제1부 생명체의 특성 1장. 생명체의 특성과 구성성분 2장. 세포: 생명체의 단위 3장. 세포표면과 세포골격 4장. 광합성 5장. 에너지의 성질과 세포의 에너지 획득

제1장 생명체의 특성과 구성성분 1.1. 생명체는 무엇인가? 1.2. 생명체를 구성하는 원자와 분자 1.3. 생명의 화학 식물인가 아니면 동물인가? 잎 모양의 바다용은 그 형태가 마치 주변의 해초를 흉내 낸 것처럼 주위환경에 절묘하게 적응하고 있다.

1.1. 생명체는 무엇인가? 생명의 공통된 특성 <구성과 에너지> <생명의 연속성> 구성 (organization) 에너지 사용과 대사 (energy use and metabolism) 내부 항상성 유지 (maintenance of internal constancy) <생명의 연속성> 생식(reproduction), 생장(growth)과 발생(development) 자극감응성(irritability)과 적응(자극에 대한 반응) <생명의 진화와 다양성>

<생명체는 역동적인 구성을 나타낸다.> 1. 구성(Organization) <생명체는 역동적인 구성을 나타낸다.> 원자 분자 세포소기관 세포 조직 그림 1.1

출현성질 (Emergent property) 그림 1.2 생명체 구조의 복잡성이 증가하면서 일어나는 기능 물리적 화학적 법칙의 결과로 생명의 구성수준이 증가하면서 나타난다. 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.

2. 에너지 사용과 대사 (Energy use and metabolism) <모든 생명체는 에너지를 이용한다.> 그림 1.3 대사(metabolism) : 생명을 유지하는 세포 내 화학반응 동화반응(anabolism): 합성 이화반응(catabolism): 분해 생명은 연관되어 있다. 생물은 서로(소비자) 그리고 궁극적으로는 태양 또는 무기화합물로부터 에너지를 추출(생산자)한다. 분해자는 영양분을 무생물 환경으로 재순환시킨다.

3. 내부항상성 유지(Maintenance of internal constancy) Homeostasis (항상성) : 적당한 온도, 물, 염(salt), 무기염류 등 유지 : 상태를 일정하게 유지하는 능력 4. 생식, 생장과 발생 (reproduction, growth, development) 종(species): 여러 세대에 걸쳐 성공적으로 생식할 수 있는 생명체 무성생식(asexual reproduction): 단세포 또는 일부 다세포생물 : 부모와 유전적으로 동일한 자손 유성생식(sexual reproduction) : 다세포 : 유전적 다양성 – 2개의 유전적 재배열 -종의 생존 보장/새로운 종 제공 그림 1.4 생식은 생명체의 특성 중 매우 독특한 현상이다. (A) 대장균은 이상적 조건하에서 20분마다 무성생식한다. (B) 거대한 떡갈나무는 작은 묘목으로부터 시작하고, 각 나무는 수백 개의 도토리를 생산한다. (C) 이와는 반대로 사슴은 보통 1년에 소수의 새끼를 생산한다. 그림 1.4 대장균 떡갈나무

5. 자극감응성(irritability)와 적응(adaptation) : 빠르고 일시적인 성질 적응(adaptation): 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 반응현상 – 종 및 환경에 따라 다름 : 생명활동에 필수 : 우점종 그림 1.5 먹이를 얻기 위한 적응. 아프리카 나미비아 사막의 모래 속에 묻힌 애더 뱀의 화려한 위장술. 모래 도마뱀을 포식하는 애더 뱀. 그림 1.6 많은 나뭇잎들은 바람에 의한 손상을 최소화하기 위한 적응을 한다. 바람의 세기를 각각 달리했을 때 나타난 잎의 모습. (A) 0 mph, 바람이 없을 때. (B) 5 mph, 중간 정도의 세기. (C) 20 mph, 강력한 세기의 바람. 애더뱀 그림 1.5 그림 1.6

6. 생명의 진화와 다양성 자연선택(natural selection): 물려받은 유전적 특징을 토대로 하는 집단으로부터 어떤 개체의 향상된 생식력과 적응력 : 적응은 오랜 시간에 걸쳐 집단의 유전적 성분이 변화 또는 진화(evolution)할 때 집단의 특징을 형성 돌연변이: DNA 돌연변이는 자연선택이 작용하는 변이를 지속적으로 제공 생물다양성(biodiversity): 종 유지를 위한 적응 전략으로부터 유래 : 역(domain), 계(kingdom), 문(phylum), 강(class), 목(order) 과(family), 속(genus), 종(species) 그림 1.7 생명의 다양성 (3개 역)

1.2. 생명체를 구성하는 원자와 분자 그림 1.11 원소(element)의 주기율표.

