제1장 생명체의 특성과 구성성분 식물인가 아니면 동물인가? 잎 모양의 바다용은 그 형태가 마치 주변의 해초를 흉내 낸 것처럼 주위환경에 절묘하게 적응하고 있다.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 생명의 5가지의 공통된 특성들 구성 (organization) 에너지 사용과 대사 (energy use and metabolism) 내부 항상성의 유지 (maintenance of internal constancy) 생식 (reproduction), 생장 (growth)과 발생 (development) 자극감응성 (irritability)과 적응 (자극에 대한 반응)

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 + 생명체는 역동적인 구성을 나타낸다 생물학적 구성은 모든 생명체에서 뚜렷이 나타난다. 세포는 생명활동을 유지하는 가장 간단한 구조이다. 모든 생명은 세포로 구성되고 세포는 분자들이 조직화된 집단이다. 모든 수준에서 그리고 모든 생명체에서 구조적 구성은 기능과 밀접하게 연결되어 있다.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 그림 1.1 모든 생명체의 공통적인 특성을 보여주는 세포 구성 수준.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 출현성질 (emergent property): 생명체 구조의 복잡성이 증가하면서 일어나는 기능. 이러한 기능은 구성성분 사이의 물리적 화학적 상호작용으로부터 일어난다. 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.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 + 모든 생명체는 에너지를 이용한다 일정한 형태의 조직이나 질서를 유지하려면 에너지가 필요하다. 에너지는 새로운 구조를 만들고, 낡은 구조를 수선 또는 분해 그리고 생식하는데 사용된다. 대사 (metabolism)는 생명을 유지하는 세포 내 화학반응을 의미한다. 모든 생명체는 자신의 주변환경으로부터 에너지를 얻는다. 그림 1.3 생명은 연관되어 있다. 생물은 서로(소비자) 그리고 궁극적으로는 태양 또는 무기화합물로부터 에너지를 추출한다. 분해자는 영양분을 무생물 환경으로 재순환시킨다.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 + 생명체는 내부항상성을 유지한다 생체 내 대사활동을 원만하게 유지하기 위해 생명체는 적당한 온도, 물, 염, 무기염류 등을 유지해야 한다. 상태를 일정하게 유지하는 능력: 항상성 (homeostasis) 생명의 중요한 특징은 환경변화를 감지하고 대응하는 능력을 통해 세포 내를 항상 살아 있는 상태로 유지하는 것이다. 변화무쌍한 환경 속에서 생명체가 소모하는 에너지의 상당부분을 항상성을 위해 사용해야 하는 중요한 도전에 직면한다.

1.1 생명체는 무엇인가? (1) 구성과 에너지 + 개념정리 살아있는 생명체는 여러 특징들의 연합에 의해 무생물과는 구별된다. 생명체는 분자로부터 세포, 조직, 기관과 기관계, 개체, 집단, 군집, 생태계와 생물권에 이르기까지 그 크기와 복잡성이 증가하는 구조로 조직화되어 있다. 출현성질은 물리적 화학적 법칙의 결과로 생명의 구성수준이 증가하면서 나타난다. 대사는 항상성을 지지하기 위해 에너지를 이용한다. 대사에 필요한 연료를 공급하는 에너지는 태양과 다른 생명체들로부터 온다.

1.1 생명체는 무엇인가? (2) 생명의 연속성 + 생명체는 생식하고, 성장하고, 발생한다 생물은 생식을 통해 유전물질인 DNA 정보를 전달하고 이는 한 세대로부터 다음 세대에까지 유전적 특성을 결정짓는다. 여러 세대에 걸쳐 성공적으로 생식할 수 있는 생명체의 그룹을 종 (species)으로 간주한다. 그림 1.4 생식은 생명체의 특성 중 매우 독특한 현상이다. 대장균은 이상적 조건하에서 20분마다 무성생식한다. 거대한 떡갈나무는 작은 묘목으로부터 시작하고, 각 나무는 수백 개의 도토리를 생산한다. 이와는 반대로 사슴은 보통 1년에 소수의 새끼를 생산한다.

1.1 생명체는 무엇인가? (2) 생명의 연속성 + 생명체는 환경에 반응한다 자극감응성은 자극에 대해 즉각 반응하는 경향이다. 자극감응성의 빠르고 일시적인 성질과는 대조적으로 적응 (adaptation)은 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 반응현상이다. 개체는 자극감응성으로부터 이익을 얻지만 적응은 연속적인 세대가 주어진 환경에서 생식을 성공적으로 가능하게 하는 집단 수준 반응이다. 적응은 종에 따라 서로 다르고 같은 종 안에서도 주어진 환경에 따라 다르다. 그림 1.5 먹이를 얻기 위한 적응. (A) 아프리카 나미비아 사막의 모래 속에 묻힌 애더 뱀의 화려한 위장술. (B) 모래 도마뱀을 포식하는 애더 뱀.

