제1장 생명체의 특성 및 구성성분

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 생명체의 5가지 공통된 특징 1. 구성 2. 에너지 사용과 대사 3. 내부 항상성의 유지 4. 생식, 생장 과 발생 5. 과민성과 적응 (자극에 대한 반응) ◈ 생명체는 역동적인 구성을 나타낸다. (그림 1.1) - 세포(cell) : 모든 생명체의 기본 단위 - 세포 ⇒ 조직 ⇒ 기관 ⇒ 기관계

그림 1.1 모든 생명체의 공통적인 특성을 보여주는 세포 구성 수준.

그림 1.2 출현 성질－타일(tile)에서 관(tube)까지. 내피세포는 타일처럼 보인다. 이 세포들은 서로 부착하여 하나의 판 모양 구조를 한다. 이 판은 다시 접혀져 작은 소관인 모세혈관을 형성한다. 이 세포의 기능은 이 세포들이 특정한 방법으로 응집할 때까지 나타나지 않는다. 출현성질 : 생명체 구조의 복잡성이 증가하면서 일어나는 기능

◈ 모든 생명체는 에너지를 사용한다. - 대사(metabolism) : 생명체를 유지하는 세포 내 화학반응으로써 합성하는 동화와 분해하는 이화가 있다. - 생명체는 환경으로부터 생명과정을 수행하기 위해 에너지를 획득한다. - 생산자 : 독립영양생물 - 식물처럼 비 생물 환경으로부터 에너지를 획득하는 생명체 - 소비자 : 종속영양생물 - 다른 생명체를 구성하는 영양소를 섭취함으로써 에너지를 얻음 - 분해자 : 죽은 생명체로부터 영양소를 얻는 버섯 같은 진균 등의 소비자 ◈ 생명체는 내부항상성을 유지한다. - 항상성 : 생체 내 대사활동을 원만하게 유지하기 위해 생명체가 적당한 온도, 물, 염(salt), 무기 염류 등을 유지하는 능력

그림 1.3 생명은 연관되어 있다. 생물은 서로(소비자) 그리고 궁극적으로는 태양 또는 무기화합물로부터 에너지를 추출한다. 분해자는 영양분을 무생물 환경으로 재순환시킨다.

(2) 생명의 연속성 ◈ 생명체는 내부항상성을 유지한다 - 여러 세대에 걸쳐 생식할 수 있는 생물 그룹을 종(species)라 함. - 생식(reproduction) : 생물체가 자기와 동일한 개체를 만드는 것 - 분열, 발아와 생장, 임신과 분만 등이 있다. (Fig 1.4) 무성생식 : 단세포생물, 세포 내용물이 두 배로 증가한 후, 하나의 세포가 부모와 유전적으로 동일한 두 개의 새로운 세포로 분열, 일부 다세포 생물도 가능. 유성생식 : 두 개체로부터 유래한 유전물질을 혼합하여 유전적으로 독특한 자손을 만드는 것. 각 세대에서 유전형질을 혼합시킴으로써 생물의 집단에서 엄청난 다양성을 만든다.

그림 1.4 생식은 생명체의 특성 중 매우 독특한 현상이다. 대장균은 이상적 조건하에서 20분마다 무성생식 한다. 거대한 떡갈나무는 작은 묘목으로부터 시작하고, 각 나무는 수백 개의 도토리를 생산한다. 이와는 반대로 사슴은 보통 1년에 소수의 새끼를 생산한다.

◈ 생명체는 환경에 반응한다. (Fig 1.5, 1.6 ) 자극감응성 : 자극에 대해 즉각 반응하는 경향 살아남기 위해 외부자극에 대해 감지하고 반응해야 한다. 적응 : 자극감응성의 빠르고 일시적인 성질과는 대조적으로 오랜 시간에 걸쳐 나타나는 반응현상 (Fig 1.5, 1.6) 잎을 말아 올리는 나무가 그렇지 않은 나무보다 오래 생존하기 때문에 번식의 가능성이 크고 결국 집단의 우점종이 됨.

