제 2장 생물학의 기초원리 개관 미생 물의 다양성 온도에 따른 분류 저온성 미생물(psychrophiles) : 낮은 온도 20C에서 잘 자라는 생물 중온성 미생물(mesophiles) : 20~50C사이가 최적 온도인 생물 호열성 미생물(thermophilies) : 50C보다 높은 온도에서 잘자라는 생물 호기성 & 혐기성 미생물 호기성(aerobic) : 생장과 대사에 산소를 요구하는 생물 혐기성(anaerobic) : 산소에 의해 성장이 억제되는 생물 통성 혐기성(facultative) : 호기성과 혐기성 조건에 맞춰 대사 경로를 바꿀 수 있는 생물

극한 미생물 (extemophiles) : 온도, pH, 압력, 염분, 중금속  산업적으로 유용한 화학제품이나 의약품 제조공정에 이용  지구상 거의 모든 환경에서 생존하는 생물체 존재 크기 모양에 따른 분류 구균(coccus) : 구형과 타원형 간균(rod) 또는 bacillus : 원통형 나선균(spirillium) : 나선형 부정형(pleomorphic)

명명법 분류학 (taxonomy) : 과학자, 공학자간의 효율적인 의사소통 : 생물공정과 관련된 특허등록에 결정적 미생물- 이중 이름 사용, 라틴어 속(genus) : 연관된 종들의 집합 종(species) : 실질적으로 유사한 생물체 ex) Escherichia coli 속 종 같은 종끼리는 생물의 특성 동일  하지만 균주마다 미세한 차이 다양한 균주나 아균주 표시로 문자 또는 숫자 ex) E. coli B/rA, E. coli K12 원핵세포 (procaryote)와 진핵세포 (eucaryote)의 비교 (Table 2.1, 2.2) 원핵세균 : 진정세균 (eubacteria) + 고세균 (archaebacteria)

바이러스 (virus) 크기 : 30~200 nm 정도로 매우 작다. 절대세포내기생체(obligate intracellular parasite) 많은 질병 유발  항바이러스제 개발 유용한 생물공학적 도구 : 파지 -> 대장균에 유전자 전달 : 동물바이러스  동물세포에서 재조합 단백질 생산하기 위한 벡터  유전자 치료 위한 DNA 운반체  유전자를 제거한 켑시드는 백신 제조에 이용 세포성 생명체와 다른 점 1) 세포성 생명체 - DNA에 암호화된 유전정보와 그 정보를 규칙적이고 조절된 형태로 해독하기 위한 기작을 가짐 바이러스 - DNA나 RNA중의 어느 한쪽에만 유전정보를 암호화, 이 정보를 단백질로 해독함에 필요한 성분은 갖추고 있지 않음 2) 세포성 생명체의 증식- 모든 세포성분의 규율적인 증가, 새로운 세포는 모든 세포의 구성성분을 자손세포로 분배하는 분열에 의해 기존세포로부터 직접 생성 바이러스- 구성성분이 각각 독립적으로 합성되고, 이어서 이들 구성성분이 조립됨으로써 바이러스 입자인 비리온(virion)을 만들어 냄

박테리오파지(bacteriophage) 박테리아를 감염 시키는 바이러스 육각형 머리(hexagonal head), 꼬리 그리고 꼬리섬유를 가짐 분해기(lytic cycle) : 꼬리 섬유는 숙주 세포에 부착  세포벽을 변화시킨 후 숙주세포 안으로 핵물질을 주입  박테리오파지의 핵산은 숙주세포 안에서 복제되어 더 많은 파지를 만듬  숙주세포는 용해되거나 터져서 파지 입자를 방출  방출된 파지는 다른 숙주세포를 감염시키는 바이러스의 증식 양식 잠재기(lysogenic cycle) : 파지 DNA가 숙주DNA에 끼어 들어가서, 숙주세포와 함께 증식하게 되는데 이것을 라 한다.

