좌표계 (Body frame)
동체 좌표계는 물체(ex: 비행체, 선박 등)의 질량 중심을 원점으로 하는 좌표계다. 물체의 운동을 설명하는데 사용하는 좌표계로 일반적으로 물체의 운동방정식을 동체 좌표계상에서 표현하기 대문에 운동 방정식을 전개해 나가는데 편리한 좌표계다. 동체 좌표계는 물체의 중심에 대한 위치와 물체의 방향을 기준으로 한다. 위치는 일반적으로 (x, y, z)로 표현되고 방향은 (roll, pitch, yaw)의 각도로 표현된다.
동체 좌표계는 무언가 오일러 좌표계와 관계가 있고 비슷해 보인다. 어떤 관계를 가지고 어떻게 다를까? 결론적으로 동체 좌표계 안에 오일러 좌표계가 부분집합으로 속해있는 형태다. 그 이유는 동체 좌표계는 대상체의 위치와 방향을 나타내는 반면 오일로 좌표계는 대상체의 방향을 나타내기 때문이다. 오일러 좌표는 물체의 방향(자세)를 설명하기 위해 사용하는 좌표계로 세 개의 연속된 회전 각도를 사용해 물체의 자세를 나타낸다. 일반적으로 (roll, pitch, yaw)로 회전을 나타내며 이는 곧 물체의 방향과 같다. 따라서 오일러 좌표계는 동체 좌표계의 방향 정보를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
신경계를 이해하기 위해서는 가장 작은 단위인 뉴런의 동작을 우선 이해해야 한다. 뉴런 동작의 핵심은 이온(ion)의 움직임이다. 이온은 전하를 띠는 원자와 분자를 의미한다. 예를 들어 소금인 염화나트륨은 양전하를 띠는 나트륨 이온(Sodium, Na+)와 음전하를 띠는 염소 이온(Chloride, Cl-)로 나뉜다. 이 두 이온은 뉴런의 전기 신호 전달에서 중요한 역할을 하며 추가적으로 칼륨 이온 칼륨 이온(Potassium, K+)과 유기음이온 (A-)(단백질 분자)도 마찬가지다.
이러한 이온들은 일종의 출입문인 이온 채널을 통해 세포막 내/외부로 이동한다. 세포막에 나트륨 채널과 칼륨 채널이 있다. 세포막을 기준으로 외부에는 나트륨 이온, 세포막 내부에는 칼륨이 존재한다. 세포막 외부는 양극으로로 대전, 세포막 내부는 음극으로 대전되어 있는데 만약 나트륨 채널이 열려 세포막으로 들어오게 되면 안과 밖이 극이 바뀌는 탈분극 상태가 발생하며 뉴런에서 신호가 발생하게 된다.
이러한 탈분극 상태에 의한 신호 전달을 자세히 이해하기 앞서 뉴런의 구조를 먼저 살펴보면, 뉴런에는 크게 네 가지 주요 영역이 있다. 수상돌기, 세포체, 축삭돌기, 축삭 종말이다. 간단히 설명하자면 수상돌기/축삭돌기는 각각 신호 수신/발신 역할을 한다. 세포체(Cell body)는 세포호흡(Cell respiration)과 폴리펩티드 생산과 관련한 세포 소기관을 갖고 있다. 축삭 종말은 안쪽에 소포(vesicle)이라는 작은 막이 있어 신경전달물질을 저장하는 역할을 한다. 이외에 미엘린은 절연체로 축삭을 감쌈으로써 입력 신호를 더 빠르게 전달할 수 있도록 경로를 매끄럽게 만드는 역할을 한다.
structure of neuron
수상돌기에는 가시 모양으로 뻗은 돌기들이 있다. 이 부분에서 다른 뉴런들로부터 유입 신호(incoming signal)을 받는다. 유입신호는 세포체로 이동하는 과정에서 통합된다. 만약 신호 통합이 세포막(cell membrane)을 가로질러 충분히 강하게 탈분극 한다면 축삭(axon)이 시작되는 세포막에서 극파(spike)가 발생되어 축삭을 따라 전파된다. 만약 극파가 축삭 종말(axon terminal)에 도달하면 신경전달물질이 시냅스 간극으로 방출되고 일부는 시냅스 후 뉴런의 수용체에 결합한다. 참고로 이러한 신경 전달 과정은 단방향인 수상 돌기 → 세포체 → 축삭돌기 → 축삭 종말로만 흐른다.
유입 신호가 축삭 종말에 도달하기 전에는 축삭 돌기에서는 휴지 전위(Resting potential)를 유지한다. 휴지 전위란 뉴런이 흥분하여 신호를 전달하기 전, 준비 상태를 말한다. 만약 휴지 전위가 없다면 뉴런은 더 이상 신호를 전달할 수 없게 된다.그렇다면 이런 휴지 전위는 왜 발생할까? 휴지 전위는 결과적으로 이온의 불균등한 분포(농도)차이 때문에 발생한다. 세포막을 기준으로 세포막 외부에는 나트륨 이온의 농도가 높고 세포막 내부에는 칼륨 이온의 농도가 높다.
휴지 상태에서는 세포막에 있는 나트륨 채널과 칼륨 채널이 모두 닫힌 상태이다. 이런 휴지 상태에서는 세포막 외부는 내부에 비해 양극(positive)로 대전된 상태이며 세포막 내부는 외부에 비해 음극(negative)로 대전된 상태이다. 즉 세포막을 넘어 전압 차이가 발생한다.
세포막 외부와 세포막 내부 사이에 존재하는 이온 채널. 채널이 모두 닫힌 상태를 휴지 전위라 한다.
만약 이 휴지상태에서 유입 신호가 축삭 돌기에 도달한다면 탈분극 단계로 바뀐다. 탈분극 단계에는 나트륨 이온이 세포의 분극이 역전될 때 까지 세포 내부로 들어가며 결과적으로 세포 내부가 양극으로 대전된다. 이 상태가 되면 재분극 단계(Repolarizing phase)로 바뀌어 나트륨 이온 채널이 닫히고 칼륨 이온 채널이 열린다. 이 때 칼륨 이온은 세포 외부로 방출되며, 방출됨으로써 평형을 이루게 되어 다시 휴지 전위 상태가 된다.
여기서 평형 상태를 유지하기 위해서는 크게 두 가지 메커니즘이 작용한다. 첫 번째는 정전기력이다. 정전기력에 의해 양이온과 음이온이 서로 끌어 당기게 된다. 두 번째 힘은 확산(diffusion)이다. 확산은 모든 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼져나가려는 성질이 있음을 의미한다. 예를 들어 칼륨 이온의 경우 세포막 안쪽에 많이 위치하기 때문에 농도가 높다. 따라서 농도가 낮은 세포막 외부로 빠져나가려고 한다. 하지만 칼륨 이온은 양이온이기 때문에 음이온이 더 많은 세포막 내부로 정전기력에 의해 끌리게 된다. 추가적으로 이런 평형 상태를 유지하는 데 있어 기여하는 것은 위 그림 중간에 있는 나트륨-칼륨 펌프이다. 이는 일종의 경비원으로 만약 휴지전위에서 양전하를 띤 나트륨 이온이 일부 채널을 통해 유입되면 다시 바깥으로 방출하는 역할을 한다.
다시 돌아와, 유입 신호로부터 휴지전위 → 탈분극 → 재분극 → 휴지전위와 같은 일련의 단계가 축삭 돌기를 따라 연쇄적으로 발생하며 축삭 종말에 다다라서는 축삭 종말에 있는 신경전달물질이 다음 뉴런으로 방출되며 신경 전달이 이루어진다.
신약개발에서 진행되는 연구 중 MHC(Major Histocompatibility Complex, 주조직 적합성 복합체)와 펩티드(peptide)의 결합 친화도(binding affinity)를 예측하는 연구 분야가 있다. 먼저 MHC 같은 경우는 면역 반응에 관여하는 당단백질로, 대표적으로 백혈구(HLA, Human Leukocyte Antigen)가 있다. 펩티드의 경우 단백질과 동일하게 아미노산으로 구성되지만 단백질을 결정짓는 3차원 얼개가 없는 것이 가장 큰 차이점이다. 그렇다면 MHC-peptide의 binding affinity 예측은 왜 중요할까? 이는 MHC와 펩티드 간 상호작용하는 그 기전에 답이 있다. 결론은 향후 신약을 만들었을 때의 우리 몸의 면역 반응을 판단하기 위함이다.
