세포의 구성: 생화학 - 탄수화물 - 지질 - 핵산 - 단백질 Chapter 2 세포의 구성: 생화학 - 탄수화물 - 지질 - 핵산 - 단백질

배경 세포의 복잡성과 다양성. 세포는 물리/화학법칙을 따름. 최신 세포생물학은 물리/화학적 반응관점에서 세포의 여러 반응을 이해하려고 노력함. 세포 내 물 함량은 전체 물질의 60~70%임. 물은 극성물질로서 수소원자는 양이온 전하를 가지며 산소원자는 음전하를 띔 (이온은 아님).

물의 성질: 수소결합 (hydrogen bond)!! 물은 다른 극성물질과 함께 수소결합을 형성함. 물은 양이온 또는 음이온과 모두 상호작용함. 이온과 극성물질은 물에 잘 녹음 (친수성, hydrophilic). 비극성물질은 물과 반응하지 못해 작 녹지 않음 (소수성, hydrophobic).

생체 내의 비공유결합 (noncovalent interaction) 수소결합 (hydrogen bond) 이온반응 (Ionic interaction) 소수성 상호작용 (Hydrophobic interaction) 4. Van der Waals interaction

세포내 무기물질 전체 세포의 1% 미만을 차지함: sodium (Na+) potassium (K+) magnesium (Mg2+) calcium (Ca2+) phosphate (HPO42−) chloride (Cl−) bicarbonate (HCO3−)

생화학 (BIOCHEMISTRY): 4가지 유기물질 (macromolecule)의 분해 대사와 생합성 및 조절 기전 세포 내 유기물질 유기물은 세포의 주요 구성요소 세포 내 주요 유기물질: 탄수화물 (carbohydrates), 지질 (lipids), 단백질 (proteins), 핵산 (nucleic acids). 생화학 (BIOCHEMISTRY): 4가지 유기물질 (macromolecule)의 분해 대사와 생합성 및 조절 기전

1. 탄수화물 (carbohydrates) 탄수화물은 단당류와 다당류를 포함함 탄수화물은 단당류와 다당류를 포함함 단당류(Monosaccharides)는 세포의 주요 영양원. 기본화학식은 (CH2O)n. 포도당 (glucose (C6H12O6)) 세포의 주요영양원이기에 매우 중요함.

6탄당 (hexose sugar) Cell5e-Fig-02-02-3.jpg

5탄당 (pentose sugar) RNA Cell5e-Fig-02-02-2.jpg

3 탄당 (Triose sugar) 해당과정 (glycolysis) Cell5e-Fig-02-02-1.jpg

단당류의 중합화 (polymerization) 단당류는 탈수 반응 (물을 생산하면서 반응이 일어남)을 통해 다당류를 형성하며 glycosidic bond에 의해 연결됨. Oligosaccharides (올리고당)은 수개의 단당류의 중합체 Polysaccharides은 수백, 수천개 단당류의 중합체임.

다당류 (Polysaccharides) 생명체 내 다당류의 예: 글리코겐 (Glycogen): 동물세포에서 에너지 저장. 녹말/전분 (starch): 식물세포에서 에너지저장형태. 두형태 모두 포도당으로 구성되어 있으며 α- glycosidic bond로 연결되어 있음 (homopolysaccharides). 1-6 1-4 glycosidic bond

다당류 (Polysaccharides) 셀루로스 (Cellulose)는 식물 세포벽의 주요 구성성분임 포도당 단당체로 구성되어 있는 homopolysaccharide이며 β-glycosidic bond로 연결되어 있음. β(1→4) 결합은 긴 형태의 사슬을 형성하며 구조적으로 강한 섬유질을 형성하게 됨.

2. 지질 (Lipids) 지질의 세가지 주요 기능: 에너지 저장 생체막의 주요 성분 세포신호전달에서 중요: 스테로이드 호르몬과 지질신호 전달체.

지방산 (Fatty acids) 지방산 (Fatty acids)는 기본적인 지질: 긴 탄화수소 사슬 끝에 카르복실기 (COO-) 불포화 지방산은 하나 또는 그 이상의 이중결합을 가지고 있음. 반면 포화지방산은 단일결합으로만 이루어져 있음. 지방산은 소수성 (hydrophobic)임.

