분자생물학 : Molecular Biology

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1 분자생물학 : Molecular Biology
제 1장. 분자생물학의 체계와 방법

2 생명의 탄생 무기물 (시안화합물) -> 유기물합성 (단백질, 핵산).
무기물 : 시안화합물 합성 및 유기물 합성으로 단백질 및 핵산 등을 합성. 단세포 출현 : 세균 (Bacteria). 산소를 이용할 수 있는 세균과 세포융합(Cell Fusion)을 통하여 산소를 이용할 수 있는 다세포 생물(동물 및 인간)로 진화하였음. 엽록체를 갖고 있는 세포와 융합하여 식물로 진화하였음.

3 생명의 특성 생명체는 조직화 되어 있다 (일정한 형태를 갖고 있다).
식물 : 세포->조직->조직계->기관->생명체. 동물 : 세포->조직->기관->기관계->생명체. 세포(cell)의 구성물질을 화학 분석한 결과 탄소 원자를 포함하고 있는 분자(탄수화물, 단백질, 지질, 핵산)로 구성되어 있음. 물질대사 (Metaboilsm) : Energy 획득 , 생명을 유지함. Anabolism (동화작용, 합성작용) ; 물질을 합성 (Energy 흡수). Catabolism (이화작용, 분해작용) ; 물질을 분해 (Energy 방출). 소화 (Digestion), 호흡 (Respiration), 순환 (Circulation), 배설 (Excretion) 등.

4 생명의 특성 생식(Reproduction) : 유전정보 (DNA복제)를 자손에게 전달함.
생물이 자손을 남기는 유일한 방법 임. 무성생식 (Asexual R.) : 암•수 생식세포 없이 번식 (꺾꽂이,삽 목, 접목). 유성생식(Sexual R.) : 암•수의 생식세포에 의해 번식. 생장 및 운동 (Growth and Movement) : 조절작용. 적절한 순서(통합, Cordination)와 적당한 양(조절, Regulation)에 의해 대사 활동이 이루어 진다. 효소(enzyme)에 의해 조절 : 영양물질을 너무 빨리 사용하거나, 소비 할 경우 생물체는 빨리 죽는다.

5 생명의 특성 항상성 (Homeostasis)을 유지하려고 한다.
생명체는 감각과 반응을 통하여 유지되는 물리적, 화학적 항상성 아래에서 존재하려고 함. 자극 감수성 (Irritability) : 식물(Auxin) 자극 광선, 열, 중력, 음파 반응 신경계-말초신경, 중추신경, 자율신경(교감신경, 부교감신경), 호르몬 (내분비계). 자극 -> 수용 기 (눈, 코, 귀, 혀, 피부) -> 신경계 > 호르몬 -> 효과기 (근육) -> 반응.

6 생명의 특성 적응 (Adaptation) : 환경변화에 따라 생물체들은 새로운 형질을 만들어 환경변화에 적응하며 생존한다.
환경변화에 따라 생물체들은 새로운 형질을 만들어 환경변화에 적응하며 생존한다. 극지방과 적도에서 온도의 차이에 따른 생물체들의 변화. 개와 고양이의 계절의 변화에 따른 털갈이. 진화 (Evolution) : 적응에 의해 생성된 형질들이 천년, 만년, 십만년 지난 후, 새로운 개체 출현.

7 생명과학을 논하는 관점 철학적 측면 : 형이상학적. 종교적 측면 : 창조론. 과학적 측면 : 진화론.
<생명의 기원> 1. 우주에서의 기원. 2. 종의 창조(신). 3. 진화론(무기물-유기물-간단한 구조의 생물 출현).

8

9 과학 이란? 과학 (Science) : 라틴어인 Scientina에서 유래. Scientina : 지식을 얻는 것, 앎.
과학적 방법 : 관찰, 문제 설정, 자료 수집 (참고자료 탐구), 가설 수립, 실험, 학설 수립, 법칙 수립. 현대의 과학: 어떤 문제를 해결하기 위해 사고하고 정보를 추구하는 방법(예-사회과학,인문과학,자연과학).

