3장. 생명의 분자 생명의 분자: 구조와 기능 탄수화물(Carbohydrates) 지방(Lipids) 단백질(Proteins) 핵산(Nucleic acids)

탄소의 결합방식 다른 원자와 4개의 공유결합을 하는 탄소는 생명의 분자에서 커다란 유기화합물의 골격으로 사용된다. 포도당의 공-막대 모형 포도당의 고리 구조 단순화시킨 6탄소 고리 유기화합물을 표시하는 여러가지 방법

1. 생명분자 생명 분자의 특징 -복합탄수화물, 지질, 단백질 및 핵산(분자의 구조와 기능이 밀접하게 연관된다.) -생물체는 탄소와 적어도 하나의 수소원자를 갖는 유기화합물(organic compound) (주로 탄소, 산소, 수소로 구성된다.) -특정 작용기(functional group, 유기화합물의 탄소원자에 공유적으로 결합되어 있는 원자 혹은 원자단)를 갖는다. -효소가 매개하는 반응으로 작은 유기화합물이 생명의 분자들로 합성된다.

작용기 분자에 특정 성질을 부여하는 원자 혹은 원자 무리는 고분자들의 구조와 화학적 성질에 영향을 미친다. 생명분자에서 공통적인 작용기 및 화학적 성질

작용기가 미치는 효과 HO O 성호르몬인 에스트로겐과 테스토스테론은 고리에 결합된 작용기의 위치만 다를 뿐인데도 그 효과는 매우 다르게 나타난다.

세포가 유기화합물을 만드는 방식 축합 (condensation) 가수분해 (Hydrolysis) 엿당 작은 분자로부터 큰 유기화합물을 만들어 내는 방법은 단위체(monomer)들을 연결하여 중합체(polymer)를 합성하는 것이다. 물 분자가 제거 되면서 중합체가 되는 반응은 다양한 효소들이 촉매한다.

효소들의 작용방식 작용기 이동: 한 분자의 작용기가 다른 분자로 옮겨짐. 전자이동: 한 분자에서 분리된 전자가 다른 분자로 이동됨. 재배열: 한 종류의 유기화합물의 내부 결합들이 변하여 다른 화합물이 됨. 축합: 두 분자들 사이의 공유결합으로 큰 분자가 형성됨. 분해: 한 분자가 두 분자 이상으로 갈라짐.

탄소, 수소, 산소 = 1:2:1 , (CH2O)n 세포의 구조물질 및 에너지 저장물. 3. 탄수화물(Carbohydrates) 탄소, 수소, 산소 = 1:2:1 , (CH2O)n 세포의 구조물질 및 에너지 저장물. 탄소골격에 –OH, CO, CHO 등의 작용기. 수용성. 수용액 상에서 고리구조를 형성함. 예)리보오스, 데옥시리보오스, 포도당

단당류(Monosaccharide)들의 연합 글리코시드 결합(Glycosidic bond)으로 올리고당 형성 다당류(Polysaccharide)의 형성: 사슬 및 가지구조를 이루며 크고 복잡해짐. 저장성 다당류: 전분, 글리코겐 구조적 다당류: 셀룰로오스 참고: 키틴 –동물의 외골격에서 발견되는 질소 포함 복합당.

짧은 사슬 탄수화물의 형성 Ex. 설탕, 젖당, 올리고당 설탕(sucrose)의 형성(단당류 이당류) 글리코시드 결합: α(14)

복합탄수화물의 형성 -전분(Starch)과 셀룰로오스(Cellulose) 수소결합! 셀룰로오스 아밀로오스(나선형)

포도당 단위의 연합 패턴 1. 아밀로오스 3. 글리코겐 2. 셀룰로오스

큐티클 층의 키틴(보호성 다당류) 질소가 포함됨! 포도당 단위에 결합된 질소 함유 원자단을 갖는 키틴. 일부 동물의 외골격을 구성하고 구조를 강화시킨다.

4. 지질(Lipids): Fat and Oil 지방(fat): 글리세롤(Glycerol)과 지방산이 연합하면 지질인 지방이 된다. 지방산(fatty acid): 비극성 탄화수소 사슬 - 포화지방산; 탄소 골격에 단일 결합만 존재 - 불포화지방산; 탄소골격에 이중결합 존재 중성지방: 트리글리세리드(triglycerid)로 지방산 3분자와 글리세롤이 결합한 것.

여러 가지 지방산 올레산(Oleic acid) 리놀렌산 스테아르산 (Stearic acid) 포화탄화수소 사슬과 불포화 탄화수소 사슬: 분자 구조에 유의하라!

중성지방의 형성과 쓰임새 많은 중성지방을 가진 황제펭귄 탈수축합: 에스테르 결합의 형성

변형 지질 인지질(Phospholipid) ~ 글리세롤 골격에 2개의 지방산 사슬과 인 원자가 포함된 극성 머리 부분을 갖는다. 세포막의 주요 성분. 밀랍(Wax) ~ 사슬형 알코올이나 고리형 탄소화합물에 결합된 긴 지방사슬. 점도가 높고 매우 소수성(수분 제어 효과). 스테롤(Sterol) ~ 지방산이 없는 고리모양 핵의 변형체들. 진핵생물 세포막의 주요 구성성분. Ex)콜레스테롤(Cholesterol):담즙, 스테로이드 호르몬, 비타민D의 전구체로 쓰인다.

