현미경으로 생물체를 관찰할 때는 대상에 따라 적절한 현미경을 선택해야 한다.
광학현미경과 형광현미경, 전자현미경의 장점을 물리, 화학적인 측면에서 비교한다.
고온에서 단백질이 변성되는 현상을 물리, 화학적 관점으로 설명한다.
Q1다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 전자는 특정 에너지를 갖는 궤도에서만 원운동을 한다. 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이할 때에는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 만큼의 빛(에너지)을 흡수하고, 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때에는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 만큼의 빛(에너지)을 방출한다.
(나) 빛을 수면파의 회절실험과 유사하게 실험하면 수면파와 비슷한 교차하는 무늬가 생긴다. 이는 빛도 파동성을 갖고 있다는 것을 입증한다. 빛의 회절 무늬에서 밝거나 어두운 곳의 위치는 수면파와 마찬가지로 슬릿 폭이나 빛의 파장과 관계있다. 빛의 회절도 슬릿 폭이 작을수록, 파장이 길수록 잘 일어난다. 아인슈타인은 광전효과를 설명하기 위해 빛을 광자라는 에너지 입자의 흐름으로 보았다.
아인슈타인은 진동수가 v인 광자 한 개가 갖는 에너지를 hv라고 하였다. (플랑크 상수 h의 값은 6.626×10-34J·s이고, 빛의 속도는 c =3×108 m/s이다. )
(다) 전자기파는 매질이 없는 진공에서 빛의 속도로 진행한다. 전자기파는 주파수에 따라 전파(중파, 파, 초단파, 극초단파), 빛(적외선, 가시광선, 자외선), X선, 감마선으로 분류된다.(<표1>)
라) 녹색형광단백질 GFP(green fluorescent protein)는 자외선이나 청색 빛에 노출됐을 때 녹색의 형광 빛을 내는 Aequorea victoria라는 해파리로부터 분리됐다. 세포학이나 분자생물학에서 GFP는효모, 곰팡이 세포, 식물, 초파리, 인간세포 등에서 유전자 발현 여부를 알아보기 위한 바이오센서로 많이 사용된다. 녹색 형광 빛으로 단백질의 움직임과 위치를 확인할 수 있어 특정 세포가 어떻게 움직이고 성장하는가를 쉽게 알 수 있다. 형광현미경에 사용되는 형광물질은 광수득률(quantum yield)이 중요하다. 광수득률은 포획한 광자에 대한 재 방출하는 광자의 비율을 나타낸다. GFP는 최대 0.8의 광수득률을 가지고 있다.
(마) 가까이 있는 두 점이 서로 떨어져 있음을 구별할 수 있는 두 점 사이의 최소한의 거리인 해상력은 광원의 파장과 대물렌즈의 개구수에 의해 결정된다. 대물렌즈의 해상력(d)은 다음의 식으로 표현된다.
d=0.61×λ/NA (λ: 현미경에 사용된 빛의 파장, NA : 개구수)
개구수는 대물렌즈로 들어가는 빛 중 최대한 많이 벌어진 빛과 광축 사이의 각, 즉 개구각에 의하여 결정되며 모든 대물렌즈는 고유한 개구수를 가지고 있다. 개구수는 프레파라트와 대물렌즈 사이에 빛이 통과하는 공간 매질의 굴절률과 개구각의 sin값을 곱한 값(NA=n·sinθ)으로 표시된다. 일반적으로 40배 대물렌즈는 0.65의 개구수를 갖는다.
1) 자외선은 눈으로 볼 수 없지만 이것을 흡수한 분자가 내는 형광은 눈으로 볼 수 있다. 그 이유를 제시문을 참조하여 설명하라.
2) 전자현미경은 일반적으로 가속전압 200kV에서 0.0025nm파장의 전자선을 사용한다. (이때, 각은 5×10-3rad이며 전자현미경 내부는 진공이다.) 제시문 내용을 바탕으로 광학현미경의 분해능의 한계를 추정하고, 일반광학현미경에 비해 전자현미경이 갖는 장점을 전자기파의 성격에 근거하여 설명하라.