1.1 생명체는 무엇인가? (2) 생명의 연속성 자극감응성이 모든 종에서 분명하지 않지만 적응은 식물을 포함하여 모든 생물에서 생명활동에 필수적이다. 예를 들면, 대부분의 나무는 넓고 튼튼한 줄기, 꺾이지 않고 흔들리는 유연한 가지, 견고하게 내린 뿌리 덕분에 강한 바람에도 견딜 수 있다. 어떤 특정 환경에서 특정 유전 형질을 갖고 있는 개체가 다른 개체들보다 생존할 수 있는 확률이 더 높을 때 생물의 집단에 적응이 형성된다. 그림 1.6 많은 나뭇잎들은 바람에 의한 손상을 최소화하기 위한 적응을 한다. 바람의 세기를 각각 달리했을 때 나타난 잎의 모습. 0 mph, 바람이 없을 때. 5 mph, 중간 정도의 세기. (C) 20 mph, 강력한 세기의 바람.

1.1 생명체는 무엇인가? (2) 생명의 연속성 + 개념정리 종은 여러 세대에 걸쳐 성공적으로 생식할 수 있는 생물 그룹이다. 생명체는 생식을 위해 다양한 접근을 한다. 무성생식은 유전 정보를 유지하고 유성생식은 새로운 유전 변화를 도입한다. 생명체는 짧은 기간에 자극감응성을 통해 환경에 반응하고 세대에 걸쳐 적응한다. 자연 도태는 어떤 환경에서 생존의 기회와 생식을 감소시키는 유전 형질을 제거한다.

1.1 생명체는 무엇인가? (3) 생명의 진화와 다양성 + 진화는 생명에 필수적이다 자연선택 (natural selection)이란 물려받은 유전적 특징을 토대로 하는 집단으로부터 어떤 개체의 향상된 생식력과 적응력을 의미한다. 적응은 오랜 기간에 걸쳐 집단의 유전적 성분이 변화 또는 진화 (evolution)할 때 집단의 특징을 형성할 수 있다. DNA는 세포의 기능에 필요한 정보를 암호화할 뿐 아니라 그 구조가 변화하여 돌연변이 (mutation)을 일으킬 수 있다. DNA돌연변이는 자연선택이 작용하는 변이를 지속적으로 제공한다.

1.1 생명체는 무엇인가? (3) 생명의 진화와 다양성 + 역 (domain) 및 계 (kingdom)를 통해 생명의 다양성을 나타내고 분류한다. 생명은 그 기본적인 명확한 특징들로 연결되어 있고 생물다양성 (biodiversity)은 다른 종들이 특징들을 유지하기 위해 사용하는 많은 적응 전략으로부터 유래한다. 분류학: 역 (domain)-계 (kingdom)-문 (phylum)-강 (class)-목 (order)-과 (family)-속 (genus)-종 (species) 그림 1.7 생명의 다양성.

1.1 생명체는 무엇인가? (3) 생명의 진화와 다양성 + 개념정리 모든 생명은 공통조상으로부터 발생한 특징들을 공유한다. 진화는 생명의 근원으로서 모든 종들을 탄생시킨다. 생명체들의 엄청난 다양성은 더욱더 복잡한 특징들을 토대로 분류된다. 종의 이름은 2개의 서술적 용어로 구성된다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 + 이론은 지식을 요약한다 이론 (theory)은 다양한 상황에 적용하는 체계적으로 조직화된 지식의 총체이다. + 통제된 실험은 이론을 증명한다 과학적 방법은 동일한 결과를 반복할 수 있는 것으로서 증거를 얻기 위해 사용한다. 에스트로겐-모방이론: 동물호르몬은 샘 (gland)에서 생성되어 혈류를 타고 특정 기관에 특이적 효과를 발휘하는 생물학적 전령분자이다. 환경에서 에스트로겐 유사 화학물질들이 건강을 해칠 수 있다는 개념.

