생명의 화학: 지구상에 어떻게 생명체의 존재가 가능할까?

생명의 화학: 지구상에 어떻게 생명체의 존재가 가능할까?

생명과학의 기초 생화학

Chapter 1

1장의 개요

1.1 생명을 가능하게 한 태양에너지와 물 1.2 물의 특성과 생체반응

1.3 열역학과 생체시스템 1.4 생체반응과 세포의 역할

생명 물질과 현상을 분자수준에서 연구하는 기초 생명과학의 분야

생화학의 기원 

초기 독일에서 유기화학자들이 생명물질의 구성과 그 기능을 이해하려는 노력으로 시작

생화학적 연구기법을 이용한 생명과학 분야의 학문 

의학, 보건학, 생물공학, 영양학, 약리학, 농학, 환경화학, 스포츠과학 등

생화학이란(화학생물학)?

생화학 발전의 역사

18세기 후반 : 독일에서 유기화학자, 의사들 생화학 개념의 형성

19세기 초 : “생명력” 유기물-무기물 논쟁 1820년 : 뵐러의 뇨소의 합성

1840년대 : 신진대사의 개념 (리비히의 음식물의 연소)

1877년 : 호퍼자일러-생리화학학술지 (처음 “생화학”사용) 1878년 : 퀴네: “효소(Enzyme)” 사용

1902년 : 에밀 피숴: “Key & Lock”이론(노벨상 2회째) 1907년 : 뷔크너: 효모에서 효소 추출

1933년 : 크레브: Urea Cycle

생화학 발전의 역사

1940년대 : 홀몬 및 바이타민의 발견

1944년 : 에버리, 맥레오드, 멕커리  핵산의 기능 발견 1946년 : 섬너  효소의 결정(유리아제)

1953년 : 크랩싸이클 발견

1954년 : 폴링, 코리: 단백질 알파나선 1958년 : 생거: 인슐린 일차구조

비들, 테이텀: “ONE GENE ONE ENZYME”

1962년 : 왓슨, 크릭 : DNA 나선구조 1965년 : 제이콥, 모노: 효소조절

20세기 생화학 연구의 업적

1. 생체구성물질의 구조 확인의 연구 탄수화물의 발견, 지질의 구조 확인 단백질의 구조 확인, 핵산의 구조 확인 2. 신진대사 및 조절의 연구

탄수화물 지질의 분해 및 에너지 발생 단백질 핵산의 생합성, 비타민의 발견 3. 유전물질의 확인

유전자코드, 유전정보의 흐름, 유전자재조합으로 단백질 제조 4. 단백질의 삼차구조

효소의 기능 및 작용의 연구, 단백질의 구조기능의 관계

21세기 생화학의 과제

생명현상의 기초연구 : 기관의 형성, 유전자지도를 이용한 신기능물질의 연구

의약학의 연구 : 암의 퇴치, 에이즈예방, 치매 등 뇌 질환 연구, 노화의 원인

식량자원의 확보 : 식량의 증산, 식품의 개선

환경의 개선 : 대기환경의 개선, 폐기물의 활용, 부식성 고분자 제조

대체에너지의 개발 : 바이오에너지, 수소에너지

생명 현상의 이해

1. 생명체  세포 구성단위  생명활동에 에너지 필요 2. 생명현상  수천 개의 화학반응  조절 및 통합

3. 에너지 생성  해당작용  모든 생물 4. 모든 생물  같은 타입의 분자 사용

5. 생장, 발전, 생식에 필요한 정보 핵산 생물체

400만종  원핵생물 및 진핵생물

1.단생생물계 2.원생생물계 3.균류 4.식물 5.동물

생체분자

1. 동물, 식물세포는  10,000여 종 생체분자  50~95% 물, Na⁺, K⁺, Mg⁺⁺, Fe, Ca⁺⁺  1%

2. 대부분 유기화합물  탄소, 수소, 산소, 질소, 인, 유황 3. 유기생체분자의 작용기 : 유기화합물의 수소 대신

 작용기

4. 작은 생체분자  아미노산, 당, 지방산, 뉴클레오타이드 5. 아미노산 : 20개의 알파아미노산

6. 50개의 아미노산  폴리펩타이드, 더 긴 것  단백질

* 원자질량단위: 유기화합물 ¹²C의 1/12(Dalton)