토의 1.진핵, 원핵세포, 바이러스의 특징을 공학적 관점에서 논하시요. 2. 미생물 다양성의 공학적 응용예를 들어보세요.

원핵세포(procaryote) Doubling time : 30분에서 수시간 이내 반지름 : 0.5-3 m 정도 매우 단순화된 미세구조 Doubling time : 30분에서 수시간 이내 종마다 각기 다른 모양 - 구형 - 구균(coccus), 막대기 모양 - 간균(bacillus), 나선형 - 나선균(spirillium) 탄수화물, 탄화수소, 단백질 및 CO2를 포함한 다양한 물질을 탄소원으로 이용 원핵세포 : 진정박테리아, 고세균

진정박테리아(Eubacteria) 그람(gram) 염색법 세포에 열을 가하여 고정시킨 후 염색약인 보라색 결정(crystal violet)을 가하면 모든 박테리아는 보라색으로 염색된다. 그 후 요오드를 가한 후 다시 에탄올을 가한다. 그람 양성 세포 - 보라색 그람 음성 세포 - 무색 사프라닌(safranin)으로 대조염색 ~ 세포벽 구조의 차이 그람양성(gram positive)세포 - 보라색, 단일막, 바실러스, 단백질분비용이 그람음성(gram negative)세포 - 붉은 색, 이중막, 대장균 영양 요구성과 에너지 대사 과정 - 진정 박테리아를 분류하는 기준으로 이용 (예, 광합성 여부) 내생포자  고온, 강한 빛, 독성물질등 가혹한 환경을 견딤 외벽에 biofilm  부착성 부여, 항생제 내성

고박테리아(archaebacteria) 현미경으로는 다른 진정박테리아와 비슷해 보이나, 분자수준에서 많이 다르다. 진정 박테리아와의 차이점 고박테리아는 펩티도클리칸(peptideglycan)을 가지지 않는다. 리보솜 RNA의 염기 서열(미생물 분류에 이용)이 다르다. 세포막 지질 조성이 다르다. 특이한 대사 과정 지님 - 극한 환경에서 서식 ex)메탄 생성 박테리아 (methanogen), 호열호산균(thermoacidophile) 호열호산성균-고온과 낮은 pH에서 자람 호염박테리아(halobacteria)-높은 염농도에서만 자람 새로운 기능을 가진 효소개발의 원천

진핵세포(eucaryote) 종류 : 균류(효모와 사상곰팡이), 조류, 원생동물(protozoa), 동식물세포 크기 : 원핵 세포보다 직경이 5~10배 더 크다. 진정한 핵과 세포질 내에 많는 수의 세포소기관들을 가짐

진핵세포(eucaryote) 세포벽(cell wall)과 얇은 세포막(cytoplasmic membrane)을 가짐 막으로 둘러싸인 핵(nucleus), 액포(vacuole), 미토콘드리아(mitocondria) 막으로 둘러싸여 있지 않은  지방입자(lipid granule), 리보솜(ribosome) 등 세포벽 세포내부를 보호하고 세포의 모양을 부여해 줌 균주에 따라 상이한 특정적인 성분을 함유  펩티도글리칸, 다당류와 셀룰로오스(조류), 펙틴과 셀룰로오스(식물)  동물세포는 세포벽이 없음 (shear에 민감) 세포벽을 제거시킨 세포막에 둘러싸인 세포 : 원형질체(protoplast) 세포막 : 지질과 단백질의 복합체 + sterol 세포내외에 물질투과의 중요한 역할 세포분열 : M 단계 (핵분열, 세포분열) : Interphase(세포성장, G1, S(DNA double), G2) : 핵심적인 단계 (S -> M, M -> G)  다양한 신약개발

토의 세포분열주기를 고려하여 다양한 신약이 개발되고 있는 어떤 개념으로 개발되고 있을까요? (hint : 거의 모든 생물학적 반응에는 여기에 관련된 유전자가 있음)