1.1 생명체는 무엇인가? (3) 생명의 진화와 다양성 그림 1.9 이론은 증거를 기초로 한다. 에스트로겐-모방이론에 따르면 농약의 에스트로겐-유사화학물질들이 생식기형을 유발한다는 것이다. (A) DDT를 농작물과 일부 사람들에게 살포하였다. (B) DDE(DDT의 분해산물)와 다른 환경 에스트로겐에 노출된 독수리 집단에서 독수리 새끼의 기형부리가 나타났다. (C) 부서진 알을 갖고 있는 둥지는 DDT가 난각 형성에 영향을 준다는 증거이다. (난각이 포란 중 어미의 몸무게를 지탱하지 못해 부서짐). (D) 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.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 + 관찰 과학적 방법은 관찰로부터 시작한다. 1949년부터 1971년까지 미국의 200만 임신부들은 유산을 방지하기 위해 에스트로겐에 기반한 약 DES를 복용하였다. 몇 년 후 이 임신부들 딸들에게서 희귀한 질암 또는 심각한 생식이상 등이 나타났다. 1980년 지금은 금지된 다량의 DDT가 플로리다의 아폽카 호수에 버려졌다. DDT에 노출된 수컷 악어는 왜소한 음경을 갖는다. DDT는 에스트로겐으로 작용하는 DDE로 분해된다. 플로리다의 암컷과 수컷 악어 모두 과잉의 에스트로겐을 갖고 있었다. 관찰은 실험 결과를 토대로 할 수 있고 또는 지적 연관으로부터 올 수도 있다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 그림 1.10 실험은 법칙을 따른다. (A) 자연에서 악어의 성(性)은 알의 포란 온도에 의해 결정된다. 정상적으로 고온에서 포란한 악어 알은 수컷으로 부화한다. (B) 알을 에스트로겐 또는 DDE로 페인트칠 하면 수컷으로 부화하는 악어의 수는 급격히 감소한다. 에스트로겐 모방이론을 검증하기 위해 악어 알을 사용하는 실험은 대체설명을 할 수 있어야 한다. 모든 결과를 분석해 기록할 때까지 어느 알이 어떤 처리를 받았는지 전혀 알지 못하도록 실험이 설계되었다. 이러한 실험설계는 연구자가 이미 에스트로겐 또는 DDE 처리를 받은 동물을 알고 있는 상황에서 생식이상을 찾는 비의도적 편견을 방지할 수 있다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 관찰은 실험 결과를 토대로 할 수 있고 또는 지적 연관으로부터 올 수도 있다. 에스트로겐은 인간의 유방 또는 배양액에서 생장하는 자궁세포의 분열을 자극한다. 여성들이 월경을 일찍 시작하고 늦게 폐경하면 유방암에 걸릴 확률이 더 높다. 그 이유는 이 여성들은 월경을 늦게 시작하고 일찍 끝나는 여성들보다 에스트로겐에 더 오랜 시간 노출되기 때문이다. 1938년 이래 인간 정자 수는 감소하였고 남성 생식계의 출산 결함의 발생은 증가하였다. 같은 기간 동안 에스트로겐-유사 화합물질을 포함하는 농약의 사용은 증가하였다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 배경지식 정보: 현존하는 지식을 고려하는 것은 과학탐구에서 중요하다. 에스트로겐이 어떻게 관찰된 효과를 일으키는지 이해하기 위해 에스트로겐의 정상적인 역할을 이해할 필요가 있다. 가설을 설정한다: 과학적 방법에서 관찰은 우선 다음과 같은 일반적인 질문을 한다. “과잉의 에스트로겐 노출은 인간을 포함하여 동물의 생식에 문제를 일으키는가?” 그림 1.8 과학적 방법은 발견의 수단이다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 실험을 고안한다: 일단 가설이 설정되면 연구자는 가설을 검증하기 위해 정보를 수집한다. 또한 환경 속에서 DDE가 악어의 생식이상을 유발하는가를 규명하기 위해 알을 에스트로겐-유사 화학물질에 노출시키는 실험을 실시한다.

1.1 생명체는 무엇인가? (4) 과학탐구의 과정 과학탐구는 계속된다: 각 발견은 더 많은 질문을 던져주기 때문에 그에 맞는 추가적인 실험이 필요하다. “과연 에스트로겐 모방은 어떤 효과를 나타내는가” “농약 잔유물이 인간의 어느 집단에서 유방암과 생식이상의 문제를 일으키는가?” + 실험 고안은 타당성을 확증하기 위해 탐구한다 실험통제: 정상 개체군을 처리군과 비교. 위약 (placebo)효과 이중 맹검법: 연구자나 참가자가 누가 시험 중 약을 복용했는지 또 누가 위약을 복용했는지 모르는 시험. 그림 1.8 과학적 방법은 발견의 수단이다.