MHC-peptide 면역학적 상호작용
MHC는 항원으로부터 떨어져 나온 펩티드 조각을 인식하는 능력을 갖고 있다. MHC는 세포표면에 자신이 만든 그루브에 펩티드 조각을 꽂아두면 면역 반응에 관여하는 T 세포가 와서 T 세포 수용체로 면역원(펩티드)을 인식하고, 만약 악성이라 판단될 경우 항체를 만들라는 면역 반응을 일으키게 된다. 하지만 이와 같은 기전이 일어나기 위해서는 MHC와 펩타이드 둘 간의 충분한 binding affinity로 결합이 되어야만 T 세포가 활성화 될 수 있다. 그렇기에 binding affinity를 예측하는 것은 이러한 면역학적인 과정을 이해하는 데 한 걸음 나아가는 것과 같고, 향후 신약 개발에 있어 후보 물질이 될 수 있는 펩티드를 스크리닝하는 데 많은 도움이 된다.
펩티드의 장점과 단점
참고로 펩티드 의약품은 분자 구조상 독성 문제가 적고, 조직 내 축적량이 적어 신약 후보물질로 주목 받는다. 하지만 체내에서 쉽게 분해된다는 단점이 있어 체내 안정성 확보가 어렵고, 이러한 펩티드 후보 물질을 탐색하는 시간이 오래걸린다는 문제가 존재한다.
MHC-peptide binding affinity 예측 연구의 과거와 현재
연구의 흐름은 in-vitro 방식에서 in-silico 방식으로 바뀌었다. 과거에는 일일이 MHC-peptide의 binding affinity를 계산했다. 하지만 이는 수많은 시간과 자원이 소모되었는데 그 이유는 MHC의 특성상 매우 큰 다형성(polymorphism)을 가졌기 때문이다. 다형성으로 인해 MHC와 펩타이드 시퀀스 간의 여러 경우의 수를 다 고려할 수 없었고, 따라서 computational 접근으로 나아가게 되었다. 이 computational 접근이 in-silico 방식의 또 다른 이름이다. in-silico 방식으로 나아갈 수 있게 된 배경은 in-vitro 방식을 통해 MHC-peptide의 binding affinity에 대한 데이터가 쌓였고, 아래와 같은 데이터셋이 축적되며 가능해졌다.
위와 같은 데이터셋들은 MHC-peptide binding affinity에 관한 아래의 주요 데이터베이스들에 모이게 되었다.
참고로 현재에도 대표적으로 가장 많이 사용되는 데이터베이스는 IEDB이다. in-silico 방식에는 위의 데이터베이스를 활용하는 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 allele-specific 방법이고, 두 번째는 pan-specific 방법이다. 참고로 allele란 대립유전자를 의미하는 것으로 지금의 문맥에서는 인간의 MHC인 HLA를 의미한다. 아래는 두 방식에 대한 그림이다.
allele-specific 방법pan-specific 방법
두 방식의 공통점은 머신러닝 모델을 만들어 예측하는 것이다. 핵심 차이점은 allele-specific은 하나의 allele당 하나의 모델을 만들어야 하는 반면 pan-specific 방법은 하나의 모델에 여러 allele를 학습시킬 수 있다. 때문에 allele-specific 방법은 범용성은 약하지만 특정 allele와 peptide가 어떤 binding affinity로 결합할지에 대해 pan-specific에 비해 비교적 더 정확하게 예측할 수 있다는 장점이 있다. 반면 pan-specific 모델은 특정한 allele와 peptide의 binding affinity 예측에는 약하지만, 전반적으로 일반화된 성능을 낼 수 있다는 것이 장점이다.
하지만 최근에는 증가하는 데이터셋과 머신러닝 모델 구조로 인해 allele-specific 모델보다 pan-specific 방식이 더 많은 각광을 받는 추세이며, 나아가 pan-specific 모델에 transfer learning을 적용함으로써 allele-specific 모델의 장점을 함께 취하는 방식도 사용되고 있다.
MHC-peptide binding affinity 예측 도구
MHC-peptide binding affinity를 예측 하는 도구들은 1990년대 말 이후 지금까지도 관련 연구자들에 의해 만들어지고 있다. 아래는 2011년 기준으로 사용되고 있는 pan-specific 모델을 정리한 표이다.
참고로 MHC는 크게 3가지 클래스가 존재한다 MHC-I, MHC-II, MHC-III이다. 하지만 연구는 주로 MHC-I과 MHC-II를 기준으로 이루어진다. 위 그림을 크게 MHC-I pan-specific 예측 모델과 MHC-II pan-specific 예측 모델로 나눌 수 있는데, MHC-I에는 버전이 업그레이드되어 지금도 좋은 성능을 보이고 있는 NetMHCPan이 대표적이라 할 수 있다. 현재에는 더 발전하여 이외에도 ACME, DeepSeqPan, DeepAttentionPan, 등의 모델이 있다. MHC-II 같은 경우도 마찬가지로 NetMHCIIpan 모델이 대표적이라 할 수 있고 현재에는 더 발전하여 이외의 모델들이 여럿 존재한다.
MHC-펩티드 피처화 방안 & 머신러닝 모델 종류
allele-specific 모델과 pan-specific 모델은 학습을 위해 MHC와 펩티드를 피처화 시키는 과정이 중요하다. 머신러닝을 사용하지 않고 계산했던 과거에는 Scoring Matrix를 사용했고 동작은 다음과 같다.
축적된 MHC-peptide에 대한 데이터를 기반으로 BLOSUM62와 PSSM이라는 대표적인 scoring matrix를 사용했다. 이는 펩티드의 motifs를 찾으려는 시도로, motifs는 특징이 보존된 짧은 펩티드 서열을 의미한다. scoring matrix를 만들기 위해 펩티드의 물리 화학적인 특성이나 한 아미노산에서 다음 아미노산으로 어느 정도의 빈도로 바뀌는가 또는 시퀀스의 유사도를 계산한 값을 반영한 matrix라 할 수 있다. 이를 통해 최종적으로 MHC(HLA)와 펩티드 시퀀스가 어느 정도의 binding affinity로 결합할 것인지 예측하는 것이다. 2019년 기준 대표적인 도구 리스트는 다음과 같다.
하지만 이 방법에도 단점이 있었으니, 정적인 scoring matrix를 통해서는 문제를 선형적으로 풀 수 있을 뿐 동적이고 비선형적으로 풀기 어렵다는 것이다. 이러한 한계점으로 인해 머신러닝 기반의 방법이 사용되었다.
기존 scoring function 기반 방법과의 차이점은 뉴럴넷에 학습을 시킨다는 것이다. 하지만 동일한 것은 여전히 피처화 시키는데 있어서 BLOSUM62와 PSSM, one-hot encoding과 같은 방법을 사용한다. 데이터셋으로는 in-vitro 방식 또는 이전 연구들에서 binding affinity가 실험적으로 검증된 것을 사용하며 결과적으로 펩티드를 binder 또는 non-binder로 분류하는 것이 특징이다. 2019년 기준 대표적인 도구리스트는 다음과 같다.
그 중 가장 대표적인 모델은 NetMHCPan4.0이 있고, 후속 연구들에서 비교 대상으로 자주 사용된다.
마지막으로는 consensus 방식으로 scoring function 기반 방법과 machine learning 기반 방법을 결합한 것이다.
정확히는 scoring function 기반의 모델과 machine learning 기반의 모델의 출력값에 가중치를 부여하여 앙상블하는 방법이다. 예를 들면 가장 믿을 만한 모델의 예측 값에는 N점, 조금 낮은 모델의 예측 값에는 N-1점, ...을 부여하여 가중합을 매기고 평균을 구하는 것이다. 패러다임 시프트가 없는 이상 위와 같은 방법이 계속 사용될 것으로 전망된다. 2019년 기준 대표적인 도구 리스트는 다음과 같다.
가장 최근에 나온 MHCflurry1.2.0이 가장 대표적인 도구일 것이다.
여기까지 신약개발의 연구 분야 중 하나인 MHC-peptide binding affinity prediction의 연구 동향을 살펴보았다. 이 연구 분야에 대해 알아볼 때 생각보다 국내 자료가 많이 없어 빠른 파악이 힘들기도 했기에 관련 연구를 지향하는 사람들에게 작은 도움이 되었으면 한다.