물질과 화학결합 원자(원소의 가장 작은 단위) 분자 그림 1.12 화학결합 그림 1.12 원자구조. 원자는 전자의 구름으로 둘러싸인 양성자와 중성자로된 핵으로 구성된다.

물질과 화학결합 그림 1.14 그림 1.15 그림 1.18 그림 1.17 공유결합 수소결합 이온결합 그림 1.13 생명물질의 구성원자로 많이 존재하는 원자들의 구조. 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. (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. 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. 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. 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. 그림 1.18 그림 1.17

생명활동에서 물의 중요성 그림 1.19 그림 1.20 그림 1.21 액성 모든 생명과정은 용액에서 일어난다. 응집(cohesion) 부착(adhesion) 침윤(imbibition) 열용량 물은 온도를 높이기 위해 많은 양의 열 필요(생명체 온도조절) 그림 1.19 용액은 분자들의 혼합물이다. 용질과 용매 사이의 상호작용 때문에 용질은 용매와 결합을 형성하여 용해한다. 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. 완충계(buffer system) 체액의 완충작용 정상 혈액 pH 7.35~7.45 acidosis – 호흡장애, 피곤 7.0~7.3 alkalosis – 과호흡/현기증 7.5~7.8

1.3. 생명의 화학 탄소: 생물계를 구성하는 주요 성분 C 원자들과 4개의 화학결합 : 탄화수소형성 - 탄소골격에 기능기 첨가 (탄소분자의 기능을 바꿀 수 있음) - 다양한 형태와 기능 나타냄 : 긴사슬, 고리구조, 가지분자 등 구성 생명은 네가지 유형의 분자(탄수화물, 단백질, 지질, 핵산)들에 달려있다. 중합체(polymer)는 단위체(monomer)로부터 형성 : mono-, di-, tri-, oligo-(5-100단위), poly-(100단위 이상) 중합체합성은 공통적인 화학반응(탈수합성, 가수분해)을 통해 일어난다. C

생명에 필요한 고분자

탄수화물 그림 1.22 Carbohydrate 당과 당의 중합체 역할 종류 : 에너지 저장 : 구조(세포 조직지지) : 정체성(다른 세포 유형 식별) 종류 : 포도당/설탕 - 에너지 제공 : 녹말, 셀룰로오스 - 에너지 저장과 구조제공 그림 1.22 탄수화물은 단순하거나 또는 복잡할 수 있다. 단당류는 포도당 또는 과당 같은 단일 분자로 구성된다. 일반적으로 단당류는 탄소원자당 1개의 H2O 당량을 갖는다. 이당류는 2개의 단당류를 결합시켜 물을 제거하는 탈수합성에 의해 형성된다. 예를 들어 포도당과 과당은 결합하여 설탕을 만든다. 다당류는 포도당 같은 단당류로부터 형성된 긴 사슬이다. 이 결합의 방향에 따라 분자의 특징이 달라진다. 그림 1.16에서 본 것처럼 고리는 꼭지점에서 탄소원자들을 나타낸다.

탄수화물의 기능 그림 1.23 (C) 정체성 (A) 식물의 주요한 구조성분 셀룰로오스 다른 세포 유형을 식별: 면역반응 세포표면의 당단백질/당지질 동물세포는 신체의 나머지 부위에 대해 세포를 확인하는 복잡한 탄수화물분자들로 덮여있다. - 세포표면의 당단백질/당지질 - 올리고당류 : 항체의 3차구조 형성 주요 역할 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. (B) 곤충의 단단한 외골격을 형성: 키틴 그림 1.23