1.1 생명체는 무엇인가? (3) 생명의 진화와 다양성 + 개념정리 과학이론은 엄격한 검증을 거치는 가설을 토대로 한 개념이고 자연현상을 설명한다. 과학적 방법을 사용하는 과학탐구는 관찰, 질문, 추리, 예측, 검증, 해석, 결론과 추가적 질문제기 등을 포함하는 사고의 한 방법이다. 과학탐구는 과학자가 관찰하고 문제를 제기하고, 설명하기 위해 추론하고 또는 가설을 설정할 때 시작한다. 실험은 가설의 타당성을 검증하고 결론은 자료 분석을 토대로 한다. 실험통제는 자료가 실험의 변이를 반영하고 다른 인자를 반영하지 않도록 한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 모든 고체는 흔히 화학물질이라고 하는 물질로 구성된다. 생물은 물질과 에너지로 구성된다. + 원소는 독특한 성질을 가지고 있다 원소는 원자의 한 유형이고 자연계에는 92개의 원소와 적어도 17개의 합성원소가 알려져 있다. 25개의 원소가 생물에 필수적이다. 대량원소와 미량원소 그림 1.11 원소의 주기율표.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 + 원자는 원소의 가장 작은 단위이다 원자 (atom)는 그 원소의 성질을 갖는 원소의 가장 작은 ‘한 부분’이다. 원자는 3개의 주요한 아원자입자: 원자핵 (nucleus)을 형성하는 양성자 (proton)와 중성자 (neutron), 원자핵을 둘러싸고 있는 전자 (electron) 각 원자의 크기와 특성을 결정짓는 것은 양성자의 수이다. 양성자는 양전하(+), 전자는 음전하(-) 그리고 중성자는 중성의 전하를 띤다. 궤도 (orbit)는 핵에 대해 전자가 가장 많이 존재하는 상대적 위치를 말한다. 그림 1.12 원자구조. 원자는 전자의 구름으로 둘러싸인 양성자와 중성자로 된 핵으로 구성된다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 원소기호와 이름 위의 원자번호 (atomic number)는 원자의 양성자 수를 나타내고 또한 그 원자의 실체를 의미한다. 주기율표의 모든 원소들은 원자번호 순으로 배열되어 있다. 질량수 (mass number)는 원자의 핵 속에 있는 양성자와 중성자의 수를 모두 합한 수이다. 원소의 원자는 중성자의 수가 다르다. 동위원소 (isotope): 원자번호는 동일하지만 중성자의 수가 달라 질량이 다름. 동일한 전하와 화학적 특성을 갖는다. 주기율표의 원소기호 아래에 표시된 원소의 원자질량 (atomic mass)은 그 동위원소들의 평균질량이다. 불안정한 방사선 동위원소가 붕괴할 때 비교적 감지하기 쉬운 에너지를 방출한다 각 방사선 동위원소는 그 원자의 절반이 방사선을 방출하거나 또는 다른 안정화된 원자로 ‘붕괴’하는 데 필요한 시간, 즉 반감기 (half life)를 갖는다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 + 분자는 원자들의 결합이다 2개 또는 그 이상의 원소들로 연결된 원자들이 하나의 화합물 (compound)을 만든다. 분자 (molecule)는 화합물의 가장 작은 단위이다. 화합물의 특성은 그 구성원소와 현저히 다르다. 예를 들면, 소금 (NaCl)은 은빛색의 활성 있는 고체금속인 나트륨과 노란색의 부식성 가스인 염소로 구성. 나트륨과 염소를 반응시키면 폭발반응이 일어나면서 하얀 결정체의 소금이 만들어진다. 또한 검은 빛의 고체인 탄소가 가볍고 연소성인 수소와 결합하면 무색의 가스인 메탄 (methane)이 만들어진다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 화학반응은 2개 또는 그 이상의 분자들이 서로 상호작용하여 다른 분자들을 만든다. 화학반응은 왼쪽에 반응물질과 오른쪽에 최종 생성물의 방정식을 나타낸다. 각 원소의 전체 원자 수는 방정식의 왼쪽과 오른쪽이 똑같아야 한다. 생명체는 주로 물과 탄소를 포함하는 분자로 구성된다. 탄소를 기반으로 하는 대부분의 분자들은 탄소와 수소를 갖는 유기분자 (organic molecule) 이다. 일산화탄소 (CO), 산화질소 (NO), 탄산가스 (CO2)는 유기분자로 고려되지 않지만 생물학적 전령분자로 작용할 수 있다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (1) 물질 + 개념정리 물질의 기본 단위인 원자들은 중성자와 양성자를 포함하는 원자핵을 둘러싸고 있는 전자들로 구성된다. 원소의 다른 특성은 양성자의 수에 의해 결정된다. 원자들은 화학반응을 통한 결합으로 화합물을 만든다. 화합물은 그 구성 원자들과 다른 특성을 나타낸다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 전자는 원자들의 결합을 결정한다 에너지껍질 (energy shell): 원자핵으로부터 특정 거리 전자는 가장 낮은 에너지껍질을 먼저 채우고 다른 껍질을 채운다. 전자들이 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지수준으로 상승한다. 원자의 가장 바깥 껍질을 원자가껍질 (valence shell)이라 함. 이 껍질은 전자가 부분적으로 채워지기 때문에 화학반응에 활발하게 관여한다. 원자가껍질 내 8개의 전자를 필요로 하는 경향을 옥텟규칙 (octet rule)이라 함. 그림 1.13 생명물질의 구성원자로 많이 존재하는 원자들의 구조. 보아 모형 (Bohr model)