(3) 생명의 진화와 다양성 ◈ 진화는 생명에 필수적이다. 자연선택 : 물려받은 유전적 특징을 토대로 하고 있는 집단으로부터 어떤 개체의 향상된 생식력과 적응력을 의미. 돌연변이 (mutation)가 자연선택이 작용하는 변이를 지속적으로 제공, ◈ 역(domain) 및 계(kingdom)를 통해 생명의 다양성을 나타내고 분류한다. 생물다양성은 다른 종들이 특징을 유지하기 위해 사용하는 많은 적응 전략으로부터 유래 세포성분과 구성의 차이에 따른 3개의 역(domain) : 세균, 고세균, 진핵생물 계(kingdom)을 구분하는 기준 : 세포의 복잡성, 에너지 사용과 획득방법, 생식기전 등

그림 1.7 생명의 다양성.

(4) 과학탐구의 과정 : 관찰 또는 발견을 토대로 과학자는 관찰 뒤의 과정들을 서술하는 소위 가설 이라고 하는 예측을 하고 가설은 실험을 통해 검증됨 ◈ 이론은 지식을 요약한다. 가설과 달리 이론은 다양한 상황에 적용하는 체계적으로 조직화된 지식 ◈ 통제된 실험은 이론을 증명한다. 이론은 과학적 방법을 통한 실험 결과와 관찰의 해석을 근거로 함.

: 환경에서 에스트로겐 유사 화학물질들이 건강을 해칠 수 있다는 개념 에스트로겐 모방이론 (그림 1.9) : 환경에서 에스트로겐 유사 화학물질들이 건강을 해칠 수 있다는 개념 DDT를 농작물과 일부 사람들에게 살포하였다. DDE(DDT의 분해산물)와 다른 환경 에스트로겐에 노출된 독수리 집단에서 독수리 새끼의 기형부리가 나타났다. 부서진 알을 갖고 있는 둥지는 DDT가 난각 형성에 영향을 준다는 증거이다. (난각이 포란 중 어미의 몸무게를 지탱하지 못해 부서짐). 추가로 2개의 꼬리를 더 갖고 있는 비정상적인 정자 또한 에스트로겐-유사 농약의 노출에 의해 발생한 것이다. 더 많은 관찰과 실험으로 에스트로겐-모방이론을 확인할 필요가 있다.

◈ 관찰 과학적 방법은 관찰로부터 시작함 DDT가 버려진 호수 주변의 암컷과 수컷 악어 모두 과잉의 에스트로겐 1938년 이래 인간 정자 수는 감소하였고 남성 생식계의 출산결함 발생이 증가하였고, 같은 기간 동안 에스트로겐 유사 화합물질을 포함하는 농약의 사용이 증가 배경지식 정보 에스트로겐 분자는 수용체와 결합하여 유전자를 활성화시키고 세포분열과 같은 호르몬 연관 효과를 나타냄 에스트로겐 유사 화합물질은 호르몬 균형을 파괴 가설을 설정 “과잉의 에스트로겐 노출은 인간을 포함하여 동물의 생식에 문제를 일으키는가?”

실험을 고안한다 (그림 1.10) (A) 자연에서 악어의 성(性)은 알의 포란 온도에 의해 결정. (B) 알을 에스트로겐 또는 DDE로 페인트칠 하면 수컷 부화율이 급격히 감소. 모든 결과를 분석해 기록할 때까지 어느 알이 어떤 처리를 받았는지 전혀 알지 못 하도록 실험이 설계됨. 이러한 실험설계는 연구자가 이미 에스트로겐 또는 DDE 처리를 받은 동물을 알고 있는 상황에서 생식이상을 찾는 비의도적 편견을 방지함. 과학탐구는 계속된다. : 과학탐구는 결론으로 끝나는 것이 아니라 각 발견은 더 많은 질문을 던짐.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 물질 ◈ 원소는 독특한 성질을 가지고 있다 (그림 1.11) ◈ 원소는 독특한 성질을 가지고 있다 (그림 1.11) : 물질을 이루고 있는 기본 성분으로 화학적인 방법으로 더 이상 분해 할 수 없는 것. 92개의 천연의 원소와 17개의 합성원소

◈ 원자는 원소의 가장 작은 단위이다 (그림 1. 12) : 원소의 성질을 갖고 있는 원소의 가장 작은 성분 ◈ 원자는 원소의 가장 작은 단위이다 (그림 1.12) : 원소의 성질을 갖고 있는 원소의 가장 작은 성분. - 원자핵 : 양성자 + 중성자 - 전자 : 원자핵을 둘러싸고 있음 질량수(mass number) : 양성자 수 + 중성자 수 동위원소(isotype) : 원자번호는 동일하지만 중성자의 수가 다른 경우 원자량은 모든 동위원소가 존재하는 비율에 따라 평균한 값 Ex) 수소동위원소 중성자가 없는 동위원소 (1 AMU) : 99.985% 중성자가 1개인 동위원소 (2 AMU) : 0.015% 중성자가 2개인 동위원소 (3 AMU) : 거의 없음 수소의 원자량 = 1.0079 AMU