10 자연과학 이란? 자연과학 : 자연 속에서 일어나는 어떤 사건을 해결하기 위해 사고하고 정보를 얻기 위해 조직적으로 탐구하는 학문(예-생물학, 물리학, 화학, 지구과학). 생물학 : Biology = Bio(생명) + logy(학문). 생명체를 다루는 과학. 생물들이 주변환경과 어떻게 상호작용하고 있는가?

11 생명과학 이란? 생명과학 : Life Science = Life (생명) + Science (과학).
생명현상을 구명하려는 학문 (물리학과 화학이 기초). 분류학, 세포학, 생화학, 유전학, 생리학, 분자생물학. 분자생물학 : 생명현상을 분자(molecular) 수준에서 규명하려는 학문. 생명 (Life) : 아직 규명되어 있지 않음. 그러나 생명을 갖고 있는 물질은 갖고 있지 않은 물질보다 다른 특성을 나타내고 있음.

12 분자생물학 교과목 개요 생물체에서 일어나는 모든 생물학적 현상을 분자(Molecule)수준에서 구명하려는 학문.
1960년 이후에 급속도로 발전한 학문. 유전학(Genetics)과 생화학(Biochemistry)에서 파생되어 발전된 학문. 생명공학(Biotechnology) 및 유전공학 (Genetic engineering)의 기초과목.

13 분자생물학의 수업목표 중심체설(Central Dogma Theory).
다당류(Polysaccharide), 단백질(Protein), 핵산(Nucleic acid), 지질(Fatty acid) 등의 고분자 물질의 구조와 기능 구명. 유전자(DNA & RNA)의 구조와 기능 구명. 유전자 조절작용(Operon Theory) 구명.

14 중심설 : Central Dogma Theory

15 중심설 : Central Dogma Theory

16 분자생물학의 영역

17 분자생물학의 역사 : 전달유전학 부모로부터 자손에게 유전적 특성 전달에 연구초점이 맞추어져 있음.
1865. Gregory Mendel : 분리와 독립의 법칙 발견. 1869. Friedrich Miescher : DNA 발견. 1902. Walter Sutton : 염색체설 제안. 1913. A. H. Sturtevant : 유전자지도 작성. 1927. H. J. Muller : X-선 돌연변이 유발. 1931. Creighton과 McClintock : 재조합 증거 확보. 1944. Avery, McLeod, McCarty : DNA가 유전물질.

18 분자생물학의 역사 : 분자유전학 유전자의 구성, 기능 등에 연구 촛 점이 맞추어져 있음.
1953. Watson과 Crick : DNA 이중나선 구조 밝힘. 1958. Meselson과 Stahl : DNA 반 보존적 복제 구명. 1966. Nirenberg과 Khorana : 유전암호 밝힘. 1970. H. Smith : 제한효소 발견. 1972. P. Berg : 최초로 재조합 DNA 제조. 1977. W. Gilbert와 F. Sanger : DNA 염기분석 개발.

19 분자생물학의 역사 : 분자유전학 1990. J. Watson et al. : 인간 게놈 프로젝트 사업.
1997. F. Blattner et al. : 대장균 게놈 분석 완료. Ian Wilmut : 복제 양 돌리 탄생. 인간의 22번 염색체 염기서열 결정 초파리 게놈 염기서열 결정. 2001. C. Venter, F. Collins : 인간 게놈 염기서열 사업.

20 분자생물학의 개요 Vitalism (생기론) : 생명력 (기(氣), Vital Force)을 갖고 있으며, 세포가 파괴되면 생명력도 자연히 소모된다는 학설. 과거 : 분류와 형태학의 (박물학) 학문이 주를 이루었음. 19C : 세포의 개념이 도입 되어 세포학이 태동 되었음. 20C : 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산 등의 기능을 구명하려는 생리학과 생화학이 발달하였으며, 한편 생물체를 구성하는 고분자 물질의 구조와 그들의 상호작용을 분자 단위에서 구명하려는 분자생물학 이라는 학문이 매우 발달하였음.