Reference
[1] Toward more accurate pan-specific MHC-peptide binding prediction: a review of current methods and tools
[2] A comprehensive review and performance evaluation of bioinformatics tools for HLA class I peptide-binding prediction
우리 몸을 구성하고 생명활동을 움직이게 하는 단백질은 과연 어떻게 만들어질까? 단백질은 본질적으로 아미노산으로 구성된다. 아미노산이 짧은 수로 모이게 되면 펩타이드(Peptide)라 부르며, 많은 수가 모이면 단백질이라 부른다. 그렇다면 이 아미노산은 어떻게 만들어지게 될까? 생물학에서는 아미노산으로부터 단백질이 만들어지는 과정 전체를 센트럴도그마라고 부른다. 센트럴도그마는 크게 전사(Transcription)와 번역(Translation)의 두 과정으로 이루어진다. 전사와 번역을 알기 위해서는 먼저 DNA와 RNA를 알아야 한다. 먼저 요약하면 DNA는 단백질을 만들기 위한 설계도이며, RNA는 설계도를 기반으로 단백질 제조 역할을 한다. DNA는 개념적으로 디옥시리보핵산(DeoxyriboNucleic Acid)를 의미하는 것으로, 원핵 생물과 진핵 생물의 세포에 공통적으로 존재한다. RNA는 리보핵산(RiboNucleic Acid)를 의미하는 것으로 RNA에서 산소 원자가 하나 빠진 것(De-oxy)이 DNA이다.
DNA의 구성요소는 크게 4가지로 ATCG(아데닌, 티아민, 사이토신, 구아닌)의 염기로 구성된다. 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 2진수 체계이듯, 우리 몸은 ATCG라는 염기로 구성된 4진수 체계라고 할 수 있다. 2진수 체계인 지금의 컴퓨터로 무수한 것을 할 수 있듯, 4진수 체계인 우리 몸은 컴퓨터보다 더 큰 복잡성을 가진다. 이 복잡성은 4가지 염기의 결합에 의해 나타난다. 4가지 염기는 상호 결합이 정해져 있다. 가령 A는 T와 결합하고 C는 G와 결합하는 식이다. 이렇게 AT, TA, CG, GC로 결합한 염기쌍(base pair)들이 이어져 DNA 시퀀스가 된다. (참고로 RNA는 T대신 U(우라실)이 쓰인다.) 앞서 말했듯 DNA에는 어떤 단백질을 생성해야 할지에 대한 설계도를 가지고 있다 했다. 이 설계도는 DNA 시퀀스와 같다. DNA 시퀀스의 3개의 염기를 묶어 하나의 코돈(Codon)을 구성한다. 코돈은 우리 몸에 어떤 아미노산을 만들지 결정한다. 가령 AAA라는 3개의 염기가 모이면 라이신이라는 아미노산을 만들고, GCC라는 3개의 염기가 모이면 알라닌이라는 아미노산이 만들어진다. 인간의 몸에는 크게 20개의 아미노산이 있고 각각의 코돈들은 20개의 아미노산 중에 하나를 만들게 된다. 코돈이 어떤 아미노산으로 만들어질(부호화될)지는 유전 암호(부호)를 통해 확인할 수 있다. 아래는 기초과학연구원에서 가져온 유전 암호 표(?)이다.
참고로 다른 코돈이라도 같은 아미노산을 만들 수 있는 것이 특징이다. 여기서 중간 정리를 하자면, 전사(Transcription) 과정은 DNA 시퀀스에서 코돈이 될 3개의 염기를 읽어들이는 과정이다. 이 때 RNA가 관여하여 읽어 들이며, RNA가 3개의 염기 정보를 가지고 있으면 이를 mRNA (Messanger RNA)라 부른다. 전사 과정에서 만들어진 이 mRNA의 한 가닥은 인트론(Introns)과 엑손 영역(Exons)으로 나뉜다. 엑손은 단백질이 암호화된 영역이고 인트론은 비암호화된 영역이다. mRNA를 번역(Translation)에 사용하기 위해 비암호화된 영역인 인트론을 제거하고 5'cap과 3' poly-A tail라는 것을 추가한다. 그 다음 인접한 엑손끼리 결합하는데 이러한 과정을 대체 이어 맞추기(alternative splicing)이라고 한다. 이어 맞추기 과정은 큰 의미를 가진다. 그 이유는 mRNA에 담긴 일부 정보인 인트론을 제거한다는 것은 곧 원래의 DNA 서열과 달라질 수 있음을 의미하고 이는 하나의 DNA 서열이 실제로는 여러 단백질을 만들어낼 수 있다는 것을 의미한다.
다음으로 번역(Translation) 과정은 mRNA가 설계도를 가지고 단백질 제조공장인 리보솜에 가서 단백질을 주문하는 것이다. 제조 과정에는 rRNA와 tRNA가 관여한다. rRNA는 리보솜 RNA를 뜻하며, tRNA는 전달 RNA를 뜻한다. tRNA는 코돈을 인지하고 올바른 아미노산을 추가하는 역할을 하며, rRNA는 아미노산의 펩타이드 결합에 관여한다. 간단하게 기술하였지만 사실 조금 더 복잡한 기전이 이루어진다. 번역 과정에 사용되는 특별한 코돈이 있다. 번역 개시 코돈, 번역 종료 코돈이다. 번역은 mRNA의 개시 코돈에 리보솜 소단위체가 결합하며 시작한다. 이후 mRNA의 코돈 정보는 tRNA의 안티 코돈을 리보솜으로 운반한다. 여기서 안티코돈이란 mRNA의 코돈과 상보적인 결합을 이루는 염기쌍을 의미한다. tRNA의 안티코돈을 통해 아미노산이 리보솜으로 운반된다. 이러한 과정을 반복하여 아미노산들이 차례차례 연결되면서 단백질 합성 과정이 이루어진다. 마지막으로 tRNA가 mRNA의 번역 종료 코돈과 결합하면 아미노산 중합 반응이 끝이 난다. 이후 만들어진 단백질은 세포 내 기관인 소포체안으로 들어가고, 골지체를 통과하며, 분비 소낭을 통해 세포막을 통과한 뒤 필요로 하는 곳에 분비된다. 이렇게 만들어진 단백질은 소화 과정에서 음식을 분해하여 에너지를 얻는 대사과정과 같이 신체 대부분의 생리 기능이 발휘하기 위해 사용된다.
아미노산이란 단백질을 구성하는 요소이다. 아미노산들이 적은 개수로 결합되면 이를 펩타이드(peptide) 또는 펩티드라 부르며 많은 수가 결합되면 이를 단백질이라 부른다. 이러한 아미노산은 DNA에 포함된 유전자를 RNA가 전사하고 번역하는 과정에서 만들어진 코돈에 따라 어떤 아미노산으로 만들어질지(encoding) 결정된다. 아래는 아미노산의 구조를 나타낸다.
아미노산 구조 (왼쪽 = 오른쪽)
아미노산은 탄소 원자를 중심으로 크게 3부분으로 아미노기(NH2), 카복실기(COOH), 곁사슬로 구성된다. 자연계에는 300 종류의 아미노산이 있지만 포유류에게 미치는 아미노산은 20종류가 된다. 포유류인 인간에게 영향을 미치는 20종류 의 아미노산 중 19가지가 위의 구조를 따른다. 단지 나머지 아미노산인 프롤린(proline)만이 이를 따르지 않는다는 특징을 가진다. 결과적으로 아미노산의 종류를 결정 짓는 것은 곁사슬 R에 어떠한 것이 결합되느냐에 따라 아미노산의 종류가 결정된다. 한 가지 특이한 점은 아미노기와 카복실기는 산과 염기의 세기를 나타내는 pH에 따라 NH3+의 형태나 COO-로 이온화되어 존재할 수도 있다는 특징을 가진다.
펩타이드 결합
펩타이드의 정의를 다시 짚고 넘어가자면 아미노산 중합체로서, 아미노산이 여러 개 합쳐진 것이라 할 수 있다.
펩타이드의 결합은 한 마디로 탈수축합반응이라 할 수 있다. 그 이유는 위의 그림과 같이 아미노산에 붙은 카복실기(COOH)와 아미노기(NH2)에서 각각 OH와 H가 빠져나오면서 아미노산 간의 결합이 이루어지는데 각각 빠져나온 것을 결합하면 물 분자인 H2O가 되기 때문이다.