(2) 화학결합 ▶ 옥텟규칙 (octet rule) : 모든 원자들이 최외각 에너지 준위를 채워 안정화되려는 경향 ▶ 원소와 원자의 구분 - CH4(메탄) : 원소 : 탄소 +수소 - 원자 : 탄소 1개 +수소 4개

그림 1.14 공유결합은 분자를 형성한다. 메탄(CH4)은 공유결합으로 결합된 분자이다. 1개의 탄소와 4개의 수소원자가 전자를 공유함으로써 가장 바깥 껍질에 8개의 전자를 이룬다. 첫 전자껍질은 2개의 전자들로 채워진다. (B) 늪 가스로 알려진 메탄(CH4)은 이전에 지구대기의 주요한 구성물이었다.

그림 1.15 분자를 나타내는 다른 유형의 도식법. 분자식 CH₄는 1개의 탄소원자가 4개의 수소원자들과 결합된 것을 보여준다. 단일결합을 단일선으로 표시한 구조식. (C) 전자점도식법(electron dot diagram)은 공유된 전자들의 수와 배열을 보여준다. (D) 공과 막대모형은 수소와 탄소원자 사이의 결합각을 나타낸다. (E) 공간채움모형은 분자전체의 형태뿐만 아니라 결합관계를 보여준다.

그림 1.16 탄소원자는 4개의 공유결합을 형성한다. 2개의 탄소원자들은 단일, 이중 또는 삼중결합을 형성할 수 있다.

그림 1.18 이온결합으로 형성된 소금. 나트륨(Na) 원자는 원자가껍질의 전자 1개를 가장 바깥 껍질의 7개의 전자를 갖고 있는 염소(Cl)에게 줌으로써 옥텟규칙을 충족시킨다. 그 결과 생긴 이온(Na⁺과 Cl⁻)들은 결합하여 소금(NaCl)을 만든다. (B) 소금을 구성하는 이온들은 결정체를 만드는 패턴으로 나타난다.

(3) 생명활동에서 물의 중요성 ◈ 모든 생명과정은 용액에서 일어난다 (3) 생명활동에서 물의 중요성 ◈ 모든 생명과정은 용액에서 일어난다. 용액 : 용매에 녹아있는 하나 또는 그 이상의 화합물로 되어있으며 분자의 혼합물이다. - 용매 : 용질을 용해시키는 화합물이다. - 용질 : 용매와 결합함으로써 용해된다.

◈ 용액은 산성 또는 염기성이다 - 산 : H+의 수를 증가시키는 물질 - 염기 : H + 의 수를 감소시키는 물질 - pH : 용액의 산성도를 가늠하는 척도 (Fig 1.17) - 완충용액 : pH의 급격한 변화를 적게 하는 용액 - 완충계 : 수소를 얻거나 잃음으로써 pH를 상대적으로 일정하게 유지하고 세포 내와 세포 외 체액 속에서 존재 Ex) 탄산(H2CO3)과 탄산수소나트륨(NaHCO3) HCl + NaHCO3 → H2CO3 + NaCl 강산 약산 NaOH+ H2CO3 → NaHCO3 + H2O 강염기 약염기

그림 1.20 pH 척도. pH 척도는 존재하는 수소이온 농도의 함수로서 산과 염기의 세기를 나타내는 데 사용된다. pH가 더 낮을수록 자유 수소이온 농도는 더 증가하여 용액은 더 산성이 된다. 이와는 반대로 pH가 더 높을수록 자유 수산기 이온 농도가 더 증가하여 용액은 더 알칼리성이 된다.

그림 1.21 물이 없는 상태에서의 생존. 물곰으로 불리는 완보동물은 그 길이가 1 mm도 채 안 될 정도로 작고 물에서 산다. 얼음이 어는 매우 추운 환경에서 완보동물은 서서히 건조하여 체내 수분함량이 85%에서 약 3%까지 떨어진다. 이는 완보동물의 수명을 1년에서 60년까지 연장시키는 동면상태를 제공한다.