21 분자생물학의 개요 1945. William Astbury : Molecular Biology 최초로 사용.
1950. Simple structure를 갖고 있는 Bacterio phage 또는 Bacteria를 대상으로 연구하여 DNA 구조를 밝힘(Watson and Crick). 1957. 스프트니크 무인 인공위성 발사 : 유인 우주화하기 위하여 우주환경에 적응하도록 인체생리 및 인체병리를 분자 수준에서 연구함. 1960. 분자생물학의 급속한 발전 : 근육과 신경 기능과의 관계, 생체막의 구조, 항생물질의 작용 기 작 및 면역 세포의 분화와 발달 등을 구명하기 위한 분자생물학이 발전함.

22 분자생물학의 개요 1970. 세균과 Virus에 대해 집중적으로 연구. 유전자, 구조, 기능에 관하여 집중 연구.
DNA 재조합 기술 및 유전공학 태동. 1980. Cancer 및 Gene Therapy. 1990. Human Genome Project.

23 분자생물학의 발전 근육과 신경기능. 막 구조. 항생물질의 작용 기 작. 세포의 분화와 발달. 면역 등에 관하여 연구.
Bacteria 와 Virus 를 주 연구재료로 이용함(∵Simple Structure).

24 분자생물학의 접근방법 Molecular Biology (분자생물학) : 물리학과 화학의 기초 아래에 발전된 학문으로 유전학, 생화학, 세포학, 유기화학, 생물물리학 등과 매우 연관성이 높은 학문 임 Ultracentrifuge, Electromicroscope,Electrophoresis, PCR 등의 고가의 장비가 필요 함. 분자생물학의 접근방법 Simple structure Complex structure. Bacteriophage Cell Culture. Bacteria (Cell line) Yeast

25 분자생물학의 접근방법 생체반응을 이해하기 위한 생체 외 접근방법.
in vitro test (생체 외 실험) : 생물학적 mechanism 구명에 활용하는 실험 방법. in vivo test (생체 내 실험) : 완전히 살아 있는 세포로 연구하는 실험 방법 Crude extract를 이용하거나, 정제된 것을 이용하거나, 재구성된 계를 이용하기도 함.

26 분자생물학의 논법 세가지 논리적 사고가 반복해서 나타남. 효율성의 논쟁. 에너지 낭비가 많은 생물체 -> 자연도태.
소량의 에너지라도 낭비가 적은 돌연변이체 발생. 효율적인 세포(재료에 대한) 활용. 모형의 실험. 가 설 Model 실험 ≠ 가설 : Model 수정. Experiment : 입증

27 분자생물학의 논법 강력한 추론 1st step : 특별한 현상에 대한 모든 가능한 설명들을 제시한다.
2nd step : 실험을 통하여 차례차례 가능성을 제거해 나간다. 3rd step : 선택의 여지가 없는 단 하나의 가능성이 남으면 이것을 올바른 것으로 추론한다. ∴ 분자생물학의 연구 논문에서 ‘~는 ~일 것이다’ 라는 표현을 많이 구사함.

28 분자생물학에서 제기된 문제점 초기 문제점: 유전물질의 동정 및 단백질 합성 기 작 구명 DNA가 유전물질로 동정된 다음 :
대사 조절에 관한 문제점: 세포 내에서 필요할 경우 단백질을 합성(Go Signal) 함 불필요할 경우 단백질 합성을 하지 않음(Stop Signal).

29 분자생물학에서 제기된 문제점 근 수축 Mechanism 구명. 신경세포를 따라 전달되는 전기적 충격은 무엇인가?
무엇이 휴지 상태의 신경세포막을 가로질러 전기적 분극을 유지시키는가? 구조생물학. DNA 구조 : 돌연변이 이해. RNA 구조 : 단백질 합성 이해. 단백질(효소)의 구조 : 효소 활성부위.