생명공학에 관심을 갖게 되면서 기본적인 면역학이나 생화학, 유기화학 등을 학습할 필요가 있다 판단이 되었습니다. 면역학 서적을 구매해보니 양이 방대해서 정독까지는 시간이 걸릴 것 같고 필요한 부분만 발췌해서 학습하려합니다. 다만 도중에 빼곡히 적힌 지식들에 의해 좌절하는 날이 오지 않을까 주의를 기울이고 있습니다. 이 이야기를 하는 이유는 앞서 이야기한 배경으로부터 유기화학에서는 전공서적 분량에 의해 압도되지 않기 위해 먼저 가벼운 책으로 기본을 정리하고 전공서적을 탐독하자 합니다. 따라서 이 글은 쉬이 읽을 수 있는 『가볍게 읽는 유기화학』- 사이토 가쓰히로 저서의 책을 기반으로 작성하였습니다.
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책을 앞 부분만 읽었는데도 불구하고 정말 가볍고 기본적인 내용과 함께 카툰형식으로 구성되어 있어 읽기 편리함을 느꼈습니다. 괜히 스테디셀러에 올라와있는 게 아니라고 생각이 드네요. 고등학교 화학시간에 배웠던 내용들이 조금씩 되살아나는 느낌도 듭니다. 아래 부터는 중간 중간 단편적인 개념설명이 있거나 간단한 서술형식으로 구성됩니다. 내용들이 유기적으로 연결되는 부분이 많아 논리적으로 분할하여 설명하진 않는다는 점 참고해주시면 감사하겠습니다.
[원자의 구성]
원자의 구성은 원자핵과 전자로 구성이 되어 있고, 원자핵은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띱니다. 원자핵 안에는 양성자가 존재합니다. 원자번호는 이 양성자의 개수에 따라 결정된다고 합니다. 예를 들어 원자번호 6번인 탄소는 양성자를 6개를 갖고 있기 때문입니다. 다르게 말하면 곧 전자 또한 6개를 갖고 있는 것과 같습니다. 그 이유는 대부분의 원자들은 안정성을 위해 양성자와 전자의 개수를 동일하여 맞추어 전기적 중성을 띤다고 합니다. 의문이 들었던 것은 물리화학적 지식이 짧아서 그런지 안정성을 위한다는 것이 대체 왜 필요한 것이고 어떤 기전에 의해 이루어지는지 궁금했습니다. 전기적 중성이 왜 필요한 것인가에 대해 간단히 찾아봤을 땐 이해될만한 내용을 찾진 못했습니다. 혹시 아시는 분이 계시다면 댓글 남겨주시면 감사하겠습니다.
[전자와 전자껍질]
전자는 전자껍질이라고 하는 일종의 케이스안에 들어간다고 합니다. 이 전자껍질은 일종의 양파와 같이 반복되는 구조로 이루어져 있다고 생각하면 됩니다. 여기서 함께 사용되는 개념이 주양자수라는 개념인데요, 주양자수에 따라서 여러 전자껍질에 들어갈 수 있는 전자의 개수가 달라진다고 합니다. 공식은 $2n^2$입니다. 예를 들어 주양자수가 1개라면 2개의 전자를, 2->8개 전자, 3->18개 전자로 정원을 채울 수 있다고 합니다. 이 전자껍질은K, L, M, N 순으로 늘어나는 데요 시작이 A가아닌 K부터 시작합니다. 차례대로 K껍질, L껍질, M껍질, N껍질, ...이라 부릅니다. 주양자수에 따른 전자 정원을 계산하는 공식에 따라 K껍질은 최대 2개의 전자를 채울 수 있고 L껍질은 최대 8개의 전자를, M껍질은 최대 18개의 전자를 채울 수 있다고 이야기 합니다. 그리고 어떻게 보면 직관적이지만 한 껍질에 전자의 정원이 모두 차야 다음 껍질에 전자를 채울 수 있게 됩니다. 가령 K껍질을 다채워야만 L껍질에 채울 수 있게 됩니다. 이러한 과정을 전자 배치라고 합니다. 결론적으로 요약하면 주양자수에 따라 전자의 정원이 결정된다라고 이해하시면 되겠습니다.
[닫힌 껍질 구조와 열린 껍질 구조]
원자는 안정성을 위해 전기적 중성을 띤다고 이야기 했습니다. 다르게 말해 전자껍질에 전자의 빈자리가 얼마나 되느냐에 따라 원자의 화학적 안정성을 결정합니다. 닫힌 껍질 구조란 이러한 화학적 안정성이 있는 구조로, 각 전자껍질에 들어갈 수 있는 최대의 전자가 들어가있는 경우를 의미합니다. 반면 전자껍질에 빈자리가 있다면 이를 열린 껍질 구조라고 부릅니다. 예를 들면 수소의 경우 원자번호 1번으로 양성자1개와 전자1개를 갖게 됩니다. 하지만 전자1개는 K껍질의 최대 개수인 2개를 만족하지 못하기 때문에 열린 껍질 구조라 할 수 있습니다. 반면 원자번호 2번인 헬륨은 양성자2개와 전자2개를 갖게 됩니다. 따라서 K껍질의 최대 개수인 2개를 만족하게 되면서 닫힌 껍질 구조라 할 수 있습니다.
[이온화]
원자는 또한 안정성을 위해 닫힌 껍질 구조를 선호합니다. 즉 전자 껍질에 빈자리 없이 만석으로 채우는 것을 좋아합니다. 이를 위해 이온화라는 개념이 사용됩니다. 이온화란, 전자껍질의 안정성을 위해 전자를 채우거나 버리는 것 중 에너지가 덜 소모되는 방향으로 이루어지는 작용을 의미합니다. 예를 들어 플루오린(F)의 L껍질에는 7개의 전자가 들어 있는데 1개만 더 있다면 8개로 가득차서 네온과 같은 닫힌 껍질 구조가 됩니다. 때문에 플루오린은 전자 1개를 더 받아들여서 $F^-$가 되려고 합니다. 이렇게 전자를 받아들이거나 내보내는 과정을 이온화라고 합니다. 플루오린의 경우는 받아들이려 하기 때문에 음이온화라고 할 수 있겠습니다. 반면 원자번호 11번인 나트륨(Na) 같은 경우는 전자가 K껍질에 2개 L껍질에 8개 M껍질에 1개 존재하게 되는데 오히려 전자를 버리는 것이 닫힌 껍질 구조가 되기에 더 적합하므로 하나를 방출하는, 즉 양이온화가 되어 $Na^+$가 된다고 할 수 있습니다.
[전기 음성도]
앞서 말한대로 원자는 안정성을 위해 닫힌 껍질 구조를 선호합니다. 때문에 음이온 또는 양이온이 되고자 합니다. 이와 관련한 개념은 전기 음성도로 즉 원자가 전자를 받아들여 음이온이 되려고 하는 정도를 수치화한 것입니다. 전기 음성도가 큰 원자일수록 전자를 받아들여 하전되기 쉬운 특징을 가집니다.
[분자식과 분자량]
분자식이란 분자를 구성하는 원자의 종류와 개수를 나타내는 것을 의미합니다. 매우 간단하지만 물분자식은 $H_2O$로 표현하며 수소(H) 2개와 산소(O) 1개로 이루어집니다. 분자량의 경우 분자 하나의 무게를 나타내는 지표로서 분자를 구성하는 모든 원자의 원자량의 합으로 구성됩니다. 원자량은 양성자와 중성자의 개수로 구성됩니다. 가령 탄소(C)의 경우 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지기 때문에 원자량이 12가 됩니다. 그렇다면 벤젠인 $C_6H_6$의 경우 12*6 + 1*6이 되면서 78이 분자량입니다. 분자의 질량을 나타내기 위해서는 78에 g만 붙여 78g으로 표현합니다. 이것과 관련한 개념은 몰이 있습니다. 몰은 원자의 일정량을 모아 하나의 단위를 만든 것으로 1몰(mol) = $6.02 \times 10^{23}$입니다. 분자 1몰은 분자량에 g을 붙인 것과 같아서, 벤젠 1몰은 78g이 됩니다. (+1몰의 기체 부피는 22.4L입니다)
[분자의 결합 종류]
공유 결합, 금속 결합, 이온 결합, 수소 결합, 반데르발스 힘 등이 있습니다. 크게 나누자면 공유 결합 비공유 결합으로 나뉠 수 있기도 한 것으로 압니다. 공유 결합은 전자쌍을 공유하여 결합하는 것으로 유기화학에서 거의 대부분의 결합을 차지합니다. 공유 결합은 크게 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합 등으로 나눌 수 있습니다. 또한 여기서 단일 결합은 포화 결합이며 이중 및 삼중 결합은 불포화결합이라 말합니다. 참고로 콘쥬게이션 이중 결합이라는 것이 있는데 이는 단일 결합과 이중 결합의 중간 결합도에 있는 것을 의미합니다. 금속 결합은 금속 원자가 자유 전자를 통한 결합을 의미합니다. 이온 결합은 이온화된 원자가 정전기적 인력으로 인한 결합을 의미합니다. 참고로 공유 결합, 금속 결합, 이온 결합의 경우 전형적인 결합으로 원자나 이온을 결합시킨 결합입니다. 하지만 분자간의 결합도 있으며 여기에는 물분자끼리 결합시키는 수소결합과 전기적으로 중성인 분자끼리 결합시키는 반데르발스 힘이 있습니다.