인지질 세포막의 구성 성분이 되는 인지질

밀랍(왁스)과 스테롤 스테롤 핵 콜레스테롤

아미노산들의 탈수축합: 펩티드 결합(peptide bond) 다양성의 기초: 20n 5. 단백질(Proteins) 다양한 구조와 기능을 나타내는 생명분자 아미노산(amino acid)의 중합체 아미노산들의 탈수축합: 펩티드 결합(peptide bond) 다양성의 기초: 20n 아미노산: 아미노기(-NH3+), 카르복시기(-COO-), 수소원자, R 그룹으로 구성됨.

아미노산들의 결합 R 펩티드 결합 : 폴리펩티드 사슬의 형성

단백질 구조의 체계 폴리펩티드의 형성: 단백질의 1차 구조 폴리펩티드 사슬의 수소결합: 단백질의 2차구조(알파 나선 구조, 베타 병풍 구조) 폴리펩티드 사슬의 복잡한 접힘: 3차 구조 폴리펩티드 사슬들의 상호작용: 소단위들의 결합, 4차 구조 단백질들의 변형: 당과 지질의 추가. -단백질 모양은 생물학적 활성을 결정한다. -열, pH, 수소결합에 영향을 미치는 화학물 등은 단백질의 구조를 변화시킨다  변성(denaturation)

단백질 구조의 형성 폴리펩티드 사슬의 체계화로 나타나는 구조가 단백질의 기능에 커다란 영향을 미친다.

단백질의 구조와 기능 글로빈 분자와 헴기: 헤모글로빈의 형성. 4분자의 헤모글로빈(2x α, 2x β)이 적혈구 세포에서 산소를 실어 나른다.

6. 단백질 구조의 중요성 겸상적혈구 빈혈증(낫형 적혈구 빈혈증, sickle cell anemia)은 베타헤모글로빈의 단 한 아미노산이 치환되어 나타난다.

뉴클레오티드: 에너지 운반, 조효소, 전자 전달자, 정보의 저장에 사용됨. 뉴클레오티드의 구성: 인산 + 오탄당+ 염기 7. 뉴클레오티드와 핵산 뉴클레오티드: 에너지 운반, 조효소, 전자 전달자, 정보의 저장에 사용됨. 뉴클레오티드의 구성: 인산 + 오탄당+ 염기 오탄당: 리보오스(Ribose) 혹은 데옥시리보오스(Deoxyribose) 염기(Base): 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 우라실(U) 핵산의 형성: 뉴클레오티드들 사이의 탈수축합반응 폴리뉴클레오티드 형성.

뉴클레오티드(Nucleotide)의 구성 ATP(Adenosine triphosphate)의 구조, 여기에 사용된 당은 리보오스다.

DNA에 사용되는 뉴클레오티드 2번 탄소의 산소원자가 빠져 있다(deoxy-ribose). 이것은 뉴클레오티드들 사이의 인산에스테르 결합에 3번 탄소의 작용기가 관여하도록 한다.

DNA분자 두 가닥의 폴리뉴클레오티드 사슬이 양쪽 가닥의 염기들 간에 형성된 수소결합으로 붙어있게 된다. 두 가닥의 방향은 서로 반대이다.

2. 메탄가스의 변화와 지구, 그리고 생물 해양생물의 유기물 침전  메탄 생성균의 번성  현재 메탄 누출지(methane seep) 누출지 근처에서 메탄을 에너지원으로 이용하는 고세균들이 이산화탄소와 수소 방출 수소 이용균의 번성(황산염 황화수소) 메탄누출지(고압, 저온) 메탄수화물(methane hydrate)생성; 폭발 가능성 존재(이러한 폭발이 기존의 절멸을 유발했으며, 지구상의 이산화탄소 농도 증가에 기여했을 것) 메탄과 진화: 리스트로사우르스(낮은 산소농도에의 적응이 페름기 절멸을 피하게 했을 것)

b. 공-막대 모형(Ball-and-stick Model); 분자에 참여한 서로 다른 원자들을 잘 보여준다. a. 구조식(Structural formula) showing four single covalent bonds. c. 공간충전 모형(Space-filling model) 전자가 차지하는 공간의 부피를 표시해준다. 메탄의 분자 모형

메탄 누출지와 미생물들 흑해의 메탄 누출지(해수면 230m 아래의 미생물 굴뚝) methane-eating archaea (red) And sulfate-eating bacteria (green) near seeps methane hydrates methane-producing archaea 흑해의 메탄 누출지(해수면 230m 아래의 미생물 굴뚝)

리스트로사우르스(Lystrosurus), 이 동물은 지금 절멸했지만 페름기 대멸종을 견뎌냈다