30 분자생물학의 과제 질병퇴치 : 발암성 Virus 치료, Gene Therapy. 분자유전학의 실현. 유전형질의 교정 및 보수.
부적당한 형질 수정. 복제인간 또는 생물체의 복제. 농학에의 공헌 : Recombinant DNA (재조합 DNA), Cell Fusion (세포융합), 핵 치환. 의학에의 공헌 : 면역 (Vaccine), 유전공학 제품 생산. 우주생물학의 발전 : 달 또는 화성토양의 성분분석을 통하여 앞으로 생명체가 출현할 수 있는가?

31 분자생물학의 과제 DNA Micro array (미세 배열) : DNA Chip을 개발하여, 유전자의 위치 및 유전자 발현을 구명하고자 함. 생물 정보 학 (Bio Information) : Gene Bank, EMBL 등을 이용하여, 생물체들의 유전정보를 획득함. (유전체 Website 주소). (초파리 Website 주소).

32 유전적 질병

33 원 핵 생물과 진 핵 생물의 차이

34 분자생물학에 사용되는 생물

35 Bacteria Free Living, Single Cell, Prokaryote, Simple structure, 배양이 용이하며 생장이 발라 분자생물학의 재료로 이용. 세균의 생장곡선 : 세균 수 측정. Spectrophotometer를 이용한 흡 광 도 (O.D. 측정). Viable count (생 균 수 측정) : Dilution Method. 세균의 물리적 구조 : Speroplast, Protoplast (원형질 체). 세균의 배양 배지 : Solid medium (Agar), Liquid medium (Broth). Complete medium , Minimal medium. Petri-dish(샤 레), Plate.

36 Dilution(희석법)

37 세균의 대사 조절 Tryptophan 존재 시, Tryptophan을 합성하지 않음 (전사 종결).
전사 지속: 전사감쇠 (Attenuation). Glucose와 Lactose가 함께 있을 때, Glucose를 먼저 이용하고 나중에 Lactose를 이용함 이화대사산물억제(Catabolite repression) 또는 Glucose 효과라고 함. Lactose를 분해하는 β – galactosidase (Lactase)의 합성은 Glucose 고갈 시에만 합성된다.

38 영양 영구성 돌연변이체 분리 Prototroph (Wild Type) : 원 영양 체.
Auxotroph (Mutant Type) : 영양 요구 체.

39 Growth Curve

40 Growth Curve Constant per-capita death rate (exponential).
Time of gearing up for division following change in culture conditions. Division at constant rate (exponential). Death rate = Birth rate. Constant per-capita death rate (exponential).

41 Growth Curve

42 유도기 : Lag Phase Initial Stationary Phase (초기 정지기) : 새로운 환경에 적응하는 기간.
증식 분열 준비(수분 흡수에 의한 세포의 팽대). Accelerated Growth Phase (증식 가속기) : 크기가 2~3 x로 증대된다. Enzyme Activity가 증대 -> Metabolism이 왕성해짐. RNA의 양이 증가로 세포질의 양 증대(DNA 양 변화 없음). Old culture의 균을 Inoculation 時 Lag Phase 시간 길어짐. Young culture의 균을 Inoculation 時 Lag Phase 시간 짧음.

43 대수기 : Exponential Phase
Logarithmic Phase Logarihmic Growth Phase(대수 증식 기) : Generation Time에 따라 Binary fission이 계속된다. 균의 크기는 Lag Phase 보다 작아진다. 균의 수가 지수적으로 증가 : 곡선이 직선으로 나타난다. ※균의 생리, 활성은 왕성하나 이화작용에 약하여, 소독, 멸균, 화학요법 처리시 이 시기의 균을 이용한다. Negative growth Accelerated Phase(증식 감속 기) : 영양분의 결핍, 독성물질의 축적, 노폐물의 축적, pH의 변화 등 균 상호간의 장해가 나타나는 시기. 분열속도가 감소되는 시기 (사균수의 증가).