[결합 거리와 결합 에너지]
결합 거리는 결합 에너지(세기)를 나타냅니다. 공유 결합에서의 단일 결합은 거리가 가장 길며 이중 결합이 그 보다 짧고 삼중 결합이 가장 짧습니다. 결합 거리가 짧을 수록 결합 에너지는 강해진다는 특징을 가집니다.
[전자껍질과 오비탈]
전자껍질 내부에는 사실 구체적으로 몇 개의 오비탈로 나뉘어져 있습니다. 전자는 각 오비탈에 2개씩 들어 있습니다. 하지만 짝을 이루지 않는 전자도 있으며 이를 홀전자라고 합니다. 이러한 홀전자를 내놓으면서 이루어지는 결합을 공유 결합이라고 합니다.
[화합물, 홑원소 물질, 동소체]
셋 다 분자에 속하는 개념이지만 화합물은 다른 원자들 간의 결합이 된 것을 의미하며 홑원소 물질은 오롯이 하나의 원소로만 이루어진 분자를 의미합니다. 예를 들어 풀러렌을 나타내는 $C_{60}$이 있습니다. 동소체 같은 경우는 홑원소 물질이지만 다른 분자량을 나타낼 때를 의미합니다. 가령 탄소 원자 60개로 이루어진 풀러렌외에 탄소는 다른 분자량을 통해 흑연이나 다이아몬드, 카본 나노 튜브 등으로 나타낼 수 있는데 이를 동소체라고 합니다.
[유기물]
유기와 무기를 결정짓는 것은 화합물에 탄소(C)의 포함 여부라고 알고 있었습니다. 이 책에서는 탄소(C)를 포함하여, 수소(H), 산소(O), 질소(N) 또한 유기물을 구성하는 원소라고 합니다.
[메테인/에테인/에틸렌/아세틸렌]
메테인은 $CH_4$로 가장 작은 유기물로써 모든 유기물의 기초가 되는 분자를 의미합니다. 참고로 메테인의 분자 형태는 테트라포트 형으로, 바닷가에 방파를 위해 설치한 구조물과 동일한 형태를 띱니다. 에테인은 $C_2H_6$의 분자식을 가집니다. 에틸렌은 $C_2H_4$의 분자식을 가지는 것으로 탄소간의 이중 결합이 되어 있는 것이 특징입니다. 아세틸렌은 $C_2H_2$의 분자식을 가지는 탄소간의 삼중 결합이 이루어진 분자입니다. 다시 정리하자면 에틸렌은 이중 결합 중 가장 작은 분자이며, 아세틸렌은 삼중 결합 중 가장 작은 분자라고 할 수 있습니다.
[분자 구조식]
분자를 표현하기 위해 사용했던 분자식으로는 분자의 3차원 구조를 나타낼 수 없다는 한계점이 있습니다. 때문에 분자 구조식을 사용해서 3차원 모양을 표현해야 합니다. 이렇게 분자의 구조를 표현하기 위해 사용되는 3가지 선(line)과 3가지 구조식이 있습니다. 먼저 3가지 선의 종류는 아래와 같이 점선과 실선과 쐐기선이 있습니다.
점선 같은 경우는 뒷쪽에 있음을 나타내고, 실선은 평면에 있음을 나타내고, 쐐기선은 앞으로 튀어 나와 있음을 의미합니다. 세 가지 구조식의 종류는 상세 구조식, 축약 구조식, 골격 구조식이 있고 아래와 같이 표현합니다.
상세 구조식으로 표현할 경우 분자량이 크다면 상세히 표현하기 어려워지므로 분자식과 선(line)을 이용하여 축약합니다. 하지만 축약 또한 커진다면 골격 구조식을 사용합니다. 골격 구조식에는 간단한 규칙 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 직선의 양 끝과 곡선부에는 탄소(C)가 존재하는 것이며, 두 번째는 각 탄소(C)에는 충분한 수의 수소(H)가 결합한다는 것입니다.
[알케인, 알켄, 알킨]
근간이 되는 분자는 탄화수소입니다. 탄화수소는 유기화합물의 골격을 만든다는 특징을 가집니다. 알케인은 탄화수소가 단일결합으로만 이루어진 것을 의미합니다. 알켄은 탄화수소가 이중결합으로 이루어진것을 의미하며, 마지막으로 알킨은 탄화수소가 삼중결합으로 이루어진 것을 의미합니다. 참고로 탄소가 고리 형태로 결합한 탄화 수소를 고리형 탄화수소라고 하는데 이들이 알케인, 알켄, 알킨에 적용되면 사이클로 알케인, 사이클로 알켄, 사이클로 알킨이 됩니다.
이성질체란 같은 분자식과 분자량을 가지지만 구조가 다른 것을 의미합니다. 예를 들어 아래와 같이 플라틴이라는 분자가 있을 경우 분자식은 같지만 구조가 다릅니다. 이 때 겹치는 NH3가 같은 쪽에 있다면 시스체, 다른 쪽에 있다면 트랜스체라고 부릅니다.
참고로 이러한 이성질체는 분자량이 커질수록 기하급수적으로 늘어나는 특징을 갖고 있습니다.
[카이랄성]
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[수소, 반수소]
원자핵이 양전하를 전자가 음전하를 띠는 것을 일반적으로 원자라고 한다. 이에 완전히 반대되는 것이 있다. 원자핵이 음전하를, 전자가 양전하를 띠는 것이다. 가령 수소가 반수소와 충돌하게 되면 이는 빛을 내면서 소멸하게 된다.
[치환기, 알킬기, 작용기]
이를 아우르는 상위 개념은 유기 화합물 분자가 됩니다. 유기 화합물의 종류는 다양합니다. 다만 성질이 비슷한 것을 그룹화할 수 있으며 이 때 중요한 역할을 하는 것이 치환기입니다. 유기화합물은 본체 부분과 부수적인 부분으로 나뉩니다. 이 때 부수적인 부분이 치환기입니다. 하지만 우리의 머리와 몸이 둘 다 중요하듯 부수적인 부분이라 하여 중요성이 떨어짐을 의미하지 않습니다. 유기 화합물의 구조를 나타내면 아래와 같습니다.
유기 화합물
- something (main)
- 치환기 (sub)
-- 알킬기
-- 작용기
본체인 something과 부수적인 치환기로 구성이 되며 치환기는 알킬기와 작용기로 나뉩니다. 알킬기는 크게 특징이 두 가지입니다. 첫 번째는 탄소(C)와 수소(H)로 단일결합 된 것이고 두 번째는 알케인에서 수소가 하나빠진 것을 의미하는 것입니다. 즉 메테인($CH_4$)에서 수소하나가 빠진 메틸기($CH_3$)를 알킬기라 칭합니다. 또는 에틸기($CH_2CH_3$)입니다. 알칼기는 기호로 $R$로 표현합니다.
작용기는 알킬기 이외의 치환기를 의미합니다. 작용기는 이중 결합을 포함한 탄화수소이거나 대부분 C, H이외의 원소를 포함하고 있습니다. 작용기는 분자의 성질이나 반응성을 결정하기 때문에 분자의 얼굴과도 같습니다. 즉, 유기물의 성질은 작용기의 성질에 따라 결정됩니다. 한마디로 요약하면 작용기는 탄화수소에 장식으로 붙어 있는 원자단을 의미합니다.
전체를 요약하면 알킬기, 작용기의 핵심 차이점은 탄화수소로 결정됩니다. 알킬기는 탄소와 수소의 단일 결합으로 이루어진 것이며, 작용기는 탄소와 수소를 포함한 이외의 원자와 함께 결합하며 이중 결합도 포함됩니다.