그림 1-1. 주기율표에서 생체 구성원소들의 분포

1.1 생명을 가능하게 한 태양에너지와 물

1. 태양에너지의 이용

2. 생체화학반응 : 단백질 촉매  물, 적절한 온도 3. 태양의 빛  다양한 파장의 전자기 스펙트럼

4. 빛 760nm, 650nm  광합성(공기 중의 탄소 고정)

 탄수화물  생명의 유지 및 번식 에너지 제공 5. 탄소회로(carbon cycle)운영  태양에너지

태양에너지의 활용

그림 1-2. 전자기 스펙트럼

그림 1-3. 탄소순환과정

생명체와 지구의 온도 1. 짧은 파장의 빛 대기권 밖에서 흡수

2. 지구에 도달한 빛과 우주공간의 방사선의 빛이 평형

 지구온도의 일정하게 유지 3. 탄산가스  원적외선 흡수

4. 온실가스영향(green house)  탄산가스 농도

 2050년에 두 배 증가  다음세기 온도 2~3^o상승

 대양의 수위상승 및 경작지  사막화

그림 1-4. 지표의 온도 급격한 변화 없이 일정 온도의 유지

1.2 물의 특성과 생체반응

생명현상과 물의 성질

1. 생물학적인 과정  화학반응이 물을 용매로 진화 2. 세포의 60~95%가 물

3. 물의 특성

① 높은 증발열  생물체의 열의 배출에 효과적

② 높은 비열 : 열을 잘 흡수

③ 4^oC에서 최대 밀도: 0^oC에서 표면에서부터 고체화

 부유가능

 겨울에 물고기 서식, 표면의 얼음 쉽게 녹음

물의 구조와 성질 및 용매로서의 기능

1. 같은 분자 크기의 용매들에 비교해서 현저하게 다른 특징

2. 액체 물  강력한 분자 내부간의 힘

3. 높은 전자친화성 산소와  두 개의 수소원자(양하전)

 결합이 극성화

4. 물 분자  쌍극자분자

5. 수소결합: 산소원자와 다른 물분자의 수소원자 사이에 견인력

그림 1-5. 물분자의 구조와 수소결합

그림 1-6. 물의 결정(얼음)의 구조

 한 분자당 3.4개의 수소결합 형성

물의 특성

1. 높은 끓는점과 어는점을 가짐  수소결합 2. 우수한 용매

 분자의 이온성부분과 물 분자의 쌍극자 사이의 견인력이 이온들 사이의 견인력을 능가

(비이온성 극성 화합물 당, 알코올)

3. 높은 기화열과 열용량  온도의 변화 느림 4. 미셀의 형성  지방산의 염

 극성분자의 머리부분에 물 분자 모임 탄화수소  내부적인 소수성 환경

그림 1-7. 지방산에 둘러 싸인 매우 질서정연한 물분자들

그림 1-8. 지방산의 염은 미셀을 만듦

 극성의 머리부분은 바깥쪽, 비극성 꼬리부분은 안쪽으로

생물체계에서 수소이온의 농도 및 pH 척도

물은 이온화하여 매우 적은 양의 수소이온(H⁺)을 만들어서

공급하고 있다. 수용액에서는 수소이온(H⁺)으로 존재하지 않고 물분자와 결합되어 하이드로윰이온(H₃O⁺)을 형성하고 있다.

순수한 물 25^oC →

그림 1-9. 디지털 pH 미터와 Ph 크기의 비교

산  프로톤(H

) 공여체(Doner)

염기  수소이온 수용체(Accepter) 브뢴스테드-로우리의 산-염기의 개념

강산은 물에서 쉽게 완전히 이온화 됨

약산은 물에서 쉽게 해리되지 못함

1 M의 아세트산

약산의 이온화 및 헨더슨-하셀바흐 식

1M의 아세트산이 0.0042M  0.4% 이온화 약산의 이온화

헨더슨-하셀바흐 식

생리적인 완충체계와 완충용액의 제조

1. 수소이온농도  생명활동에 중요

혈액의 pH = 7.40  pH를 좁은 범위 안에서 유지 2. 생물은 완충용액을 사용하여 일정한 수소이온농도의

유지  약산과 약산의 염

3. 이상적인 완충용액: 정확하게 p

K

 수%의 HA와 수 %A^-의 증가 HA/A^-의 비율은 적게 감소 구조기능의 관계

세포내의 pH

1. 많은 생화학반응과 생체물질이 pH에 민감함 2. 소화액 pH 1-2

3. 장내부 pH 8-9

4. 혈액: pH 7.40(혈장단백질과 헤모글로빈의

완충작용)

생리적 완충용액

중탄산계 완충용액 : 이산화탄소와 물이 반응하여 탄산을 형성.