핵 구멍(pore)을 가진 핵막(nuclear membrane)으로 둘러싸임 직접 외측의 세포질과 연결 인(nucleolus, 리보솜 생성)와 염색체(chromosome)를 가짐 핵막 - 미토콘드리아막과 같이 2중막(double membrane) 염색체는 유전형질을 지니고 있는 DNA 로 되어 있음 미토콘드리아에는 호흡효소계가 들어 있음 - 자체의 DNA와 단백질 합성기구를 지님 소포체(endoplasmic reticulum) - 세포막에서 세포안으로 이어지는 복잡한 회전상 막조직 - 조면(rough) 소포체 : 리보솜이 붙어 단백질 합성 - 활면(smooth) 소포체 : 지질합성

Lysosome : 영양소와 외부물질을 분해 Peroxisome : 과산화 수소를 생산하는 산화반응 Glyoxisome : glyoxylate cycle 골지체 (golgi body) - 단백질의 분비에 관여 - 단백질에 다양한 당성분을 첨가 (glycosylation) 리보솜 - 리보핵산과 단백질의 복합체, 단백질의 합성 액포 (vacuole) - 저장물질이나 대사산물 등을 함유하는 액상과립 - 생육에 필요한 세포내 팽압을 조절하는 역할 - 세포의 폐기물 저장소

엽록체 엽록소를 함유하는 녹색의 세포 소기관 광합성에 기여 지질 이중층의 정상적인 막구조, 틸라코이드와 결합 자기 자신의 DNA와 단백질 합성기구를 갖고있는 자치단위 편모 및 섬모 - 세포의 운동을 담당하는 기관 편모 : 세포의 한쪽 끝에 붙어있는 긴 실모양의 구조 섬모 : 편모와 비슷한 구조, 훨씬 짧고 그 수가 많다. 세포골격 (cytoskeleton) : 실모양의 물질로 세포의 모양을 유지

진균류 (fungi) 자연에 널리 퍼져있는 종속 영양성 생물체(hetrotroph) 핵과 액포와 같은 전형적인 구조를 현미경으로 관찰 가능 두 가지 종류 : 효모와 사상곰팡이 (filamentous fungi, mold) 효모(yeast) 5~10m 크기의 작은 단일 세포 무성 또는 유성생식 무성생식 : 출아(budding) 또는 분열(fission)에 의해 출아 : 작은 발아가 모체세포 표면에서 형성되어 이것이 점차로 커지면서 모체 세포로부터 분리 분열법 : 박테리아와 유사하나 단지 일부 효모에서만 일어남 유성생식 : 두개의 동일한 반수체세포의 융합(fusion)에 의해서 접합체가 형성 이배체세포의 핵  몇 차례 분열  자낭포자(ascospore)를 형성  새로운 반수체 세포  출아나 분열에 의해 생식 생식방법과 세포의 영양 요구성을 기준으로 분류

사상곰팡이 - 균사체위에 길고 가는 실(filament) - 균사(hyphae) 실모양의 진균류, 균사체 구조 균사체(mycelium) 구조: 유동성 세포질을 포함, 많은 가지를 친 관구조 - 균사체위에 길고 가는 실(filament) - 균사(hyphae) - 균사체의 일부 가지는 공기 중에서 자람 : 가지 위에 코니디아(conidia)라 불리는 무성포자가 형성 일부 곰팡이 - 유성포자 형성, 유성생식 - 곰팡이의 유성, 무성포자들은 발아 ->새로운 균사 형성 습기와 영양분이 있는 고체표면에서 쉽게 자람 실모양의 사상곰팡이의 전형적인 크기 : 5~20m - 침지배양(submerged culture)에서 자랄 때 -> 세포집합체(cell aggregate)를 형성 -> 점도를 감소, 산소전달곤란 - 곰팡이 덩어리의 전형적인 크기 : 50m~1mm 구연산 (Aspegillus niger)이나 페니실린 (Pecicillium chrysogenum) 같은 항생제 생산에 이용됨