[알코올]
알코올은 메탄올이나 에탄올처럼 알킬기에 하이드록시기(OH)가 결합한 화합물을 의미합니다. 참고로 메탄올과 에탄올은 대표적인 알코올입니다. 하지만 우리가 주로 알코올을 이야기할 때는 주성분인 에탄올을 의미할 때가 많습니다. 알콜은 중성이며 알칼리 금속과 반응해 금속염과 수소 가스가 생깁니다. 알코올은 크게 1차 알코올, 2차 알코올, 3차 알코올이 있는데요, 하이드록시기가 붙은 탄소에 알킬기가 1개 붙을 때 마다 늘어나는 식입니다.
[페놀]
벤젠에 하이드록시기가 붙은 것을 의미합니다. 주로 살균작용이 있어 소독제로 사용됩니다. 다크 초콜릿에 든 폴리페놀이 떠오릅니다. 항산화작용을 통해 노화를 방지해주는데 이와 관련이 있는 것 같아 보이네요.
[에터]
두 개의 알킬기가 산소에 의해 결합된 화합물을 의미합니다. 이 때 두 개의 알킬기가 모두 메틸기일 경우 다이메틸 에터, 에틸기일 경우 다이에틸 에터라 합니다. 참고로 다이는 수사로써 숫자 2를 의미합니다. 다이에틸 에터는 유기물을 녹이기 쉽기 때문에 유기 반응의 용매로 자주 사용되며 한 땐 마취제로 사용되기도 했습니다. 휘발성이 있어 폭발 위험도 있습니다. 종류는 크게 고리형과 사슬형 에터가 존재합니다.
[카보닐 화합물, 케톤]
카보닐 화합물이란 탄소와 수소가 이중 결합된 C=O 원자단을 포함한 화합물을 의미합니다.
카보닐기(C=O), 폼일기(CHO), 카복실기(COOH)
카보닐기에 2개의 알킬기가 결합한 것을 케톤이라 부르며 아세톤이나 벤조 페논 등이 있습니다. 아세톤은 유기물을 녹이는 힘이 매우 강하고 물과 잘 섞이는 성질이 있습니다. 케톤을 환원하면 2차 알콜이 되고 반대로 2차 알코올을 산화하면 케톤이 됩니다.
[알데하이드]
폼일기(CHO)를 포함한 화합물을 알데하이드라고 부릅니다. 참고로 폼일기에 포함된 CO는 이중 결합되어 있습니다. 이러한 알데하이드의 종류 중에는 폼알데하이드나 아세트알데하이드 벤조알데하이드등이 있습니다.
우리는 늘 잠을 잔다. 그리고 잠의 효능도 알고 그 중요성에 대해서도 들어보았거나 알고 있다. 하지만 우리 대부분은 겉으로 알고 있지만 그 중요성을 제대로 알지 못해 수면 건강을 챙기지 못하고 있다. 알람 없이 상쾌하게 일어날 수 있는 날이 언제였는가? 아마 대부분은 답하기 어려울 것이다.
수면 주기와 생존 적합도
사람은 개개인별로 3가지 수면 주기가 있다. 첫 번째는 아침형 인간으로 전체인구의 40%에 해당하며, 두 번째는 저녁형 인간으로 전체 인구의 30%에 해당한다. 마지막은 아침형과 저녁형 인간의 중간인 사람들로 전세계 인구의 30%에 해당한다. 왜 사람마다 이런 차이가 발생하게 된 것일까? 가장 설득력 있는 근거는 우리 조상의 생존 적합도를 높이기 위함이라는 것이다. 낮에 사냥과 채집과 같은 활동을 하다가 밤이 되면 잠에 들게 되는데, 이 때 모든 무리의 구성원이 잠을 자게 된다면 외부의 위협으로부터 위험하다. 때문에 두 그룹의 구성원으로 나누어 잔다는 것이다. 가령 첫 번째 그룹은 오후 9시나 10시에 잠이 들어 오전 4시 오전5시에 깬다면 두 번째 그룹은 보초를 서다가 오전 1시나 2시에 잠이 들어 오전 10시나 오전 11시에 깬다는 것이다. 이렇게 함으로써 외부의 위협으로부터 어느정도 안전해질 수 있다. 이러한 방식으로 진화해온 결과가 지금의 수면 주기의 차이를 빚어낸 것이다.
하지만 현대 사회에는 이러한 진화 과정의 차이를 무시한 채 저녁형 인간에게 약간의 불이익을 가하고 있다. 첫 번째는 저녁형 인간이 게으르다는 인식을 심는 것이며, 두 번째는 일과의 시작이 아침형 인간을 중심으로 이루어진다는 것이다. 때문에 저녁형 인간은 오후쯤 되어 활동을 하다가 비교적 늦게 잠이 들게 되는데 일과가 아침에 몰려 있다보니 충분한 수면에 있어 불리함에 놓이게 된다. 이러한 차이를 알고 있는 기업들이 있기 때문에 자율출퇴근제도나 수면실을 갖추게 되는 것으로 보인다. 여담이지만 저녁형 인간에 가까운 나로서는 향후 창업을 할 경우 자율출퇴근제도와 수면실을 반드시 갖출 것이다.
수면의 원인과 카페인
우리는 왜 수면을 할까? 왜 낮에 깨어 있다가 밤이 되면 잠이 올까? 그 답은 수면에 관여하는 단백질인 아데노신에 있다. 우리가 깨어있는 동안 꾸준히 뇌의 어딘가에 아데노신이 쌓이게 된다. 그래프로 표현하자면 시간의 흐름에 따라 하락하지 않고 아데노신이 꾸준히 상승하는 선형에 가까운 그래프라 볼 수 있다. 이 물질이 우리에게 수면 압력을 가하는 물질이다. 때문에 졸음이 쏟아지게 되며 비로소 우리는 잠을 자는 것이다. 잠의 효능 중 하나를 먼저 이야기하면 이 아데노신이 청소된다는 것이다. 하지만 만약 잠을 적게 자거나 못자게 되면 아데노신이 청소되지 않아 다음날도 피로감이 쉽게 찾아오고 잠이 계속 오게 된다는 것이다. 8시간 정도를 자야 아데노신을 말끔히 청소할 수 있다. 사람마다 개인차는 있지만 4~6시간만 자도 괜찮다는 사람은 정말 전 세계적으로 극소수라고 한다. 어느 한 뇌과학자는 전세계에서 5시간 미만으로 자도 괜찮은 사람의 비율을 올림 해도 0이라고 한다. 즉, 우리 모두는 잠을 잘 자는 것에 있어서 벗어날 수 없다는 것이다.
충분한 수면을 하지 못하게 되는 원인 중 하나는 흔히 카페인이 있다. 카페인은 석유다음으로 가장 많이 거래되는 상품으로, 카페인의 효능은 모두 알다시피 각성의 효과가 있다. 약 30분 뒤가 최고조라고 알려져 있다. 하지만 카페인이라고 하는 것이 반감기가 있다는 사실을 아는가? 카페인의 반감기는 평균 5시간에서 7시간이다. 때문에 매일 마시게 되는 사람들은 반감되어 사라지기도 전에 계속 섭취하게 되는 것이다. 이 카페인의 부정적인 측면은 바로 아데노신의 수면 신호를 차단하는 물질이라는 것이다. 밤 늦게 카페인을 마시게 되면 뇌가 반대세력인 카페인에 맞서 싸우게 되기 때문에 쉽게 잠이 오지 않거나 잠을 설치게 되는 것이다. 그렇다고해서 디카페인을 주로 마시는 것도 권장되지는 않는다. 디카페인은 용어 그대로와는 달리 기존 카페인의 15%~30%가 들어 있기 때문에 이름 그 자체와는 거리가 멀다.
수면의 종류와 특징
수면의 중요성을 말하기 위해 먼저 수면의 종류를 살펴볼 것이다. 수면은 크게 비렘수면과 렘수면이 있다. 렘(REM)수면이란 Rapid Eye Movement를 의미하는 것으로 수면 중 우리의 눈이 빠르게 움직이는 수면 상태를 말한다. 우리는 수면도중 이런 비렘수면과 렘수면을 반복적으로 거치게 된다. 여담이지만 렘수면의 주기가 90분인 것을 이용해 1시간 30분 단위로 자면 깨어날 때 조금 덜 피곤하다는 점을 이용하여 수면에 적용하는 사람도 있다. 2년전 우연히 만났던 서울대학교 학생이 그랬다. 처음에는 그런 것도 있구나 하고, 서울대생은 다르구나 느꼈다. 그때까지만해도 단순히 그런 것이 있구나 싶었는데 이런 렘수면의 중요성을 알게 된 것은 최근들어서이다.