혈액에서 발생되는 수소이온과 혈장에서 수소이온을 제거하는 헤모글로빈 사이의 평형

위의 평형은 CO₂와 폐의 CO₂사이 연계

성인 24시간에 20-40리터에 해당하는 1N 탄산이 제거 혈장의 pH=7.4 [HCO₃^-]/[H₂CO₃]= 20

H₂CO₃가 많아지면 산독성 - 신장질환, 호흡장애 HCO₃^-가 많아지면 알칼리독성 - 과도한 구토가

원인(염산의 형태로 산의 배출)

인산의 완충용액 체계

인산의 두 번째의 이온화

p K

’= 7.21

생리적인 조건하에서 [H

PO

]와 [HPO

]은

거의 같은 농도이다  완충능력이 높다

완충용액의 설계

최적의 완충용액

- 산과 짝염기가 1:1의 비율 - p

K

- 완충능력: 절대농도는 산이나 염기의 첨가 시 pH가 변화하지 않도록 함.

1.3 열역학과 생체시스템

1.

2.

entropy(무질서의 정도), free energy(일할 수 있는

3.

4.

열역학의 활용

• 원칙적으로 측정 가능한 거시적인 성질을 다루는 운용과학

• 어떤 유형의 화학적 또는 물리적 과정이 가능한지?

• 과정이 가능할지 조건의 예측

• 과정이 일어나 도달하는 평형상태의 성질을

정량적으로 계산

열역학의 법칙

제1법칙:

에너지가 새로 생성되거나 소멸될 수 없다.

 한 형태에서 다른 형태로 변화  전체에너지는 항상 일정

ΔE = Q – W Q: 시스템에 흡수된 에너지 W: 시스템에 의해 이루어진 일 생화학 반응계:

ΔH = Q – W

ΔH  enthalpy 변화 (-) 발열반응 (+) 흡열반응

제2법칙:

주어진 조건의 온도와 압력에서 에너지변화가 따르는 모든 과정은 계와 주위의 엔트로피를 증가시키고, 평형에서 최대의 값을 갖는다.

 총 엔트로피의 변화는 모든 화학반응에서 ‘0’

이다.

ΔS_univ = ΔS_system + ΔSsurrounding

비가역적인 반응에서 entropy는 반응을 추진하는 원동력이다.

반응과정 ΔS_univ = (+) 자발적 ΔS = (-) 역반응 과정이 일어남

열역학의 법칙

생체시스템과 열역학

1. 세포에서 일어나는 화학반응에너지

 열역학의 제1 및 2법칙

2. 사람의 신진대사에서 열역학: 반응물과 생성물의 농도, 에너지 준위가 반응의 방향에 어떤 영향을 주나?

3. 신진대사에 온도와 압력은 일정

4. 반응의 자발성, 한 방향에서 다른 방향으로 일어나는데 필요한 에너지 예측

5. 효소촉매반응의 에너지 변화

6. 열린 시스템: 에너지 변화가 시스템과 그 주위의 물질 사이에 교환되는  생체조직

그림 1-10. 화학반응의 에너지 그림

화학반응과 자유에너지

1. 반응물  생성물 : 자유에너지 변화

2. 반응의 경로  반응물이 생성물로 바뀌는 과정의 모든 변화

3. 전이상태: 활성화된 상태로 반응물이 생성물로 바뀌는데 해당하는 화학결합의 파괴나 재형성의 확률이 높은 에너지상태

4. 반응물이 전이상태의 물질로 되는 과정에서 소요되는 에너지  활성화 자유에너지

5. ΔG < 0 자발적(발열반응) ΔG > 0 에너지공급 흡열반응

효소 촉매반응

1. 효소는 ΔG’를 낮추어 필요한 에너지 장벽을 넘어 화학반응의 속도를 가속화

2. 반응의 속도를 증가시키기 위하여 반응과정에서 다른 경로를 제공

3. ΔG’: 활성화 자유에너지  효소에 의해서 감소 ΔG:

반응물과 생성물 사이의 자유에너지 변화 4. 2H₂O₂  2H₂O + O₂

ΔG’=18kcal · mol^-1(촉매 없음) ΔG’=7Kcal · mol^-1 (효소)

그림 1-11. 열역학적으로 일어나기 힘든 반응의 에너지 그림

표준자유에너지와 평형상수

가역적인 화학반응:

ΔG = ΔG^o + RT ln[생성물]/[반응물]

ΔG^o : 표준자유에너지변화 반응이 평형일 때 ΔG=0

ΔG^o= -RT ln K_eq

표준자유에너지 : 절대온도와 평형상수에 비례 평형상수 ∝ 계의 온도

ΔG^o = -RT (ln 10)(log K_eq) = -2.303RT log K_eq ΔG^o : 표준상태에서의 반응물이 1M의 표준상태의

생성물로 바뀌는 유용한 일

1. 지난 20년 세포의 분자구성이나 생화학적인 기능의 연구  생화학적 세포학(bicochemical cytology) 2. 생화학적인 기능  세포막으로 구분

3. 분명한 구성의 모양과 기능을 갖는 세포하위구성의 구조(subcelullar)

 세포소기관(organelles)

4. 분자수준에서 두 형태의 세포:

원핵세포  단일염색체

진핵세포  DNA와 히스톤, 한 개 이상의 염색체

1.4 생체반응과 세포의 역할

R: 라이보솜 N: 유전물질 CW: 세포벽 그림 1-12. 대장균의 전자현미경 사진

1. 대장균: 관련바이러스 분자수준에서 유전정보 해독 2. 유전물질  밀집된 코일모양의 이중구조

3. 세포분열 시  DNA 딸의 이중나선분자 4. 15,000개의 라이보솜(RNA + 단백질) 5. 알갱이(granule)

 유기체 저장용 연료, 당이나 β-OH 뷰틸산 6. 원형질  대부분 단백질, 대사반응의 효소

원핵세포

그림 1-14. 라이보솜의 구조

1. 핵이 핵막으로 둘러싸여 있다.

2. 여러 개의 세포 소 기관으로 구성

3. 인간  200개 이상의 상이한 세포로 구성

4. 인체의 구성  기관계(organ system)  기관

 조직  세포  세포 소 기관  DNA 진핵 세포전형적 동물세포  간세포

동물세포

그림 1-13. 전형적인 동물세포: 간 세포

그림 1-15. 세포성분의 분리

그림 1-16. 동물세포와 식물세포의 비교

1. 세포표피(cell coat): 외부는 뮤코다당, 당지질, 당 단백질

2. 원형질막: 10nm 두께 단백질과 지질로 구성, 분자, 이온, 및 물의 선택적인 운송

3. 세포막 안팎에 걸쳐있는 효소  세포신호전달에 관여

동물세포의 세포막

그림 1-17. 세포막에 있는 다양한 신호수용단백질

1. 핵공(nuclear pore)을 갖는 엷은 핵막(nuclear envelope)

2. 핵질(nucleoplasm)  염색체 3. 전사과정이 일어남. DNA  RNA

4. 핵소체(nucleolus): 특별한 염색체의 특정지역과 연결

5. 뉴클레오라이(Nucleoli): 라이보솜, RNA가 합성되는 장소

핵

1. 에너지의 생산  간세포에서 20%차지 2. 역동적이고 형태가 쉽게 변함

3. 막내부의 주위  간질(matrix) 효소로 가득함, 간질로 돌출된 내부막  크리스타(cristae)