전문가 클리닉
첫 번째 문제는 형광현미경에 관련된 것으로 자외선을 흡수한 GFP분자가 형광을 내는 원리를 화학적인 지식을 이용해 설명해야 합니다. 두 번째는 생물체의 미세구조를 관찰할때사용하는 전자현미경의 원리를 전자기파에 대한 물리학적인 지식을 이용하여 설명하는 문제입니다.
예시답안
1) 자외선은 380~10nm의 파장을 갖는 빛으로 700nm~380nm의 파장을 갖는 가시광선에 비해 파장이 짧다. 제시문(나)에서 광량자의 에너지는 E=hv=h c/λ 이므로 (c는 빛의 속도) 파장이 짧은 자외선이 가시광선에 비해 더 큰에너지를 가지고 있다. 자외선을 흡수한 분자의 전자는 에너지를 받아 들뜬 상태가 된다. 이 전자는 바닥상태보다 조금 높은 상태의 궤도로 떨어지면서 가시광선의 파장에 해당하는 에너지를 방출한다. 즉 자외선의 에너지를 받아 들뜬 상태에 해당하는 궤도로 상향 이동한 후 여러번 단계를 거쳐 바닥상태로 떨어지면서 형광 빛을 내는 것이다. 형광으로 전환되지 않는 에너지는 열의 형태로 방출된다.
2) 현미경의 분해능은 빛의 회절과 간섭에 의해 결정된다. 제시문(나)에서 알 수 있듯 파장이 길수록 회절이 잘 일어나므로 파장이 짧은 광원을 사용하는 현미경일수록 회절현상이 일어나지 않고 분해능도 증가할 것이다. 광학현미경의 분해능은의 공식을 통해 계산할수있다. 40배 대물렌즈를 기준으로 하면 개구수(NA)는 0.65이다. 지문(다)에서 가시광선은 700nm~380nm 파장대를 가진다고 했으므로 d=0.61X380/0.65(nm)와 같다. 즉 이상적인 경우 약 360nm의 떨어진 점까지도 구별할 수 있다.
전자현미경은 전자선을 사용하므로 광학현미경에 광원의 파장이 더 짧다. 광원의 파장이 0.0025nm, θ=sinθ(각도가 작은 경우), 진공의 굴절률은 1이므로d =0.61×0.0025/5X1013 (nm)이다.
다른 조건이 모두 이상적인 경우 최대 약 0.3nm거리의 두 점을 구별할 수 있다. 즉 짧은 파장의 전자선을 사용하는 전자현미경이 가시광선을 이용하는 일반 광학현미경보다 분해능이 훨씬 더좋다.
Q2다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 어떤 물질이 가지고 있는 에너지의 양을 그 물질의 열함량 또는 엔탈피라고 하며, 기호 H로 나타낸다. 일반적으로 물질이 가진 에너지의 절대량은 알 수 없다. 반응이 일어날 때 반응 물질의 엔탈피와 생성 물질의 엔탈피의 차이만을 알 수 있다. 엔탈피의 변화는 △H로 나타낸다.
△H=(생성물질의 총 엔탈피) - (반응물질의 총 엔탈피)
발열 반응은 반응 물질의 엔탈피가 생성 물질의 엔탈피보다 크므로 엔탈피 변화 △H는 음의 값을 갖고, 흡열 반응은 반응 물질의 엔탈피가 생성 물질보다 작으므로 △H는 양의 값을 갖는다.
두 원자 사이의 결합을 끊는 데 필요한 에너지를 결합 에너지라고 한다. 다음은 단일 결합이나 다중 결합의 결합에너지 값을 나타낸 예이다. (단위: kJ/mol).
C-C：346.1 N－H 391.8 C=C：615.9
결합이 강할수록 결합을 끊는 데 에너지가 많이 필요하기 때문에 결합 에너지가 크다. 화학 반응이 일어나면 반응 물질을 구성하는 원자 사이의 결합이 끊어지면서, 생성 물질을 구성하는 원자 사이의 결합이 만들어진다. 결합을 끊는 반응은 흡열 반응이다.
