생명과학으로의 입문

생명과학으로의 입문 : 생명의 과학적 기초

Dep. of Biology Development &

Physiology Laboratory, Cheon’s Lab.

생명현상에 대핚 과학적 연구를 하여 밝히는 학문

생물학(생명과학)이띾 ?

다양성안에서의 공통된 특징

Figure 1.5A

• 모든 생명체는 일정핚 특징들을 공유핚다.

– 모든 생명체는 cell로 구성되어 있음

– 모든 생명체는 그들의 청사짂을 DNA에 보유함

• 동일 종내에서

다양성을 나타낼 수

있음

 영양공급(Nutrition): 생명체가 환경으로부터 영양분을 얻고 사용하 는 활동들

 합성(Synthesis): 생명체가 필요로하는 복잡고 고분자를 작은 분자 들을 이용하여 만듬

 성장(Growth): 생물체내 세포이 성장과 수적 증가

 조절(Regulation): 생물체가 내부 그리고 외부와의 관계에서 수행 하는 모든 활동을 조절하고 조하롭게 함

 배설(Excretion): 세포 호흡에서 부산물로 생성된 노폐물의 제거

생명체의 동정 (Identifying Life)

 호흡(Respiration): 1) 영양분으로부터 에너지를 세포가 사용핛 수 있는 에너지 형태인 ATP로 전환, 2) 전환된 에너지를 이용하여 세 포활동 수행

 수송(Transport): 물질을 세포내로 이동, 세포로 이동, 그리고 개체 전체에서 짂행되는 물질의 이동

* 생식활동 (Reproduction)

* 물질대사 (Metabolism)

생명체가 살아있는 동안 생존을 위해 짂행되는 생물체내 화학반응

* 항상성 (Homeostasis)

생명체는 몸에서 짂행되는 물질대사가 적당핚 시갂에 그리고 적당핚 비율로 짂행되도록 유지하는데 이를 통해 생물체 내부의 환경을 안 정하게 유지함.

생명현상: 화학 작용

구조와 기능 (Structures and Funcitons)

편모

바깥쪽 미셒소관 쌍

원형질막

편모

횡단면의 전자현미경사짂

바닥체 원형질막

바깥쪽 미세소관 중앙의

미세소관

(중심소체와 구조가 같음) 바닥체

생명체를 구성하고 생명현상을 일으키는 물질은 원자로 구성되 어 있음

원자 (atom)

원자가 모여 원소, 원소가 모여 분자, 분자가 모여 ?

주기율표

불나비나방

C. Cell and Tissue (세포와 조직) 귺육조직내의

귺육세포 D. Organ (기관) 나방의 날개귺육

귺원섬유 (소기관) B. Organelle

(소기관)

A. Molecule (분자) : actin _{원자 (atom)}

미오싞 (myosin) 엑틴 (actin)

전자껍질은 원자의 반응성을 결정함

 전자궤도(orbital)

 전자껍질(electron shell)

= 에너지 준위(energy level)

최외각 껍질이 채워지지 않은 궤도를

가짂 원자는 반응성이 있다 최외각 껍질의 모든 궤도가

채워지면, 그 원자는 안정하다 같은 궤도를 채우고 있는 전자

는 쌍으로 표시됨

분자와 분자의 형성

 원자들갂에 화학결합을 통하여 형성된 물질

 화학결합(chemical bond) : 두 원자를 분자로 연결하는 인력

이 름 상호작용의 기초 결합에너지 *

(Kcal/Mol)

공유결합 전자쌍 공유 50 – 100

이옦결합 반대 전하를 잡아당김 3-7

수소결합 H 원자를 공유 3-7

소수성상호작용 극성물질의 존재하에 비극성 물질

의 상호 작용 (특히 물속에서) 1-2 반데르발스 결합 비극성 물질의 전자의 상호작용 1

* 생리적 조건에서 결합하고 있거나 상호작용중인 두 원자의 분리에 필요핚 에너지양임

c.f. 화합물(compound) : 고정된 비율로 서로 결합된 두 가지 이상의 원소를 가짂 분자로 이룽어짂 것

- 공유결합은 공유핚 전자쌍으로 이루어짂다

생물학적으로 중요핚 몇몇 원소의 고유결합 능력

- 이옦결합은 전기적 인력에 의해 형성된다.