중성지방 (Fat, Triacylglycerol) 지방산은 중성지방의 형태로 저장됨 (triacylglycerols, fats): 세개의 지방산 + 글리세롤 물에 녹지않으며 세포질에 지방적(fat droplets). 생리적변화시 분해되어 에너지생성반응에 사용됨. 에너지생산에 있어서 탄수화물보다 효율이 높음. 단일무게당 에너지생산이 두배이상임. 움직임이 많은 동물에서 매우 중요함.

인지질 (Phospholipids) 인지질은 세포막의 주요구성 성분 두개의 지방산과 글리세롤, 인산화 알코올로 구성 Glycerol phospholipids: 두개의 지방산이 글리세롤에 부착되고 sn-3 위치에 인산이 부착되어 있음. Cell5e-Fig-02-07-1.jpg

인지질 (Phospholipids) 세포막인지질 중 스핑고미엘린 (Sphingomyelin)만이 글리세롤을 포함하지 않음. Cell5e-Fig-02-07-2.jpg 세포막인지질 중 스핑고미엘린 (Sphingomyelin)만이 글리세롤을 포함하지 않음. 두개의 탄화수소 사슬이 극성 head group에 부착되어 있음.

인지질과 생체막 모든 인지질은 소수성 부분 (탄화수소 사슬)과 친수성 부분 (극성 head group)을 가지고 있음. 결과적으로 인지질은 양수성 물질임 (amphipathic molecules): 한 분자의 일부는 친수성이고 일부는 소수성임. 생체막 형성의 원리 (Lipid-bilayer)

당지질과 콜레스테롤 세포막은 당지질(glycolipid)과 콜레스테롤을 포함함. 당지질은 양수성임. 콜레스테롤은 4개의 탄화수소 링 구조를 가지고 있어 소수성을 가지나 알콜기 (OH)를 가져 부분적으로 친수성을 가짐:양수성 (amphipathic molecule)

신호전달체로서의 지질 스테로이드 호르몬 (steroid hormones, 에스트로젠 테스토스테론)은 콜레스테롤 유도체임. 인지질 유도체 또한 세포 내 신호전달체로서 역할을 함 (Inositol triphosphate, lysophospholipids)

인지질 이중층 (phospholipid bilayer) Cell5e-Fig-02-22-0.jpg

막유동성 (membrane fluidity) 인지질은 생체막의 한층에서만 이동 (lateral movement in one layer) 온도와 지질구조에 의해 막유동성이 결정

생체막 내 콜레스테롤 콜레스테롤의 탄화수소사슬이 생체막의 구조를 강하게 도움 콜레스테롤의 탄화수소사슬이 생체막의 구조를 강하게 도움 낮은 온도에서 지방산간의 상호작용을 낮추어 막유동성을 높임. 양수성물질 (amphipathic)

막구조의 Fluid mosaic model Cell5e-Fig-02-25-0.jpg

생체막의 투과성 선택적으로 물질을 투과함 CO2, O2, H2O은 자유롭게 생체막을 투과함 이온, 포도당, 큰 물질은 투과못함

생체막의 물질수송 수송체 단백질 Channel proteins: 선택적으로 열고 닫혀 물질을 세포 내외로 수송함. Carrier proteins: 선택적으로 수송물질과 결합하여 수송함 (포도당).

3. 핵산 (Nucleic acids) 핵산 (Nucleic acids)의 종류 Deoxyribonucleic acid (DNA)는 유전정보를 가짐. Ribonucleic acid (RNA) Messenger RNA (mRNA)는 DNA에 보관된 유전정보를 리보좀에 전달함. Ribosomal RNA와 transfer RNA는 단백질 합성에 관여함. 다른 RNA는 유전자 발현조절과 RNA와 단백질의 전달에 관여함. RNA는 화학반응을 일으키는 효소로서도 역할을 함 (ribozyme)

핵산의 구성요소- 핵산염기 (nitrogenous base) DNA와 RNA는 nucleotide의 중합체임. - Nucleotide = 핵산염기 + 인산 + 당 (ribose or deoxy-ribose) DNA는 두개의 퓨린 (purine) (adenine, guanine)과 두개의 피리미딘 (pyrimidine) (cytosine, thymine)으로 구성됨 (ATGC). RNA는 thymine 대신 uracil을 가지고 있음 (AUGC).

핵산의 구성요소- 당과 인산 Nucleoside= 핵산염기 + 당 Nucleotide = 핵산염기 + 인산 + 당 (ribose or deoxy-ribose) DNA는 2′-deoxyribose를 가지며, RNA는 ribose를 가짐. Nucleotide는 인산기를 5’ 탄소에 가지고 있음.