(나) 공기 저항과 마찰을 무시하면 진동하는 추는 영원히 진동 할 것이다. 이와 같이 물체가 외부에 어떠한 영향도 주지 않고 처음의 상태로 되돌아가는 현상을 가역 현상이라고 한다. 하지만 현실적으로 추는 마찰과 공기 저항에 의해 정지하기 때문에 처음의 운동 상태로 되돌아갈 수 없다. 한쪽 방향으로는 저절로 일어나지만 그 반대 방향으로는 저절로 일어나지 않는 현상을 비가역 현상이라고 한다. 폭포에서 물이 떨어지거나 향기가 퍼져 나가는 현상이 대표적인 비가역 현상이다. 자연 현상은 대부분 비가역 현상이다.
1) 제시문(라)의 밑줄 친 부분과 같이 체내 단백질들은 40℃ 이상 고열이 지속되면 변성된다. 단백질의 변성과정을 엔탈피, 엔트로피, 깁스자유에너지의 개념을 이용하여 설명하라.
2) 살아있는 세포에서 자유에너지를 저장하는 주된 매개체는 아데노신삼인산(ATP)이다. 아데노신이인산(ADP)으로부터 아데노신임산(ATP)가 생성 되는 반응과 포도당 한분자가 38개의 ATP 분자를 생성하는 반응이 어떻게 짝지어서 자발적으로 일어나는지 밝혀라.
전문가 클리닉
1) 단백질로 이루어진 효소가 활성화 되는 최적 조건을 벗어났을 때 그 구조가 변하고 기능을 상실하는 현상을 물리, 화학적 관점으로 설명합니다. 체온이 40℃이상으로 올라가면 생명이 위독해지는 현상을 물리 교과서에서 언급되는 엔트로피와, 화학 교과서에서 설명되는 엔탈피, 두 개념을 연결하는 깁스자유에너지의 부등호를 이용해 설명합니다.
2) 체내에서 에너지를 저장하는 반응은 비자발적이지만 짝지어진 반응에 의해 포도당 대사는 자발적으로 진행됩니다. 이 과정을 깁스자유에너지와 관계해서 생각해보는 문항입니다. △G의 부호를 보면 반응을 예측할 수 있습니다.
광학현미경과 형광현미경, 전자현미경의 장점을 물리, 화학적인 측면에서 비교한다.
고온에서 단백질이 변성되는 현상을 물리, 화학적 관점으로 설명한다.
Q1다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 전자는 특정 에너지를 갖는 궤도에서만 원운동을 한다. 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이할 때에는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 만큼의 빛(에너지)을 흡수하고, 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때에는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 만큼의 빛(에너지)을 방출한다.
(나) 빛을 수면파의 회절실험과 유사하게 실험하면 수면파와 비슷한 교차하는 무늬가 생긴다. 이는 빛도 파동성을 갖고 있다는 것을 입증한다. 빛의 회절 무늬에서 밝거나 어두운 곳의 위치는 수면파와 마찬가지로 슬릿 폭이나 빛의 파장과 관계있다. 빛의 회절도 슬릿 폭이 작을수록, 파장이 길수록 잘 일어난다. 아인슈타인은 광전효과를 설명하기 위해 빛을 광자라는 에너지 입자의 흐름으로 보았다.
아인슈타인은 진동수가 v인 광자 한 개가 갖는 에너지를 hv라고 하였다. (플랑크 상수 h의 값은 6.626×10-34J·s이고, 빛의 속도는 c =3×108 m/s이다. )
(다) 전자기파는 매질이 없는 진공에서 빛의 속도로 진행한다. 전자기파는 주파수에 따라 전파(중파, 파, 초단파, 극초단파), 빛(적외선, 가시광선, 자외선), X선, 감마선으로 분류된다.(<표1>)
라) 녹색형광단백질 GFP(green fluorescent protein)는 자외선이나 청색 빛에 노출됐을 때 녹색의 형광 빛을 내는 Aequorea victoria라는 해파리로부터 분리됐다. 세포학이나 분자생물학에서 GFP는효모, 곰팡이 세포, 식물, 초파리, 인간세포 등에서 유전자 발현 여부를 알아보기 위한 바이오센서로 많이 사용된다. 녹색 형광 빛으로 단백질의 움직임과 위치를 확인할 수 있어 특정 세포가 어떻게 움직이고 성장하는가를 쉽게 알 수 있다. 형광현미경에 사용되는 형광물질은 광수득률(quantum yield)이 중요하다. 광수득률은 포획한 광자에 대한 재 방출하는 광자의 비율을 나타낸다. GFP는 최대 0.8의 광수득률을 가지고 있다.