유성생식 양상에 따른 진균류의 분류 조균류(phycomycetes) : 조류와 유사한 진균류 하지만 엽록소가 없어 광합성을 할 수 없다. 물과 뭍에서 자라는 곰팡이가 이 부류에 속한다. 자낭균류(ascomycetes) : Aspergillus같은 곰팡이, 효모 자낭포자라고 불리는 유성포자를 형성,이 포자는 낭(sac)안에 있다. 담자균류(basidiomycetes) : 버섯(mushroom) 담자포자(basidiospore)에 의해 생식 이 포자는 담자(basidia)라고 불리는 특정한 세포의 줄기로부터 생성 불완전균류(deuteromycetes) : 무좀균같은 진균류 오직 무성생식을 하는 곰팡이

조류 (Algae)와 원생동물 (Protozoa) 단세포 바다에서는 식물과 같은 다세포구조를 이룸 광합성, 녹색을 띠는 엽록체를 포함 전형적인 단세포 조류의 크기 : 10~30m 규조류 (diatom) : 세포벽에 실리카를 함유 -> 여과보조제 Chrorella, spirullina 등 -> 단백질원, 폐수처리에 응용 아가나 알긴산 생성 원생동물 이동성을 갖는 단세포 생물 세포벽이 없으며 비교적 큰(1~50mm) 진핵세포 박테리아와 같은 작은 미생물 혹은 다른 먹이 입자를 얻음 단핵, 유성 또는 무성생식 운동성에 의한 분류 : 아메바, 편모류, 섬모류, Sporozoans (비운동성, 동물의 기생충) 폐수처리공정에서 세균을 제거하는 역할  sludge 감소

원생동물이 미생물을 섭취하여 sludge가 감소되는 이유는 무엇인가?

세포의 구조 세포란? 생물체를 이루고 있는 가장 작은 단위 모든 생물은 세포로 이루어져 있다. 세포의 모양과 크기 세포란? 생물체를 이루고 있는 가장 작은 단위 모든 생물은 세포로 이루어져 있다. 세포의 모양과 크기 모양: 생물의 종류와 조직에 따라 다르다. 크기: 1 - 100µm 구성성분 : 탄소 50%, 산소 20%, 질소 14%, 수소 8%, 인 3%, 황1%, 기타 미량원소 고분자 : 단백질, 핵산, 다당류, 기타 저장물질 (지방, PHB(polyhydoxybutylate), 글리코겐) 무기염류, 중간대사물질, 비타민등 생물시스템 : 2000가지 이상의 반응이 일어나는 복잡한 반응기

물 - 원형질을 구성하는 화합물 중 가장 많은 물질 - 대개 생물체의 몸무게의 약 50 -95%차지 -기능 : 화합물을 용해 (극성용매임) 물질의 이동 체온유지 생체 내 고분자 물질 합성

아미노산 과 단백질 건조 균체량의 40-70%를 차지 단백질 - 아미노산 단위체들로 이루어진 고분자 단백질 - 아미노산 단위체들로 이루어진 고분자 (protein) - 수천에서 수십만 의 분자량 - 세포 구조 형성물질 , 생리적 기능 - 생명의 본질이나 유전에 있어 중요한 구실 1차 구조 : 아미노산의 서열 2, 3차구조 : 측면기간의 약한 결합으로 형성 : 단백질의 생물학적 활성에 필수적

단백질의 구조에 따른 분류 (Fig. 2.9) 1) 섬유상 단백질 (fibrous protein) 2) 구상 단백질 (globular protein) 단백질의 기능에 따른 분류 1)구조 단백질: 당단백질(glycoprotein),콜라겐, 케라틴 2)촉매 단백질 : 효소 (가장 큰 부분), 2000가지 이상 3)운반 단백질 : 헤모글로빈, 혈청 알부민 4)조절 단백질 : 호르몬(인슐린,성장호르몬) 5)면역 단백질 : 항체, 트롬빈