여하튼 이런 렘수면과 비렘수면 사이에는 90분이라는 주기가 있다고 했다. 초반부에 비렘수면 상태가 우세하고 후반부에 렘수면 상태가 우세해진다. 비렘수면은 낮 동안 받아들였던 신호를 큼직큼직하게, 덩어리로, Abstract하게 처리하여 기억 다발에다 연결한다. 반면 렘수면은 낮 동안 받아들였던 신호를 미세미세하게, 조각으로, Concrete하게 처리하여 기억다발에다 연결한다. AI에 관심이 있는 사람으로써 AI로 비유를 하자면 BERT라는 자연어처리 모델이 있을 때 일반화된 성능을 위해 pre-training하는 것이 비렘수면의 기능이며 구체적인 태스크를 수행하기 위해 fine-tuning하는 것이 렘수면의 기능이라 이해할 수 있다. 사람은 8시간을 자야 비렘수면과 렘수면을 통해 pre-training, fine-tuning이 가능해지면서 기억을 강화할 수 있다. 하지만 만약 2시간을 덜자서 6시간 밖에 잠을 못잤다면 어떻게 될까? 논리적으로는 25%가 줄었지만 기억을 미세하게 다루는 렘수면 단계가 후반부에 몰려있기 때문에 Concrete하게 처리하는 과정의 60%~90%를 잃게 된다. 이런 렘수면과 비렘수면의 메커니즘 때문에 수면 시간을 충분히 하지 않을 경우 기억 강화에 심각한 손상을 입게 되고 학습 능력에 저하가 오게 된다.
렘수면과 운동신경
잠을 잘 때 누구와 싸우는 꿈을 꾼적이 있는가? 그렇다면 그 때 주먹이 날아가지 않아 답답했던 적은 없는가? 싸우는 꿈을 꿀때면 주먹이 나가지 않아 시원하게 펀치를 날릴 수 없어서 매우 가슴이 언짢은 상태로 깼다. 이는 렘수면의 특징이라고 한다. 렘수면 때 꿈을 꾸게 되는데 렘수면 상태가 되면 몸의 근육 활동이 '불법화' 된다는 것이다. 즉 근육억제체계가 활성화되어 꿈을 꿀 때 몸을 구금시키게 된다. 때문에 몸이 움직이지 않게 되는데 이는 생존을 위한 것이라고 한다. 우리는 잠을 자면서 주위 환경에 대한 의식을 인지하지 못하기 때문에 만에 하나 꿈과 현실을 구분하지 못해 주먹질을 하고 일어나거나 달리게 된다면 위험해진다는 것이다. 자연은 우리가 렘수면을 취하는 동안 우리의 몸이 움직이지 못하도록 프로그래밍 한 것이다. 이런 근육억제체계는 우리가 자라면서 계속해서 형성된다.
우리가 자라면서 근육억제체계가 계속해서 형성되기 때문에 태아 때는 발달 되지 않은 상태이다. 산모의 배에 태아의 손이나 발이 움직이는 것을 본적이 있을 것이다. 태아의 경우 대부분의 상태를 렘수면 상태로 보낸다. 렘수면의 전형적인 특징이 뇌의 전기 활성이 무작위로 솟구치게 되며 그로 인해 태아의 팔다리가 움직이게 되는 것이다. 성인의 경우 렘수면시 근육억제체계가 발달해서 움직이지 못하지만 태아의 경우 근육억제체계가 발달되지 않아 몸이 렘수면 상태임에도 불구하고 움직이게 되는 것이다.
렘수면의 다른 특징으로는 깨어있을 때 집중하는 뇌파와 동일하다는 것이다. 이를 통해 신경 통로들이 무성하게 자라도록 자극하며 각 통로에 시냅스 말단을 풍부하게 덧붙이게 된다. 태아의 발달 2분기 3분기 때 뇌와 구성 부분의 세세한 측면이 빠르게 형성되는데 그 때 렘수면이 대폭 늘어나는 시기이기도 하다. 이는 우연의 일치가 아니며 때문에 우리 성인도 낮 동안 학습한 것을 세세하게 신경다발로 연결하기 위해서는 잠의 후반부에 몰린 렘수면을 충분히 취할 수 있어야 한다는 것이다. 실제로 태어나기 전이나 태어난 직후에 발달중인 아기의 렘수면을 방해하거나 교란하면 후유증이 생기며, 렘수면만 막더라도 태아의 발달 과정이 지체된다.
비렘수면의 특징
비렘수면 시 강한 뇌파가 전두엽에서 생성된다. 이 뇌파가 뇌의 전반에 신호를 보낸다. 추후 아래에서 다시 한번 이야기하겠지만 이 신호는 수면방추라는 뇌파이다. 수면방추가 많이 일어나면 일어날수록 우리는 일어났을 때 개운하다고 느낄 수 있다. 수면방추의 특징은 짧고 강력한 뇌파인데, 운동 신경에도 관여하여 낮에 축적된 피로도를 줄일 수 있다. 또한 학습할 수 있는 일종의 공간을 다시 재마련해주는 일종의 휴지통 비우는 작업을 한다. 실제로 기억하는 자료의 양 사이의 상관관계는 깊은 렘수면을 더 취할수록 다음 날 더 많은 정보를 기억한다. 사람은 기억하라고 한 것과 기억하지 말라고 한 것을 분류하는 작업은 이러한 비렘수면을 취할 때 일어난다.
수면패턴의 변화
인간은 자라면서 수면 패턴이 바뀌게 된다. 크게 다상 수면, 이상 수면, 단상 수면이 있다. 먼저 다상 수면이란 분할 수면을 의미하는 것으로 아이처럼 여러번 일어났다 깼다 하는 수면 패턴을 의미한다. 때문에 다상 수면의 경우 유아기에서 많이 볼수 있는 특징이다. 이러한 다상 수면이 일어나게 되는 원인은 무엇일까? 답은 인간의 몸안에 있는 하루 주기 리듬을 조절하는 기관에 있다. 그 기관은 시교차상핵이라 하여 뇌 속에서 시신경들이 교차하는 지점 바로 위에 존재한다. 역할로는 태양과 같은 빛 신호를 추출해서 약 24시간 주기를 맞춰준다. 하지만 빛 신호가 아니더라도 기온 변화나 규칙적인 음식과 같이 반복되는 신호들에 연동되면 점점 더 강하게 하루 주기 리듬이 맞춰지게 된다.
이러한 이유로 갓 태어난 아기는 시교차상핵에 하루주기리듬이 매여있지 않으므로 첫돌이 지나 일정한 주기가 생길때까지 다상 수면 패턴을 유지게 하게 된다. 만 4세쯤 되면 다상수면 패턴에서 이상 수면 패턴으로 넘어가서 밤에는 쭉자고 낮에 한 차례 정도 낮잠을 자게 되고, 이후 유년기가 끝나게 되면 단상 수면 패턴으로 바뀌면서 낮에 깨어있다가 밤에 자는 패턴이 된다.
기억용량과 수면의 상관관계와 수면방추
해마와 주위 기관
수면은 우리가 낮에 배웠던 학습 내용들을 단기기억에서 장기기억으로 옮기는 역할을 하게 된다. 단기기억에 관여하는 기관은 해마(Hippocampus)로, 일종의 용량 작은 USB이다. 잠을 자면서 해마에 들어 있던 학습 내용을 장기기억에 관여하는 기관인 피질(Cortex)에 옮기게 된다. 피질은 일종의 대용량 하드 디스크(HDD)이다. 잠을 잠으로써 해마에서 피질로 정보가 옮겨지면서 기억 공간의 용량을 확보하는 효과를 누릴 수 있게 된다. 이와 관련해서 실험이 하나 있다. 실제로 학습을 시킨 뒤 낮잠을 잔 그룹과 낮잠을 자지 않은 그룹의 학습 능력과 기억력을 평가한 결과 낮잠을 잔 그룹이 20%가 높다는 연구 결과가 있었다. 즉, 수면이 뇌로 하여금 학습을 가능하게 하는 용량을 복구하여 새로운 기억을 위한 공간을 마련한 것이다.