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 공유결합 (covalent bond)은 전자들의 공유에 의해 형성된다 공유결합은 2개의 원자들이 원자가전자의 쌍을 공유할 때 형성되고 3개, 4개 또는 5개의 원자가전자를 갖는 원자들 사이에 형성되는 경향이 있다. 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 그림 1.15 분자를 나타내는 다른 유형의 도식법. + 공유결합은 전자들의 공유에 의해 형성된다 그림 1.15 분자를 나타내는 다른 유형의 도식법. (A) 분자식 CH₄는 1개의 탄소원자가 4개의 수소원자들과 결합된 것을 보여준다. (B) 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 공유결합은 전자들의 공유에 의해 형성된다 그림 1.16 탄소원자는 4개의 공유결합을 형성한다. 2개의 탄소원자들은 단일, 이중 또는 삼중결합을 형성할 수 있다. 탄소원자들 사이의 결합 수가 증가하면 결합된 수소원자들의 수도 증가한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 공유결합은 전자들의 공유에 의해 형성된다 메탄의 경우 전자들이 동등하게 공유되고 있기 때문에 이 결합을 비극성 공유결합 (nonpolar covalent bond)이라 한다. 이와는 대조적으로 극성 공유결합 (polar covalent bond)에서는 전자들이 다른 원자핵보다 한 원자핵에 더 많이 끌려간다. 원자가 전자를 끌어당기는 성향을 전기음성도 (electronegativity)라 한다. 산소의 전기음성도는 높다. 극성 공유결합은 탄소와 수소처럼 전기음성도가 낮은 원자들이 산소 또는 질소처럼 전기음성도가 높은 원자들과 결합할 때 형성된다. 그림 1.17 극성 공유결합. 물(H₂O)은 2개의 수소원자와 1개의 산소원자의 극성 공유결합에 의해 이루어져 있다. 산소는 수소원자핵보다 음(-)전하를 띤 수소전자를 더 강력하게 끌어당기기 때문에 산소원자는 부분적인 음전하를 띠고 수소는 상대적으로 부분적인 양(+)전하를 띠게 된다. 그 결과 생긴 부분적인 전하 때문에 물분자들은 수소결합에 의해 서로 끌어당긴다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 이온결합은 전자들의 공여와 수용에 의해 형성된다 정반대의 전하를 띤 2개의 원자들이 서로 끌어당겨 이온결합 (ionic bond)을 형성하는데, 비록 공유결합처럼 강하지는 않지만 매우 강한 인력에 의한 결합이다. 일단 원자가 전자를 잃거나 또는 얻으면 전하를 띠게 되는데 이를 이온 (ion)이라 한다. 소금처럼 정반대의 전하로 구성된 화합물을 염 (salt)이라 하고 여러 개의 이온으로부터도 형성될 수 있다. 그림 1.18 이온결합으로 형성된 소금. (A) 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 약한 화학결합들은 생명유지에 필요한 연결을 제공한다 2개의 분자들이 극성 공유결합을 포함할 때 각 원자의 일부분은 작은 부분적 전하를 띤다. 2개의 분자상의 정반대의 전하들이 서로 끌어당겨 수소결합 (hydrogen bond)을 이룬다. 이 결합에서 한 분자상에 부분적 전하를 띤 수소가 다른 분자상에 띤 부분적 음전하를 끌어당긴다. 수소결합은 비교적 약한 결합이지만 DNA 같은 거대분자의 경우 수소결합의 수가 많아서 DNA 분자를 안정화시키는데 크게 기여한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 수소결합은 공유결합보다 DNA 분자를 더 역동적인 구조로 만든다. 물을 구성하는 수많은 수소결합은 물분자의 독특한 성질을 제공한다. 거대하고 복잡한 형태를 하는 수많은 생명분자들은 전자들이 항상 움직이고 있기 때문에 일시적으로 전하를 띨 수 있다. 서로 정반대의 전하들이 서로 접근할 때 일어나는 분자 사이 또는 분자 내 역동적인 인력을 반데르발스인력 (van der Waals attraction)이라고 한다. 이 인력은 생명분자의 구조를 형성하는데 도움을 준다. 반데르발스인력은 밀접한 접촉을 하는 표면 사이의 인력을 형성하기 때문에 큰 생명분자의 구조를 유지하는 데도 중요하다. 예를 들어 도마뱀붙이는 이 반데르발스인력을 이용하여 비늘을 빨리 벗고 홍합은 배의 선체에 달라붙는다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 물분자와의 상호작용은 분자의 3차 구조를 결정하는 데 도움을 제공하는 화학적 인력을 형성한다. 물잔 속의 기름방울처럼 만약 분자가 전하를 띠고 있지 않으면 물과 상호작용할 수 없는데 이러한 물질을 소수성분자 (hydrophobic molecule)라 한다. 친수성분자 (hydrophilic molecule)는 전하를 띠고 있어 물에 끌린다. 단백질처럼 거대분자는 소수성 부위가 물로부터 멀어지도록 그 구조를 변화시킨다. 물과의 상호작용은 다른 구획들을 형성하여 세포표면을 안정화하는 데 기여한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (2) 화학결합 + 개념정리 화학결합은 원자들이 전자를 주고, 받고 또는 공유할 때 원자들 사이에 형성된다. 화학결합의 유형과 세기는 각 원자의 전자 수에 의해 결정된다. 공유결합은 원자들이 전자들을 공유함으로써 형성된다. 소수성인력, 반데르발스인력, 이온결합을 형성하는 원자 또는 분자에서 보는 것처럼 다른 유형의 화학결합도 일어난다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 + 모든 생명과정은 용액에서 일어난다 1초당 물 1개의 분자와 인접한 물분자 사이에 수소결합이 5,000억 번이나 형성되고 재형성된다. 이처럼 끊임없이 변하는 수소결합은 물분자를 유동성있게 한다. 물분자들 사이에 끊임없이 반복되는 재결합을 나타내는 동일한 분자들 사이의 인력을 응집 (cohesion)이라고 한다. 물은 많은 다른 분자들과 용이하게 수소결합을 하는데 이러한 성질을 부착 (adhesion)이라고 한다. 그림 1.19 용액은 분자들의 혼합물이다. 용질과 용매 사이의 상호작용 때문에 용질은 용매와 결합을 형성하여 용해한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 응집과 부착은 식물생리에서 중요한 역할을 한다. 식물뿌리로부터 가장 높은 위치의 잎까지 물이 이동하는 것은 식물의 물도관 내의 물의 응집에 달려있다. 물의 부착성은 물질이 물을 흡수하여 팽창하는 성향, 즉 침윤 (imbibition)을 의미한다. 물의 이러한 침윤은 씨앗을 팽창시켜 씨앗껍질을 터뜨리고 그 속의 배 (embryo)성장을 촉진시킨다. 용매, 용질, 용액 수용액은 물을 용매로 사용하는 용액이다. 전해질은 생명체의 필수적인 활성물질들을 구성하는 이온들이다. 그림 1.19 용액은 분자들의 혼합물이다. 용질과 용매 사이의 상호작용 때문에 용질은 용매와 결합을 형성하여 용해한다.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 + 용액은 산성 또는 염기성이다 pH 척도: 혈액의 정상 pH는 7.35~7.45이다. 혈액 pH가 7.5~7.8이 되는 알칼리증 (alkalosis)은 과민반응과 현기증을 일으킨다. 알칼리증은 높은 고도에서 빠른 호흡, 제산제 과다 복용, 고열 또는 극심한 불안감 등에 의해 일어날 수 있다. 혈액 pH가 7.0~7.3으로 떨어지는 산증 (acidosis)은 정신을 산만하게 하거나 피곤하게 만들고 호흡장애를 일으킨다. 이러한 증상은 심각한 구토, 당뇨병, 뇌손상, 폐 또는 콩팥질환 등으로부터 올 수 있다. 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 완충용액의 작용: 생명체에서 체액의 pH를 알맞게 유지하는 완충계 (buffer system)는 약산과 염기의 쌍을 갖고 잇다. 완충계는 강산 또는 강염기를 중화시키는 수소를 흡수 또는 상실함으로써 pH를 상대적으로 일정하게 유지한다. 이러한 완충계의 하나인 탄산(H2CO3)과 탄산수소나트륨 (NaHCO3)은 세포 내와 세포 외 체액 속에서 발견된다. HCl + NaHCO3 → H2CO3 + NaCl NaOH + H2CO3 → NaHCO3 + H2O 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 + 물은 온도를 조절한다 온도와 관련된 여러 가지 특성이 생명에 영향을 준다. 물은 그 온도를 높이기 위해 많은 양의 열이 필요한데, 즉 열용량 (heat capacity) 때문에 생명체의 온도를 조절한다. 물의 높은 열용량 때문에 생명체는 체액이 위험할 정도로 더워지기 전에 상당한 추위에 견딜 수 있다. 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.