DNA/RNA 중합 (DNA polymerization) DNA의 중합은 5’ 탄소의 인산기와 3’ 탄소의 수산화기가 반응하는 이인산 에스테르 결합 (phosphodiester bond) 을 통해 이루어짐. RNA와 DNA는 polynucleotides로서 수천 수백만의 nucleotide로 구성됨. and may contain thousands or millions of nucleotides. Polynucleotides는 항상 5′ 에서 3′ 방향으로 진행됨.

핵산의 구조와 수소결합 DNA와 RNA에 포함된 유전정보는 염기서열에 의해 결정됨. DNA는 두 polynucleotide 사슬로 구성되는 이중나선 구조를 가짐. 각사슬의 핵산염기는 상보적으로 서로 수소결합을 통해 연결됨: A=T, G_C =

핵산의 성질 DNA, RNA는 한 사슬을 template로 하여 상보적인 염기서열을 가진 새로운 사슬을 생합성함 핵산의 자기복제 핵산에 포함된 유전정보는 RNA를 거쳐 단백질을 생합성으로 이어지며 이 단백질들이 세포 내에서 여러 역할을 함. Adenosine 5′-triphosphate (ATP)는 세포 안에서 주요 에너지로서 사용됨. cyclic AMP는 세포안에서 신호전달물질임.

4. 단백질 (Protein) 단백질은 macromolecule 중가장 다양한 형태를 가짐. 세포는 수천개의 다양한 단백질로 구성되어 있으며 세포의 모든 활동을 맡고 있음. 단백질의 기능: 구조성분 (Structural components) O2, 포도당과 같은 작은 물질의 수송과 보존 세포간 정보 전달 (단백질호르몬) 감염에 대한 방어체 (항체) 효소반응

아미노산 (Amino acids) 단백질은 20개의 다양한 아미노산으로 구성 각 아미노산은 α 탄소에 카르복실기 (carboxyl group (COO−))와 아미노기 (amino group (NH3+)), 수소 원자, 그리고 다양한 작용기로 구성됨

아미노산의 작용기에 따른 분류 비극성 작용기 (Nonpolar side chains) 극성작용기 (Polar side chains) 염기성 작용기 (charged basic groups) 산성작용기 (Acidic side chains) 표기법, 약자 (3 letter acronym, 1 letter acronym) Peptide를 그릴 때 N-terminus를 왼편에 그리는 것이 통례

비극성 아미노산 Cell5e-Fig-02-14-1.jpg

극성 아미노산 Cell5e-Fig-02-14-2.jpg

염기성 아미노산 Cell5e-Fig-02-14-3.jpg

산성 아미노산 Cell5e-Fig-02-14-4.jpg

아미노산의 중합 = 단백질 합성 펩티드 결합 (peptide bond): 아미노산의 중합. 폴리펩티드 (polypeptide): 아미노산의 중합체. 폴리펩티드의 한쪽 끝은 α 아미노기 (N terminus)를 가지며 다른 끝은 α 카르복실기 (C terminus)를 가짐. Peptide를 그릴 때 N-terminus를 왼편에 그리는 것이 통례

단백질의 아미노산 서열 단백질의 아미노산 서열이 단백질의 특성을 정의함. 1953년 Frederick Sanger에 의해 인슐린의 서열이 처음으로 밝혀짐. 단백질의 서열은 mRNA의 서열에 의해 결정됨. 유전자의 염기서열에 의해 결정 단백질은 그 기능에 따른 3차원 구조 (conformation)를 가짐. Disulfide bond

단백질의 구조 1차구조 (Primary) : 아미노산 sequence 2차구조 (Secondary) : a helix, b strand등 3차 구조의 일부분 3차구조 (Tertiary) : 3차 구조 4차 구조 (Quaternary) : subunit들의 공간배치 및 상호간의 interaction 복잡한 단백질 구조를 이해하기 위해 편의상 도입한 개념상의 계급(conceptual hierarchy)이다.

단백질의 2차구조 Cell5e-Fig-02-19-0.jpg

단백질의 X-ray 결정구조 (X-ray crystallography) Cell5e-Fig-02-18-0.jpg

단백질의 4차 구조: 단백질간의 상호작용 헤모글로빈: 4개의 폴리펩타이드로 구성되어 있음.