(마) 가까이 있는 두 점이 서로 떨어져 있음을 구별할 수 있는 두 점 사이의 최소한의 거리인 해상력은 광원의 파장과 대물렌즈의 개구수에 의해 결정된다. 대물렌즈의 해상력(d)은 다음의 식으로 표현된다.
d=0.61×λ/NA (λ: 현미경에 사용된 빛의 파장, NA : 개구수)
개구수는 대물렌즈로 들어가는 빛 중 최대한 많이 벌어진 빛과 광축 사이의 각, 즉 개구각에 의하여 결정되며 모든 대물렌즈는 고유한 개구수를 가지고 있다. 개구수는 프레파라트와 대물렌즈 사이에 빛이 통과하는 공간 매질의 굴절률과 개구각의 sin값을 곱한 값(NA=n·sinθ)으로 표시된다. 일반적으로 40배 대물렌즈는 0.65의 개구수를 갖는다.
1) 자외선은 눈으로 볼 수 없지만 이것을 흡수한 분자가 내는 형광은 눈으로 볼 수 있다. 그 이유를 제시문을 참조하여 설명하라.
2) 전자현미경은 일반적으로 가속전압 200kV에서 0.0025nm파장의 전자선을 사용한다. (이때, 각은 5×10-3rad이며 전자현미경 내부는 진공이다.) 제시문 내용을 바탕으로 광학현미경의 분해능의 한계를 추정하고, 일반광학현미경에 비해 전자현미경이 갖는 장점을 전자기파의 성격에 근거하여 설명하라.
전문가 클리닉
첫 번째 문제는 형광현미경에 관련된 것으로 자외선을 흡수한 GFP분자가 형광을 내는 원리를 화학적인 지식을 이용해 설명해야 합니다. 두 번째는 생물체의 미세구조를 관찰할때사용하는 전자현미경의 원리를 전자기파에 대한 물리학적인 지식을 이용하여 설명하는 문제입니다.
예시답안
1) 자외선은 380~10nm의 파장을 갖는 빛으로 700nm~380nm의 파장을 갖는 가시광선에 비해 파장이 짧다. 제시문(나)에서 광량자의 에너지는 E=hv=h c/λ 이므로 (c는 빛의 속도) 파장이 짧은 자외선이 가시광선에 비해 더 큰에너지를 가지고 있다. 자외선을 흡수한 분자의 전자는 에너지를 받아 들뜬 상태가 된다. 이 전자는 바닥상태보다 조금 높은 상태의 궤도로 떨어지면서 가시광선의 파장에 해당하는 에너지를 방출한다. 즉 자외선의 에너지를 받아 들뜬 상태에 해당하는 궤도로 상향 이동한 후 여러번 단계를 거쳐 바닥상태로 떨어지면서 형광 빛을 내는 것이다. 형광으로 전환되지 않는 에너지는 열의 형태로 방출된다.
2) 현미경의 분해능은 빛의 회절과 간섭에 의해 결정된다. 제시문(나)에서 알 수 있듯 파장이 길수록 회절이 잘 일어나므로 파장이 짧은 광원을 사용하는 현미경일수록 회절현상이 일어나지 않고 분해능도 증가할 것이다. 광학현미경의 분해능은의 공식을 통해 계산할수있다. 40배 대물렌즈를 기준으로 하면 개구수(NA)는 0.65이다. 지문(다)에서 가시광선은 700nm~380nm 파장대를 가진다고 했으므로 d=0.61X380/0.65(nm)와 같다. 즉 이상적인 경우 약 360nm의 떨어진 점까지도 구별할 수 있다.