아미노산 아미노산의 구조 H H 2 N C COOH R L-amino acid 단백질을 이루는 기본 구성 물질 20 종류의 아미노산 아미노산의 구조 H H 2 N C COOH R L-amino acid

- 아미노산은 산성기(-COOH)와 염기(-NH2)를 갖는다. - 아미노산이 평균 알짜 전하가 영이 되는 pH값을 등전점(isoelectric point)라 하며 이것은 아미노산의 R기에 따라 변한다. - 단백질은 아미노산의 사슬로 펩타이드 결합(peptide bond)을 형성 - 디펩티드 -두 분자의 아미노산이 결합 - 폴리펩티드 -펩티드 결합에 의해 많은 아미노산이 연결 , 통상 50 개 이하의 아미노산 H H H O H H 2 N - C - CO - OH + H - N - C- COOH  NH2 -C - C - N - C- COOH + H2O R 1 H R2 R1 H R2

단백질의 구조 1) 1차 구조 : 아미노산의 직선배열순서 - N 말단, C말단 2) 2차 구조: 폴리펩티드 사슬이 확장된 방법에 따라 -잔기들 사이의 수소 결합 (A) 헬릭스(Helix) –카르볼실기오와 네번째 아미노기간의 수소결합 (B) β-sheet - 안정

3) 3차 구조 : R기 간의 상호작용의 결과로 생긴 구조 - 사슬의 접힘(folding)과 굽음(bending)에 의해서 단백질 분자가 공처럼 감겨져 있는 구조 - R기 들의 이황화결합, 수소결합 ,공유결합, 소수성, 친수성작용 예) ribonuclease 4) 4차 구조 : 폴리펩티드 간의 상호작용에 의해 4차 구조 형성 - 폴리펩티드 사슬간의 이황화 결합, 다른 약한 결합 - 둘 이상의 폴리펩티드가 모여 하나의 기능 예) 헤모글로빈 - 4개의 소단위체

항체(antibody) 두개의 light chain과 두개의 heavy chain으로 구성됨 면역반응 : 항체는 높은 특이성은 항원과 복합체 형성 IgG (150kD), IgA, IgD, IgM(900kD), IgE 항체는 생명공학에서 가장 중요한 제품  항암제 전달  진단시약  단백질 정제 IgG (Fig. 2.13) :  heavy chain, light chain constant region과 variable region으로 구성

탄수화물 - 생물의 에너지 공급원 - 생물체 주요 구성성분 - 구성: 탄소: 수소: 산소(1:2:1) - 생물의 에너지 공급원 - 생물체 주요 구성성분 - 구성: 탄소: 수소: 산소(1:2:1) - 일반식: (CH2O)n - 합성과정 : 녹색식물의 광합성 light (Phptosynthensis) CO2 + H2O CH2O + O2 energy(Respiration)

탄수화물의 종류 1) 단당류:3탄당 ~ 6탄당 -알데히드형, 케톤형 (표 2.5) 예) D-리보스, 디옥시리보스 2) 이당류: 두개의 단당류의 축합 (Glycosidic linkage) Maltose :-D-Glucose + -D- Glucose Sucrose: -D-Glucose + -D-Fructose Lactose :-D-Glucose+ -D-Galactose

3) 다당류 - 수많은 단당류의 축합 - 아밀로오스(amylose) - 분자량: 수천~50만 달톤 사이 포도당이 -1,4-glycosidic 결합 - 아밀로펙틴 (amlyopectin)-분자량:1~2백만정도 -1,6-glycosidic 결합 - 글리코겐(glycogen) 아밀로펙틴과 유사 (보다 많이 분지)- 분자량: 5*106

토의 효과적인 셀룰로오스 자원의 이용방안 셀룰로오스(cellulose) http://clubbox.co.kr/xerocy - 분자량 :5만~1백만 - 지구상에서 가장 풍부한 탄소원 -1,4-glycosidic 결합 --> 몇 종류의 미생물만 이용가능 http://clubbox.co.kr/xerocy 토의 효과적인 셀룰로오스 자원의 이용방안