지 질 그림 1.24 Lipid 특징: 지용성 역할 : 생장 : 약간의 비타민 이용에 필요 : 에너지 제공 글리세롤 + 3 지방산 → 트리글리세리드 + 3 물 지 질 Lipid 특징: 지용성 역할 : 생장 : 약간의 비타민 이용에 필요 : 에너지 제공 - 탄수화물, 단백질의 2배 : 막의 주요 성분 종류 : 지방산 결합 - 트리글리세리드/인지질 : 스테롤 - 콜레스테롤 : 왁스 그림 1.24 지질은 복잡한 분자를 만든다. 트리글리세리드는 지방산을 글리세롤에 결합함으로써 형성된다. 이중결합은 지방산 꼬리를 휘게 만들고 지질을 더 유동성 있게 해준다. 그림 1.24

인지질: 모든 생물 세포막의 기본 단위 그림 1.25 그림 1.26 콜레스테롤 왁스 보통’지방’: 세포의 에너지 저장 방법 인산염 인지질: 모든 생물 세포막의 기본 단위 그림 1.25 그림 1.26 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. 그림 1.26 지질은 여러 가지 형태로 존재한다. 왁스는 수달의 모피와 풀의 큐티클을 방수한다. 스테롤 콜레스테롤 보통’지방’: 세포의 에너지 저장 방법 세포막의 유동성 유지 성호르몬 전구체: 테스토스테론/에스트로겐 왁스 단단하고 물에 젖지 않는 덮개를 형성하는 탄화수소 또는 알코올과 결합된 지방산 모피, 깃털, 잎, 과일과 줄기 등 방수

단 백 질 20종의 필수 아미노산 텝티드결합: 2개 아미노산들이 탈수합성에 의해 펩티드 합성 폴리텝티드 및 단백질 아미노산 구조 Protein 특징 : 아미노산의 결합체 : 하나 또는 그 이상의 폴리펩티드 사슬 역할 : 혈액응고, 근육수축, 산소운반 : 에너지 생산 : 효소작용 – 생화학반응 촉진 단백질 종류 : 구조단백질 – 뼈, 털 : 막 단백질 – 세포표면 구성 텝티드결합: 2개 아미노산들이 탈수합성에 의해 펩티드 합성 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. 폴리텝티드 및 단백질 그림 1.27

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

단백질의 기능 단백질은 기능을 위해 접혀져야 한다. 1~4차 구조 형성 그림 1.29 그림 1.30 활성부위 반응률 촉진 단백질 구조의 네 단계 그림 1.29 단백질 구조의 네 단계. (A) 폴리펩티드의 아미노산의 서열이 1차 구조를 형성한다. (B) 비-R기(non-R group) 사이의 수소결합이 나선 또는 병풍 같은 2차 구조를 만든다. (C) 3차 구조는 R기가 상호작용하여 폴리펩티드를 3차원으로 접어 독특한 구조를 만든다. (D) 만약 다른 폴리펩티드 단위가 기능적이기 위해 상호작용한다면 이는 단백질의 4차 구조를 형성한다. 이황화결합(disulfide bond): 머리카락, 비늘, 부리, 양털 등을 형성하는 케라틴 같은 구조단백질에 풍부 파마 – 케라틴의 이황화결합을 끊고 곱슬모양으로 말린 머리카락에서 이황화결합을 재형성 변성: 3차구조의 파괴 – 단백질의 기능 파괴 – 비누, 소금, 절이기 끓이기 효소작용. 기질 A와 B가 효소의 활성부위에 들어간다. 효소-기질 복합체는 기질이 활성 부위에 결합하면서 형성된다. 그 결과 새로운 생성물인 AB가 만들어진다. (pH와 온도 중요)

핵 산 그림 1.30 Nucleic acid 특징 : 단백질의 아미노산서열 암호화 : nucleotide의 중합체 종류와 기능 : DNA (deoxyribonucleotide) - 아미노산 암호화: 유전암호 (genetic code) - 이중나선형: 상보적 결합 : RNA (ribonucleotide) - 단일가닥 구조 - DNA정보 활용 - 효소/에너지 운반체(ATP) 그림 1.31 DNA 구조. (A) DNA의 단위체는 뉴클레오티드이고, 이는 염기(A, C, G, T), 당(디옥시리보오스)과 인산으로 구성된다. 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. 뉴클레오티드 핵산 구조 그림 1.30 DNA 구조

그림 1.30 과학적 방법은 발견의 수단이다.