전자현미경은 전자선을 사용하므로 광학현미경에 광원의 파장이 더 짧다. 광원의 파장이 0.0025nm, θ=sinθ(각도가 작은 경우), 진공의 굴절률은 1이므로d =0.61×0.0025/5X1013 (nm)이다.
다른 조건이 모두 이상적인 경우 최대 약 0.3nm거리의 두 점을 구별할 수 있다. 즉 짧은 파장의 전자선을 사용하는 전자현미경이 가시광선을 이용하는 일반 광학현미경보다 분해능이 훨씬 더좋다.
Q2다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 어떤 물질이 가지고 있는 에너지의 양을 그 물질의 열함량 또는 엔탈피라고 하며, 기호 H로 나타낸다. 일반적으로 물질이 가진 에너지의 절대량은 알 수 없다. 반응이 일어날 때 반응 물질의 엔탈피와 생성 물질의 엔탈피의 차이만을 알 수 있다. 엔탈피의 변화는 △H로 나타낸다.△H=(생성물질의 총 엔탈피) - (반응물질의 총 엔탈피)
발열 반응은 반응 물질의 엔탈피가 생성 물질의 엔탈피보다 크므로 엔탈피 변화 △H는 음의 값을 갖고, 흡열 반응은 반응 물질의 엔탈피가 생성 물질보다 작으므로 △H는 양의 값을 갖는다.
두 원자 사이의 결합을 끊는 데 필요한 에너지를 결합 에너지라고 한다. 다음은 단일 결합이나 다중 결합의 결합에너지 값을 나타낸 예이다. (단위: kJ/mol).
C-C：346.1 N－H 391.8 C=C：615.9
결합이 강할수록 결합을 끊는 데 에너지가 많이 필요하기 때문에 결합 에너지가 크다. 화학 반응이 일어나면 반응 물질을 구성하는 원자 사이의 결합이 끊어지면서, 생성 물질을 구성하는 원자 사이의 결합이 만들어진다. 결합을 끊는 반응은 흡열 반응이다.
(나) 공기 저항과 마찰을 무시하면 진동하는 추는 영원히 진동 할 것이다. 이와 같이 물체가 외부에 어떠한 영향도 주지 않고 처음의 상태로 되돌아가는 현상을 가역 현상이라고 한다. 하지만 현실적으로 추는 마찰과 공기 저항에 의해 정지하기 때문에 처음의 운동 상태로 되돌아갈 수 없다. 한쪽 방향으로는 저절로 일어나지만 그 반대 방향으로는 저절로 일어나지 않는 현상을 비가역 현상이라고 한다. 폭포에서 물이 떨어지거나 향기가 퍼져 나가는 현상이 대표적인 비가역 현상이다. 자연 현상은 대부분 비가역 현상이다.
1) 제시문(라)의 밑줄 친 부분과 같이 체내 단백질들은 40℃ 이상 고열이 지속되면 변성된다. 단백질의 변성과정을 엔탈피, 엔트로피, 깁스자유에너지의 개념을 이용하여 설명하라.
2) 살아있는 세포에서 자유에너지를 저장하는 주된 매개체는 아데노신삼인산(ATP)이다. 아데노신이인산(ADP)으로부터 아데노신임산(ATP)가 생성 되는 반응과 포도당 한분자가 38개의 ATP 분자를 생성하는 반응이 어떻게 짝지어서 자발적으로 일어나는지 밝혀라.
전문가 클리닉
1) 단백질로 이루어진 효소가 활성화 되는 최적 조건을 벗어났을 때 그 구조가 변하고 기능을 상실하는 현상을 물리, 화학적 관점으로 설명합니다. 체온이 40℃이상으로 올라가면 생명이 위독해지는 현상을 물리 교과서에서 언급되는 엔트로피와, 화학 교과서에서 설명되는 엔탈피, 두 개념을 연결하는 깁스자유에너지의 부등호를 이용해 설명합니다.
2) 체내에서 에너지를 저장하는 반응은 비자발적이지만 짝지어진 반응에 의해 포도당 대사는 자발적으로 진행됩니다. 이 과정을 깁스자유에너지와 관계해서 생각해보는 문항입니다. △G의 부호를 보면 반응을 예측할 수 있습니다.