수면방추 (sleep spindle)
그렇다면 어떤 원리로 새로운 기억 공간을 마련할 수 있는 것일까? 그 답은 수면방추라는 뇌파에 있다. 약 8Hz ~ 14Hz에 해당한다. 이 수면방추는의 특징은 비렘수면 단계때 전기 활성이 짧고 강력하게 치솟게 한다. 낮잠을 잘 때 수면방추가 많이 나타났다면 깨어났을 때 단기 기억 용량을 더 많이 복원한다. 반대로 수면방추가 더 적게 나타나면 단기 기억 용량을 비우지 못했기 때문에 일어났을 때 학습 능력이 저하된다. 비렘수면에서 특이하게 발생하는 이런 수면방추 같은 경우는 아침에 가까울수록 특히 많이 나타난다고 알려져 있다. 정확히는 8시간 수면 중 마지막 2시간쯤에서 수면방추가 가장 많이 치솟는다고 한다. 수면방추는 단기 기억 용량을 늘릴 뿐만아니라 기억력에도 관여한다고 한다. 해야 할 것 기억하지 말아야 할 것을 잘 구분한다고 하며, 이에 대해서 구체적으로 정확히 아는 바는 없지만 솟구치는 전기 활성으로 인해 가진 더 많은 에너지로 넓은 범위의 신경 회로 전달하기 때문이 아닐까 한다.
마지막으로, 수면방추는 운동 신경에도 관여한다고 한다. 운동을 한 뒤 잠을 자게 되면 수면방추는 비렘수면 때 학습했던 운동 역량을 미세하게 다듬는다고 한다. 이를 운동기술기억 향상이라하며 또한 수면방추를 통해 근육피로도를 줄이고 활력을 다시 샘솟게 할 수 있다. 그래서 올림픽과 같은 대회에 서는 선수들의 역량을 가르는 핵심 요인 중 하나로 시합 직전의 낮잠이 있다고도 한다. 실제로 우사인볼트는 대회 몇 시간 전에 낮잠을 자고 일어나 세계기록을 세웠다.
수면과 질병의 상관관계
기억력 저하 노년이 되면 잠이 잘 오지 않는다고들 한다. 하지만 이런 양상과는 달리 노년에도 청년이나 중년처럼 많은 잠이 필요하다. 다만 필요한 만큼 잠을 잘 수 없을 뿐이다. 40대 중후반으로 들어서게 되면 10대 때 누렸던 깊은 수면 중 60% ~ 70%가 사라진다고 한다. 여기서 핵심 문제점은 깊은 수면이 줄어드는 것 뿐만 아니라, 우리가 잠을 얼마나 푹 잤는지 평가할 수 있는 평가지표가 없다는 것이다. 즉 사람들이 자신이 늙어 갈수록 자신의 깊은 잠의 양과 질이 얼마나 떨어지는지 깨닫지 못한다. 이로 인해 노인들은 수면악화와 건강악화가 연결되어 있음을 알아차리지 못하게 되는 것이다. 수면이 만성적으로 악화, 교란된다면 신체 질병이나 정신 건강 불안정, 각성도 저하, 기억 장애가 발생하게 된다.
나이가 들면 가장 극적으로 퇴화하는 영역은 전두엽이다. 전두엽의 역할 중 하나는 비렘수면 시 강한 뇌파를 생성하여 뇌의 전반에 신호를 보내주는 역할을 한다. 하지만 비렘수면과 관련된 전두엽의 기능이 떨어지면서 뇌의 전반에 신호를 보내지 못하게 된다. 이로 인해 수면의 양과 질이 떨어지게 되는 것이며, 이로 인해 학습 능력이 떨어지고 결과적으로 기억력이 저하 된다. 노년에 나타나는 이런 기억력 저하와 수면 악화의 경우 우연의 일치가 아닌 것이다.
자폐증 렘수면 부족은 자폐증과도 연관성이 있다. 자폐증의 핵심 증상은 사회적 상호 작용의 부족이라 할 수 있다. 자폐의 정확한 원인은 제대로 밝혀지지 않았지만 뇌 초기 발달 단계 때 시냅스 형성 과정에서 부적절한 배선이 장애의 핵심이라고 여겨지고 있다. 여기서 흥미로운 것은 자폐 진단을 받은 자폐아의 수면 패턴과 비자폐아의 수면 패턴이 다른데, 수면 패턴 차이점의 핵심은 렘수면 부족이다. 앞서 언급한 바와 같이 학습한 내용을 렘수면을 통해 우리 신경 회로들을 추가하고 붙이는 역할을 하지만 그 회로가 잘못 놓여 있고, 그 회로를 형성에 관여하는 렘수면이 매우 적다는 것이다. 실제로 자폐아의 경우 비자폐아에 비해 렘 수면 양이 30% ~ 50%가 부족하다고 알려져 있다.
수면 장애 불면증이나, 수면과다증, 기면증의 경우 수면방추가 비정상적으로 감소하거나 증가됨으로써 발생한다. 만약 불면증 환자라면 수면방추를 늘려주는 방식으로 수면 장애를 치료할 수 있고, 수면과다증 환자의 경우 수면방추를 감소시켜주는 방식으로 수면 장애를 치료할 수 있다.
알츠하이머 실제로 비렘수면이 제대로 이루어지지 않으면 알츠하이머 발병에 많은 확률을 높인다. 알츠하이머는 베타아밀로이드라는 물질이 뇌안에 쌓이면서 발생하게 된다. 참고로 베타아밀로이드는 알츠하이머의 직접적인 원인은 아니다. 하지만 알츠하이머 환자를 분석했을 때 베타아밀로이드라는 일종의 끈적한 단백질이 쌓여 있어 주요 바이오 마커가 된다. 원래 베타아밀로이드는 원래 우리 몸의 방어기제로서 생성되는 긍정적인 단백질이다. 우리 몸에 독소가 들어와 시냅스를 파괴하려고 할 때 독소들을 끈끈하게 만들어 시냅스 파괴를 하지 못하도록 만든다. 정상적으로 생성된 베타아밀로이드는 비렘수면 때 나오는 글림프계의 뇌척수액에 의해 씻겨내려간다. 하지만 비렘수면이 줄어들게 된다면 뇌척수액에 다 씻겨내려가지 못한 부분이 남아있게 되고 이게 축적되면 알츠하이머가 되면서 되려 시냅스를 파괴하여 인지기능의 저하와 나아가 자신 스스로를 잊게 되는 증상을 가져오오게 되는 것이다. 실제로 생쥐를 비렘수면에 들지 못하게 막았다니 그 즉시 뇌안에 아밀로이드가 쌓이는 연구 결과가 있었다. 이렇듯 부족한 잠은 알츠하이머병을 유발하고 상호작용하면서 악순환을 일으키기 때문에 수면은 중요하다.
졸음운전과 미세수면
수면을 충분히 취하지 못하면 운전석에서 일시적으로 집중력을 상실하는 미세수면에 빠질 수 있게 된다. 미세수면 때는 우리 뇌는 잠시 바깥 세계와 단절이 된다. 시각 뿐 아니라 모든 지각 영역이 그렇다. 그 시간에 어떤 일이 일어났는지 지각하지 못한다. 실제로 경험을 해보니 확 느끼게 되었다. 운전면허시험 때 하룻밤을 새고 갔더니 정지 신호 받은 뒤 약 몇 분간의 시간이 블랙아웃되어 사라지는 경험이 있었고 정말 주의할 필요가 있다는 교훈을 얻게 됐다. 실제로 오전 7시부터 온종일 깨어있다가 새벽에 차를 몰고 귀가할 때는 음주 운전자만큼 지장을 받는다고 한다. 수면시간감소와 자동차 사고 사망률 그래프는 기하급수적인 양상을 띤다. 졸음운전은 음주운전과 위험 수준이 동일하다.
감정 조절과 수면
수면이 부족하게 되면 뇌의 양쪽에 있는 편도체에서 감정 반응을 60% 증폭시킨다. 잠이 부족하게 되면 뇌가 통제가 안되는 원시적인 양상으로 돌아가게 된다. 구체적으로 수면을 제대로 취하지 못하게 되면 편도체와 전전두엽피질 사이의 불균형이 발생한다는 것이다. 편도체는 일종의 감정가속폐달과도 같고 전전두엽피질은 브레이크와도 같은데 잠을 잘 못자게 되면 이 둘 사이의 강한 연결이 끊기게 된다고 한다.
"우리는 얼마나 수면부족이 우리에게 영향을 미치는지 알지 못한다. 모든 사람이 일관되도록 자신의 수행 능력 감소를 과소평가 한다"