지질, 지방, 스테로이드 지질(lipid) - 소수성 생체물질, 비극성 용매(에테르,클로로포름, 벤젠)에 녹음 - 세포 생체막과 같은 생체계에 존재 - 주요구성 성분 : 지방산(fatty acid) -말단에 카르복실기(친수성)을 가진 탄화수소(소수성)직선사슬 CH3-(CH2)n-COOH <n: 12-20> : 포화지방산, 불포화지방산(2중결합이 존재)

-지방(fat) : 3지방산 +글리세롤 의 ester 인지질(phosphoglycerides) - 지방산이 인산으로 대체, 지방과 비슷한 구조. - 생체 세포막 구성  Polyhydroxyalkanoate : 생분해성 고분자, 에너지 저장물질  스테로이드(steroid) - 호르몬 (에스트로겐, 프로게스테론 등) ,콜레스테롤 - 동물의 성장이나 대사에 중요한 조절제 (호르몬)

핵산, DNA, RNA DNA, RNA : 뉴클레오타이드의 중합체 뉴클레오타이드는 에너지와 환원력을 저장 (특히 ATP, GTP) : 인산, 5탄당, 염기로 구성 DNA -> RNA -> Protein 플라스미드 : 환형의 DNA, 유전공학에 널리 이용됨 RNA : mRNA (짧은 반감기, 2-3%), tRNA, rRNA (23S, 16S, 5S) : RNA 함량은 DNA의 2-8배 : 총 RNA중에서 85%는 rRNA

토의 mRNA의 반감기가 짧은 생물학적 이유 세포성장주기에 따른 DNA, RNA함량 변화추세를 예측하시요

세포영양소 세포의 조성은 외부환경과 매우 다름  열역학적 불균형  에너지를 필요로 함 물 (80%), 단백질(50%/건조중량), 핵산(10-20%), 지방(5-15%), 미량원소  세포의 나이, 배지조성에 따라 변함 세포성장과 생성물 형성에 최적인 영양소의 공급이 필요함. 다량영양소(macronutrient), 표 2.9 - 탄소 (당밀, 전분, 옥수수시럽, 제지폐기액, 포도당, 설탕, 과 당), 약 50%는 에너지로 소모 - 질소 (암모니아, 암모늄염, 단백질, 펩타이드, 효모추출물, 펩톤) - 산소 : 최종전자수용체로 분자 산소가 필요 - 수소 : 탄수화물과 함께 공급 - 인(무기인산염), 대사과정을 조절 항생제등의 2차대사산물 생성시 농도를 1 mM 이하로 조절 - 황(황산암모늄), - 마그네슘, 칼륨 -> 능동적으로 흡수, 효소의 보조인자

미량영양소 생장배지 - 부족시 지연기가 길어짐  비성장속도, 수율 감소 - Fe, Zn, Mn : 가장 일반적으로 필요 : 효소의 보조인자, 2차대사산물 생산 조절 Cu, Co, Mo, Ca, Na, Cl, Ni, Se : 특정 대사조절에 사용 B, Al, Si, Cr, V, Sn, Be, F, Ti, Ga, Ge, Br, Zr, W, Li, I : 극미량요구, 독성 - Chelating agent : 불활성 금속을 녹임 : EDTA, 히스티딘, 타이로신, 시스틴 등 - Growth factor : 비타민, 호르몬, 아미노산, 옥신, 사이토키닌 생장배지 - 제한배지 (defined medium) : 화학조성을 알고 있는 순수한 화합물로 구성 - 복합배지 (complex medium) : 효모추출물, 펩톤, 당밀, 옥수수추출물 등을 포함 : 값이 싸고, 미량의 생장인자를 함유 : 실험의 재현성이 낮고, 산물의 회수와 정제가 어려움