1.2 생명체를 구성하는 원자와 분자 (3) 생명활동에서 물의 중요성 + 개념정리 물의 독특한 성질은 생명을 가능케 만든다. 용매에 용해된 용질들은 세포와 화학반응에 쉽게 이용된다. 용액 속의 수소이온은 용액을 산성으로 만들고 화학반응을 변화시킨다. 생명은 용질의 균형을 잘 유지해야 한다.

1.3 생명의 화학 (1) 탄소 + 분자는 기능적 기가 될 수 있다 탄소골격에 기능기 (functional group)를 첨가함으로써 생명은 탄소분자의 기능을 바꿀 수 있다. 기능기는 더 큰 탄소골격에 산소, 인, 유황과 질소를 결합시킴으로써 기능을 추가하는 원자의 기 또는 원자이다.

기능기가 미치는 효과 성호르몬인 에스트로겐과 테스토스테론은 고리에 결합된 기능기의 위치만 다를 뿐인데도 그 효과는 매우 다르게 나타난다.

1.3 생명의 화학 (1) 탄소 + 생명은 네 가지 유형의 분자들에 달려있다 모든 살아있는 생명체는 네 가지 주요한 탄소분자, 즉 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산으로 되어 있고 대부분 음식을 통해 이 분자들을 흡수한다. + 중합체는 단위체로부터 형성된다 생물학적으로 중요한 많은 분자들은 작은 분자인 단위체로부터 형성된 큰 분자. 단위체의 연결을 통해 형성된 중합체는 보통 단위체와는 다른 특징을 갖는다. + 중합체합성은 공통적인 화학반응을 통해 일어난다 더 큰 분자들로 연결하기 위해 탈수합성 (dehydration synthesis)을 함 가수분해 (hydrolysis)의 경우 세포는 물을 첨가하여 단위체를 분리한다.

1.3 생명의 화학 (2) 탄수화물 + 단당류와 이당류는 단순한 탄수화물이다 탄수화물은 1:2:1의 비율로 탄수, 수소, 산소로 구성된다. 그림 1.22 탄수화물은 단순하거나 또는 복잡할 수 있다.

1.3 생명의 화학 (2) 탄수화물 + 다당류는 에너지 저장과 구조를 제공한다 올리고당류는 세포에 의해 세포표면의 단백질 또는 지질에 부착하고 독특한 기능과 정체성을 부여한다. 당단백질과 당지질은 개체 사이의 구별이 가능하게 하는 면역반응에 중요 그림 1.23 복잡한 탄수화물은 다양한 기능을 한다. 탄수화물은 구조적 역할과 에너지원으로서 작용한다. (A) 포도당 단위체가 긴 사슬로 연결되어 식물의 주요한 구조성분인 셀룰로오스를 만든다. (B) 키틴은 곤충의 단단한 외골격을 형성한다. (C) 동물세포는 신체의 나머지 부위에 대해 세포를 확인하는 복잡한 탄수화물분자들로 덮여있다.

1.3 생명의 화학 (2) 탄수화물 + 개념정리 탄수화물은 분자식 (CH2O)n을 기본으로 하여 형성된다. 가장 흔한 단당류는 포도당이다. 올리고당류는 정체성 확인 분자의 중요한 성분이다. 포도당 중합체는 녹말과 셀룰로오스 같은 다당류를 만든다. 단위체의 배열을 변화시키고 포도당을 변형시키면 녹말, 셀룰로오스와 키틴 같은 다른 특성을 가진 중합체가 생긴다.