1.3 생명의 화학 탄소 ◈ 생명은 네 가지 유형의 분자들에 달려있다 생물체는 탄수화물, 지질, 단백질과 핵산으로 구성되고 이 4가지 유기화합물을 다량 섭취해야 함 비타민은 또 다른 중요한 유기분자이며 소량이 필요함 ◈ 중합체합성은 공통적인 화학반응을 통해 일어난다 탈수합성 (dehydration synthesis), 가수분해 (hydrolysis)

(2)탄수화물 - 탄소, 수소, 산소의 비율이 1:2:1 Cn(H2O)m (그림 1.22) - 단당류와 이당류는 단순한 탄수화물 - 다당류는 에너지 저장과 구조를 제공 - 다당류는 면역에 중요한 작용 키틴과 같은 절지동물 및 연체동물의 외각을 구성하는 다당류는 보호 기능 쌀 – 아밀로오스, 쌀겨 – 셀룰로오스 : 포도당의 연결방식에 차이가 있음 사람의 경우 아밀로오스를 분해할 수 있는 효소가 있지만, 셀룰로오스를 분해하는 효소는 없음 cf) 달팽이, 곰팡이 : 스스로 셀룰라아제를 생산 초식성 동물 : 장 속에 셀룰로오스를 분해하는 미생물을 갖고 있음 그림 1.22 탄수화물은 단순하거나 또는 복잡할 수 있다.

그림 1.23 복잡한 탄수화물은 다양한 기능을 한다. 탄수화물은 구조적 역할과 에너지원으로서 작용한다. 포도당 단위체가 긴 사슬로 연결되어 식물의 주요한 구조성분인 셀룰로오스를 만든다. 키틴은 곤충의 단단한 외골격을 형성한다. 동물세포는 신체의 나머지 부위에 대해 세포를 확인하는 복잡한 탄수화물분자들로 덮여있다.

(3) 지질 - 유기용매에는 녹지만 물에는 녹지 않음 - 생명체에 필수적이며 생장과 비타민의 이용에도 필요 - 지방은 소화가 느려 배고픔을 덜게 하고 어떤 지질은 잎, 가죽, 털 및 기관을 덮고 있어 보호 및 체온유지 에너지원으로 사용 - 포화지방산 : 모든 탄소가 단일결합 - 불포화지방산 : 지방산이 하나의 이중결합 - 다불포화지방산 : 2개 이상의 이중결합 - 트리글리세리드 : 글리세롤에 연결된 3개의 지방산으로 구성됨

그림 1.24 지질은 복잡한 분자를 만든다. 트리글리세리드는 지방산을 글리세롤에 결합함으로써 형성된다. 이중결합은 지방산 꼬리를 휘게 만들고 지질을 더 유동성 있게 해준다.

그림 1.25 세포막의 지질. (A) 인지질은 모든 생물 세포막의 기본 단위이다. 이중결합은 ‘비틀림’을 일으켜 막을 더 유동성 있게 만든다. (B) 동물에서 콜레스테롤은 호르몬 생성의 전구물질로 사용될 뿐 아니라 막의 유동성을 제공한다.

종류 탄소골격의 길이와 이중결합의 위치 등에 따라 다양 Saturated fatty acid : 탄소간의 이중결합이 없음, 일자구조 saturated fat – 대부분의 동물, 상온에서 고체 Unsaturated fatty acid : 이중결합이 존재, 굽은 구조 unsaturated fat – 식물이나 어류, 상온에서 액체 기능 1. 에너지 저장 단백질이나 탄수화물보다 많은 에너지 저장 사람 등의 포유류는 지방세포에 에너지를 오랫동안 저장 2. 완충작용 3. 보온작용

인지질 A. 구조 Glycerol에 두 개의 fatty acid와 하나의 인산기가 결합 B. 특성 물에 대해 양면적인 특징 친수성 head 소수성 tail 물속에서 micelle형성

세포표면에서 이중으로 배열 세포막 친수성 head는 바깥쪽으로, 소수성 tail은 안쪽으로 위치 세포외부와 내부의 경계를 이룸

그림 1.26 지질은 여러 가지 형태로 존재한다. 왁스는 수달의 모피와 풀의 큐티클을 방수한다.