44 대수기 : Exponential phase
Logarithmic phase Logarihmic Growth Phase (대수 증식 기) : Generation Time에 따라 Binary Fission이 계속된다. 균의 크기는 Lag Phase 보다 작다. 균의 수가 지수적으로 증가하여 직선으로 나타난다. ※균의 생리, 활성은 왕성하나 이화작용에 약하다. (소독, 멸균, 화학요법 및 기타의 현상에 중요한 의미를 갖는다.) ※이 시기에 Media를 새로이 공급하고 축적 물을 제거하면 고형 균 괴 가 얻어져야 하나, 약간의 증식만 일어난다. 이 결과는 Microorganism도 Biological Space를 요구함을 알 수 있다.

45 정지기(정상기) : Stationary Phase
세균의 수가 극대가 되며, 균 수의 증감이 없다. (증식속도=사멸속도). 균 체가 작으며,포자는 이 시기에 형성된다. ※Spore forming bacteria는 정지기의 시간이 길다. 과립이 나타나므로 염색을 균일하게 할 수 없다. ※증식속도 감소이유. 1. 균의 밀도 과잉 Acid의 생성. 3. 유해물질의 축적 (Alcohol, 유기산). 4. 양분의 결핍 O2의 결핍.

46 사멸기 : Phase of Decline Accelerated death phase (사멸 가속기) :
세포 분열의 속도가 완만해짐 (환경 조건 악화). 사멸 균의 수 > 생성 균의 수. Logarithmic death phase (대수적 사멸 기) : 사멸속도가 대수적(지수적)으로 증가 : 직선에 가깝다. Final dorment phase (최종 잠복기) : 대다수의 균은 사멸되고, 균의 증식은 미미함. ※소수의 균은 일정시간 또는 몇 년간 생존한다. 당분이 남아 있으면 생산된 산에 의해 pH 저하가 일어나 균의 생존기간이 단축 된다.

47 Yeast Saccharomyces cerevisiae. Eucaryotic Cell. Single cell.
Budding (출아법)으로 번식. Haploid, Diploid 시기를 모두 갖고 있음. 진 핵 생물 중 가장 간단한 구조 : 분자생물학의 재료로 많이 이용 됨.

48 Animal cell Hormone Control Mechanism 구명 시 이용.
Egg에서 성체로의 진행 과정 구명 시 이용. 정상세포와 암세포 사이의 차이점 구명 시 이용. 세균보다 연구가 늦게 진행된 이유. 여러 세포들이 혼합되어 있어 실험결과가 복합적으로 나타난다. 자연상태와 배양상태 사이에 현격한 차이가 난다.

49 Cell Culture Primary culture 와 Established cell Line(확립 세포 계).
Hella cell (사람의 종양세포), 3T3 (쥐의 배 세포). L (쥐의 종양세포), BHK (시리아산 햄스터 콩팥). Balb-c (쥐의 종양세포) ,CHO (중국산 햄스터 난자). ※1차 배양세포로의 연구는 정상적인 세포의 특성을 나타내거나 생명이 짧아 비경제적이다 따라서 Established Cell Line을 많이 이용하다.

50 Animal Virus Protein + DNA : Host cell에 감염. 대부분 Primary culture에서만 배양.
DNA 복제와 RNA 합성(전사) 과정의 구명에 이용. 정상적인 세포를 Cancer cell로 Transformation 시킨다 Polioma virus: 햄스터 세포를 종양세포로 전환시킴. 동물성 바이러스 배양 : 아미노산, 비타민, 지방산, 미량원소, 태아 혈청 등이 첨가 된 배지를 이용함.

51 Genus, Species, Strains Genus (속). Species (종) : 아 종, 변종, 품종.
아 종 (Subspecies) : 지역간 차이에서 초래. 변종 (Variety) : 유전자 변이에 의한 초래. 품종 : 서로 다른 종의 교배 (유전자 재조합). Strains (균 주) : 종 사이에서 차이가 확실하지 않을 경우. E. coli K1, K2, K12 균 주. E. coli A, B, C, RY 균 주.