1.3 생명의 화학 (3) 지질 기름과 지방은 지질로 구성된다. 생장과 약간의 비타민의 이용에도 필요하다. 세포 내에서 지질은 다른 환경으로부터 물을 분리시키는 구획을 형성한다. 왁스는 나뭇잎, 모피와 깃털을 덮고 있어 물에 젖지 않는다. 갈색지방의 대사과정

1.3 생명의 화학 (3) 지질 + 지방산은 결합하여 트리글리세리드와 인지질을 형성한다 포화지방산과 불포화지방산 지방산의 불포화는 지방산을 비틀리게 하고 ‘꼬리’를 퍼지게 한다. 이 불포화 때문에 지질은 더 유동성이 되고 실온에서 액체 상태를 유지할 수 있다. 그림 1.24 지질은 복잡한 분자를 만든다. 트리글리세리드는 지방산을 글리세롤에 결합함으로써 형성된다. 이중결합은 지방산 꼬리를 휘게 만들고 지질을 더 유동성 있게 해준다.

1.3 생명의 화학 (3) 지질 막의 기본적인 분자인 인지질 + 스테롤은 호르몬과 콜레스테롤을 만든다 스테롤은 4개의 탄소고리를 갖고 있는 지질분자이다. 이 기본적인 구조를 변형 또는 첨가하면 새로운 구조인 호르몬, 비타민과 콜로스테롤을 만든다. 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.

1.3 생명의 화학 (3) 지질 + 왁스는 세포를 보호한다 왁스는 단단하고 물에 젖지 않는 덮개를 형성하는 탄화수소 또는 알코올과 결합된 지방산이다. 이 지질은 모피, 깃털, 잎, 과일과 줄기 등을 방수하는 데 쓰인다. 그림 1.26 지질은 여러 가지 형태로 존재한다. 왁스는 수달의 모피와 풀의 큐티클을 방수한다.

1.3 생명의 화학 (3) 지질 + 개념정리 지질은 탄수화물보다 산소를 덜 포함하고 불용성이다. 대부분의 지질의 기본 단위는 한쪽 끝에 산소의 기능기를 갖고 있는 긴 탄화수소인 지방산이다. 지방산은 불포화 (이중결합을 포함)가 되면 그 성질이 달라진다. 지방산을 글리세롤에 다양한 방법으로 부착하면 지방 (트리글리세리드) 또는 막성분 (인지질)을 생산한다. 다른 변형은 왁스를 생산한다. 스테롤은 상호 연결하는 고리구조를 바탕으로 한 지질이다. 콜레스테롤은 세포에 필수적이지만 특별한 수송방법이 필요하다.

1.3 생명의 화학 (4) 단백질 + 아미노산은 단백질의 단위체이다 단백질은 혈액응고, 근육수축, 산소운반 그리고 에너지 생산을 위한 영양소분해 효소는 생명활동을 위해 생화학반응을 촉진 단백질은 포함하는 아미노산 속에 질소, 유황과 인 등처럼 다양한 원소들을 보유하고 있기 때문에 탄수화물과 지질과는 다르다 + 아미노산은 단백질의 단위체이다 그림 1.27 아미노산은 결합하여 펩티드를 만든다. 아미노산은 단백질의 단위체이다. (A) 아미노산은 중앙의 탄소원자에 결합된 아미노기, 카르복실기와 20종류의 R기 중 하나로 구성되어 있다. (B) 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.

1.3 생명의 화학 (4) 단백질 + 아미노산은 단백질의 단위체이다 아미노산 구조 수소원자, 카르복실기, 아미노기, R기 펩티드 결합 2개의 아미노산들이 탈수합성에 의해 펩티드를 합성 디펩티드, 트리펩티드, 올리고펩티드 (100개 미만), 폴리펩티드 (100개 이상) 그림 1.28 케라틴으로부터 생성된 구조물. 알파-케라틴은 (A) 새의 부리, (B) 뱀의 비늘, (C) 숫양의 뿔을 만든다.

1.3 생명의 화학 (4) 단백질 + 단백질은 기능을 위해 접혀져야 한다 1차구조, 2차구조 R기는 어디에 이 수소결합이 형성되는지 영향을 줄 수 있지만 실제 수소결합의 일부분이 되는 것은 아니다. 이 결과 모티브(motif)라고 하는 구조를 나타냄 단백질은 R기 사이 그리고 R기와 물과의 상호작용을 통해 3차구조를 이룬다. 이온결합 수소결합 소수성 상호작용 이황화결합 4차구조는 단백질을 활성화시키거나 억제하기 때문에 기능을 통제 변성 (denaturation): 3차구조를 파괴하면 비록 1차 구조가 온전해도 그 기능은 파괴된다 그림 1.29 단백질 구조의 네 단계.

1.3 생명의 화학 (4) 단백질 + 효소는 생명체에서 촉매로 작용한다 효소는 촉매를 담당하는 단백질 효소의 특이성은 기질이 결합하는 활성부위에 있다. 대부분의 효소는 특정 pH와 온도에서 작용하고 세포는 계속해서 이러한 조건들을 제공하고 유지한다 그림 1.30 효소작용. 기질 A와 B가 효소의 활성부위에 들어간다. 효소-기질 복합체는 기질이 활성부위에 결합하면서 형성된다. 그 결과 새로운 생성물인 AB가 만들어진다.