(4) 단백질 - 아미노산의 단위체로 구성 - 하나 또는 그 이상의 폴리펩티드 사슬로 구성 ◈ 아미노산은 단백질의 단위체이다 - 생물체에 존재하는 아미노산은 20 종류 - 아미노산의 구조 : 중앙에 4개의 다른 기능기에 결합된 탄소원자를 갖는다. 수소원자, 카르복실기, 아미노기, 곁사슬 또는 R기 - 펩티드결합 : 두 개의 아미노산이 결합할 때 한 아미노산의 산성 그룹의 탄소가 다른 아미노산의 질소와 결합

그림 1.27 아미노산은 결합하여 펩티드를 만든다. 아미노산은 단백질의 단위체이다. 아미노산은 중앙의 탄소원자에 결합된 아미노기, 카르복실기와 20종류의 R기 중 하나로 구성되어 있다. R기의 성분은 단백질의 기능에 영향을 준다. (C) 디펩티드는 한 아미노산의 카르복실기의 OH가 다른 아미노산의 아미노기의 H와 반응할 때 형성되며, 이때 물분자를 만들고 첫 아미노산의 카르복실 탄소를 다른 아미노산의 질소에 연결한다. (D) 아미노산의 긴 사슬은 펩티드로서 폴리펩티드와 단백질을 만든다.

The 20 amino acids of proteins

그림 1.28 케라틴으로부터 생성된 구조물. 알파-케라틴은 (A) 새의 부리, (B) 뱀의 비늘, (C) 숫양의 뿔을 만든다.

◈ 단백질은 기능을 위해 접혀야 한다 - 단백질구조의 수준 (그림. 1.29) 1. 일차구조 : 아미노산 서열의 나열 2. 이차구조 : 펩티드골격 사이의 수소결합으로 인한 아미노산의 공간에서의 배열 - α 나선구조, β 병풍구조 3. 삼차구조 : R기 사이의 이황화결합과 이온결합 R기와 물의 상호작용 4. 사차구조 : 2개 이상의 삼차구조 분리된 폴리펩티드 사이의 수소결합과 이온결합 변성 : 일반적으로 단백질의 구조가 그 기능을 결정 3차구조를 파괴하면 1차구조가 온전해도 그 기능은 파괴됨

효소 : 세포 내 화학반응에서 소모되지 않은 채 특정 화학반응률을 촉진하는 과정, 즉 촉매를 담당하는 단백질 ◈ 효소는 생명체에서 촉매로 작용한다 효소 : 세포 내 화학반응에서 소모되지 않은 채 특정 화학반응률을 촉진하는 과정, 즉 촉매를 담당하는 단백질 기질특이성을 갖고 있음 기질이 결합하는 활성부위 (active site)가 존재 효소는 반응 후 변하지 않음 그림 1.30 효소작용. 기질 A와 B가 효소의 활성부위에 들어간다. 효소-기질 복합체는 기질이 활성부위에 결합하면서 형성된다. 그 결과 새로운 생성물인 AB가 만들어진다.

(5) 핵산 : DNA (DeoxyriboNucleic Acid), RNA (RiboNucleic Acid) 뉴클레오티드 : RNA와 DNA를 구성하는 단위체로서 염기, 오탄당과 인산으로 구성된다 - 염기 [아데닌 (A), 시토신 (C), 구아닌 (G), 티민 (T), 우라실 (U)] - 유전암호 (Genetic code) : 3개의 염기가 한 특정 아미노산을 만드는 암호 - 유전자 (Gene) : 하나의 폴리펩티드를 만드는 유전암호의 서열 - DNA 이중나선을 구성하는 뉴클레이티드의 두 가닥은 서로 ‘상보적’이고 또는 ‘정반대’임 (reverse complement)

그림 1.31 DNA 구조. DNA의 단위체는 뉴클레오티드이고, 이는 염기 (A, C, G, T), 당(디옥시리보오스)과 인산으로 구성 (B) 상보적 염기들이 끌어당길 때 뉴클레오티드 쌍이 형성되며, A와 T 그리고, C와 G가 상보적으록 결합 DNA 분자는 이중나선의 가닥으로 각 가닥은 서로 반대 방향으로 위치. RNA는 보통 단일가닥이고, 다른 당 (리보오스)과 다른 염기(티민 대신 우라실)를 갖는다

● DNA의 기능 1. 각 세포의 기능과 형태에 관한 정보 갖음 → DNA의 뉴클레오타이드 순서는 단백질을 만드는 암호 : 중심원리 (central dogma) 2. 세포분열 시 딸세포에 정보 전달 → DNA 정보는 자손에게 전달