4. 탄수화물, 지질, 아미노산 유도체가 CO₂와 물로 산화되는 과정

5. ATP는 내부막과 연계해서 생산됨

6. 마이토콘드리아 자체의 DNA  내부막 단백질합성

마이토콘드리아

1. 내부로 연결되는 한 개 막의 소포(vesicle)과 원형질 안팎의 통로제공  막소관(tubule) 2. 단백질홀몬, 다른 화합물의 운송수단

3. 조면소포체  라이보솜  골지로 운송  시스터나에 격리

4. 라이보솜이 없는 부분을 활면소포체  스테로이드 합성, 해독작용메커니즘에 관여

조면소포체과 활면소포체

1. 단일단백질의 원통형(지름 0.25~0.5µm) 2. 분해성 가수분해효소나 핵산분해효소

3. 스트레스에 민감하여 쉽게 파괴  세포성분파괴 4. 세포죽음  라이소솜 효소가 파괴

5. 외부환경에서 대형입자 받아들여  식작용, 막소포에 의해 음작용(pinocytosis) 

외부물질파괴

• 골지체: 평평한 단일막 소포  조면 시스터네로 연속적인 배설, 라이소솜과 원형질막 형성에 관여

라이소솜과 골지체

1. 단일막 구조, 지름 0.5

µ

2. 세포간질에 배열된 결정성 효소들  과산화수소가 관여하는 반응: 요산산화효소, 케털레이스 

퍼옥시솜이라 부름

3. 효소의 다른 대사과정에 발생하는 과산화수소처리 폐기

4. 퍼옥시솜  에너지의 산화적인 신진대사와 특수한 대사 경로에 참여

마이크로바디와 퍼옥시솜

세포벽(cell wall)

1. 20 μ m 두께의 단백질과 당의 상호작용으로 셀루로스로 구성

2. 조직의 보호기능과 조직의 모양을 형성 액포(vecuoles)

1. 필수적인 대사물질의 저장소 2. 폐기물의 집적장소

3. 액포에 용해된 화합물: 꽃,잎사귀, 과일의

색소들, 유기산, 당 단백질, 광물의 염, 산소 및 탄산가스등

식물세포

글리옥시솜

광합성의 주된 부산물로 글라이콜산의 글리옥시솜에서의 산화

(산소가 과산화수소)  카탈레이스에 의해서 파괴

그림 1-17. 글라이콜산의 글라이옥시솜에서의 산화

1. 이중막의 세포구성 단위체

2. 막사이의 내부주머니  스트로마(stroma)의 다른 막

3. 엽록소: 라멜라막으로 둘러싸인 주머니 모양의 틸라코이드(thylakoid)

4. 층층의 틸라코이드 스트로마막에 의해 연결  그라나(grana)

5. 그라나는 전분의 알갱이 포함, 유전정보, 광합성의 장소

엽록체

그림 1-20. 엽록체의 구조

특수한 세포

그림 1-21. 생식세포의 착색

생식세포

생식세포: 수정과정(아크로솜 분해효소)  난자층의 분해  수정과정을 거쳐 배아세포(embryonic cell) 그림 1-22.

수정과정

그림 1-23. 배아줄기세포 및 착색된 모습

줄기세포

1. 신경단위체 세포

2. 상단부에 세포체(cell body)

3. 다른 뉴런에서 신호를 받는 수상돌기(dentrite)  긴 수상돌기를 축삭돌기(axon)

4. 축삭돌기 말단부위  다른 세포와 접속부위  신경 연접부(synapse)

5. 이온펌프와 통로: K⁺는 세포내부로, Na⁺는 외부로(극성유지)

6. 외부신호로 탈 분극  신호를 다른 세포로 전달(연접부의 신경전달물질) 세포외 배출  연접부 후부(post-synaptic cell)

신경세포

그림 1-24. 신경세포(Neuron)

그림 1-25.

신경세포(뉴런)의 말단 연접부

1. 조혈간세포(hematopoietic stem cell)  분화되어 혈액세포와 면역세포로

2. 적혈구(erythrocyte), 백혈구(white blood cell) 및 림파구세포(lymphocyte)

3. 조상세포에서 분비된 사이토카인(cytokine)에 의해서 조절

4. 적혈구  헤모글로빈 생성, 반감기 120일

5. 백혈구세포(스스로 복제능력)  호염기성, 호산성 및 대식세포  선천성면역성

6. 림파구세포  적응성면역성(B-세포, 항체생성, T- 세포(세포독성 T-세포, 보조T-세포))  면역감응

혈액세포와 면역세포

그림 1-26. 혈액세포의 발생

인공세포: 세포의 역동적인 상태의 연구