1.3 생명의 화학 (4) 단백질 + 개념정리 단백질은 아미노산의 중합체이고 대부분의 생명기능을 제공한다. 20개의 아미노산은 모든 단백질의 기본을 이룬다. 아미노산은 탈수합성을 통해 아미노산의 결합을 촉진하는 공통구조와 단백질의 기능을 첨가하는 독특한 R기를 갖는다. 단백질의 최종구조는 폴리펩티드의 성분 사이에 네 가지 수준의 상호작용에 달려있다. 단백질은 접힌 상태에서만 기능을 나타낸다. 효소 주위의 온도, pH, 이온 등의 변화는 단백질의 구조와 기능을 파괴한다. 생명에 필수적인 효소는 화학반응을 촉매하는 단백질이다. 효소는 활성부위에서 매우 특이적인 반응물 (기질)과 결합하고 특이적인 생성물을 생산한다.

1.3 생명의 화학 (5) 핵산 단백질을 합성하는 것은 아미노산서열의 큰 변이 때문에 탄수화물 또는 지방을 합성하는 것보다 더 복잡한 작업이다. 단백질의 아미노산서열은 핵산 (nucleic acid)이라고 하는 분자 내 화학단위의 서열에 암호화되어 있다. DNA와 RNA: 뉴클레오티드 (nucleotide, 인산+당+염기)의 중합체 그림 1.31 DNA 구조. (A) DNA의 단위체는 뉴클레오티드이고, 이는 염기(A, C, G, T), 당(디옥시리보오스)과 인산으로 구성된다.

1.3 생명의 화학 (5) 핵산 그림 1.31 (B) 상보적 염기들이 끌어당길 때 뉴클레오티드 쌍이 형성되며, A와 T 그리고, C와 G가 상보적으록 결합한다. DNA 분자는 이중나선의 가닥으로 각 가닥은 서로 반대 방향으로 위치한다. RNA는 보통 단일가닥이고, 다른 당(리보오스)과 다른 염기(티민 대신에 우라실)를 갖는다.

1.3 생명의 화학 (5) 핵산 + 개념정리 핵산은 뉴클레오티드의 중합체로 DNA 또는 RNA가 있다. 뉴클레오티드 (염기)는 공통구조를 갖고 A, C, T, G와 U가 있다. DNA와 RNA는 다른 염기 (T와 U 각각), 다른 오탄당 (디옥시리보오스와 리보오스, 각각)과 다른 세포용도를 갖는다. DNA는 그 뉴클레오티드 속에 유전정보를 저장한다. RNA는 그 정보를 얻고 이용하는 것을 돕고 가끔 효소로도 작용한다. 1개의 아미노산을 암호화하는 3개의 염기를 유전암호라 하는데, 이는 지구상의 모든 생물에 공통적으로 같다. 유전자는 한 전체의 단백질에 대한 정보를 포함하는 뉴클레오티드의 서열이다. DNA는 염기쌍 사이의 수소결합을 통해 결합된 2개의 상보적 가닥을 포함하는 이중나선이다. 이 염기쌍 결합은 매우 특이적이어서 DNA 복제를 가능케 한다. RNA의 뉴클레오티드인 ATP는 세포의 주요한 에너지 운반체이다.

1장 핵심내용 생명체는 비생물체와 구별되는 독특한 특징들을 갖는다. 생명체는 생물활동, 성장과 생식을 유지하기 위해 에너지를 이용한다. 생명체의 다양성은 생명체가 생명활동의 도전을 해결하는 다양한 방법으로부터 나온다. 모든 생명체는 공통조상으로부터 유래하는 공통기능과 구조를 공유한다. 그리고 진화는 새로운 종의 형성을 유도한다. 과학은 통제된 실험과 신중하고 면밀한 객관성에 의한 신뢰할 수 있는 결론을 도출한다. 물질은 원소 (element)라는 순수한 물질로 나뉘고 원자 (atom)는 원소의 가장 작은 단위이다. 아원자입자 (subatomic particle)에는 원자핵을 형성하는 양전하(+)의 양성자 (proton)와 중성의 전하를 띤 중성자 (neutron) 그리고 핵을 선회하는 음전하(-)의 전자 (electron)가 있다.

화합물 (compound)은 2개 또는 그 이상의 원자들이 연결될 때 형성되는데, 그 구성원자와 다른 화학적 성질을 갖는다. pH척도는 용액의 수소이온 농도를 가리키는 지시자이다. 생명체를 구성하는 가장 주요한 분자들은 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산이다. 지질은 대개 탄소와 수소로 구성된 불용해성 분자이다. 이 유기화합물은 에너지를 저장하고 세포 내부를 주변 환경으로부터 분리하는 데 도움을 준다. 생체분자의 가장 다양한 유형은 아미노산이라고 하는 단위체로 만들어진 단백질이다. 효소는 특정 조건하에 특이적 화학반응을 촉매하고 생명활동에 필수적인 단백질이다. 핵산은 세포를 구성하고 수선하는 데 필요한 정보를 저장하고 운반하는 분자인 DNA 또는 RNA를 형성하는 뉴클레오티드의 긴 중합체이다.