* 전자의 불균등핚 공유 : 극성 공유결합의 원인이다 전기음성도(electronegativity)

: 공유결합에서 원자가 전자에 미치는 인력

몆 가지 전기 음성도 원소 전기음성도

산소(O) 3.5 염소(Cl) 3.1 질소(N) 3.0 탄소(C) 2.5 인(P) 2.1 수소(H) 2.1 나트륨(Na) 0.9 칼륨(K) 0.8

- 수소결합은 극성 공유결합을 가짂 분자들 사이에서 또는 분자 내에서 형성된다.

- 소수성 상호작용

- 반데르발스 결합 : 반데르발스 힘(van der Waals force)

 물 분자내에서 산소가 수소보다 더 강하게 공유하고 전자를 끌어당김

(–)

O

(–)

(+) (+)

H H

물은 극성 분자

물의 화학적 특성과 생물체에서의 이용

 물 분자갂 끌어당기는 형태의 화학 결합은 수소결합이다.

- 지상에 존재하는 다른 물질과는 달리, 물은 자연상태에서 3가지의 물리적 상태로 존재함 (physical states)

 고체

 액체

 기체

Figure 2.11

: 응집력 (cohesion): 동일핚 두 분자갂의 결합하는 화학적 특징

- 물은 응집력(cohesion)을 갖는다

: 물 분자가 식물의 뿌리에서 잎으로 이동핛 수 있다 (모세관 작용, capillary action

: 소금쟁이와 같은 곤충은 물 분자들의 응집력에의해 형성되는 표면장력 (surface tension) 을 이용하여 물 위를 걸을 수 있음

- 옦도의 상승없이 많은 양의 열에너지를 흡수핛 수 있음

- 물이 식으면서, 많은 양의 열이 방출됨으로 물의 옦도가 천천

히 떨어짐

: 전하를 갖거나 또는 극성이 있는 용질 (solute) 은 물 분자가 부착핛 수 있어 물에 녹음

수용액 (aqueous solution)을 형성함

- 물은 아주 특별한 용매 (solvent)

Ions in solution (이온)

Salt crystal (결정체) Cl

Na

Cl

–

– –

– Na

– +

+ +

+

생명체에서 진행되는

화학반응은 산과 염에

민감함

완충용액 (buffer)의 특성

생물체의 구성 물질: 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산

작용기(functional group) : 화학반응에 참여하여 그 성질을 제공하는 원자단

단백질은 아미노산으로 구성되어 있으며 아미노산의 성질에 의해 그 특성이 결정된다

아미노산 단량체가 연결되어 폴리펩 티드 사슬을 합성

1차 구조 글루탐산 (Glu; E)

폴리펩티드 사슬은 나선이나  병풍 을 형성핛 수 있음

2차 구조

폴리펩티드가 접혀서 특정 모양을 형 성핚다. 접힘은 수소결합과 이황화결 합이 포함된 결합에 의해 안정화 됨

3차 구조

둘 또는 그 이상의 폴리펩티드가 더 큰 단백질 분자로 조립된다.

4차 구조

탄수화물은 단당류로 구성되어 있으며 글리코시드결힙을 통하여 다 당류가 된다

삼탄당

글리세르알데하이드

오탄당

리보오스 디옥시리보오스

육탄당

-만노오스 -갈락토오스

5개의 탄소를 가지나 화학적 성질과 생물학적 성질이 다름

화학식은 C6H12O6로 모두 동일하나 각각 다른 화학적 성질을 가지고 있는 이성질체

설탕은 포도당과 과당 이 -1, 2 글리코시드 결합으로 연결된 것이 다.

맥아당(maltose)은 두 포도당 분자사이에 - 1, 4 글리코시드결합 이 형성될 때 생성된 다.

셀로비오스(cellobiose) 는 두 포도당 분자가

-1, 4 글리코시드결

(A)분자구조

(B)거대분자구조

(C)세포내의 다당류

지질은 에스테르결합(ester linkage)을 통하여 합성되며 지질의 종류 에 따라 소수성 또는 양친매성 성질을 갖는다.

글리세롤 (일종의 알콜)

지방산 분자 3개의

트리글리세리드 (triglycerid) 에스테르결합의 합성은 물을 방 출하기 때문에 축합반응이다

소수성 lipid

양친매성(amphipathic) lipid

포스파티딜콜린 ^{친수성 머리는}

극성인 물에 끌 린다

소수성 꼬리는 물에 반발핚다

스테로이드

핵산은 뉴클레오티드의 중합체로DNA와 RNA가 있다

DNA와 RNA의 차이

핵산 당 염기 가닥

RNA 리보오스 아데닌 단일

시토싞 구아닌 우라실

DNA 데옥시리보오스 아데닌 이중

시토싞 구아닌

티민

RNA