세포와 세포막을 통해서 바라본 생명의 신비 이 수 재 2013. 09. 10 길담서원 발표 녹색아카데미 연구원.

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1 세포와 세포막을 통해서 바라본 생명의 신비 이 수 재 길담서원 발표 녹색아카데미 연구원

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4 http://www. alanturing

5 목 차 1. 생명체의 기본 단위 - 세포 생명과학에서는 생명(체)의 기본단위를 세포라고 본다. 물질의 기본단위라고 할 수 있는 원자나 분자가 아닌 세포를 굳이 생명(체)의 기본단위라고 하는 이유는 무엇일까? 세포의 기본적 구조/기능에 대한 이해와 함께 ‘살아있음’의 의미를 생각해본다. 2. 세포의 경계 짓기 - 세포와 세포, 세포와 환경, 세포내 소기관의 영역 세포의 안팎을 구분 짓는 경계가 세포막이다. 세포막은 세포와 환경의 경계이기도 하고 세포간의 경계이기도 하며, 심지어 세포내에 존재하는 여러 소기관들의 경계이기도 하다. 세포 각각의 안정성은 세포막이라는 경계를 통해 실현되며, 세포막이라는 경계에 의해 세포 혹은 세포내 소기관들 각각의 정체성이 생겨난다. 3. 세포막의 구조와 기능 - 세포막을 이루는 분자들의 생화학적 특성 세포막이 안정적 이중막 구조를 가지는 것은 세포막을 구성하는 (생체)분자들의 물리/화학적 구조와 생화학적 특성에서 기인된다. 이중막 구조가 효과적인 경계가 될 수 있는 이유를 찾아보고 나아가 물질과 에너지가 어떤 생화학적 기작을 통해 세포막을 통과하는 지를 간략히 알아본다. 4. 세포는 열린계(open system) - 세포막을 통한 물질과 에너지, (정보)의 출입 세포는 외부 세계에 대해 시스템적으로 열려있다. 세포는 세포막에 의해 외부와 구별되며 동시에 자신에게 필요한 물질과 에너지 역시 세포막을 매개로 획득한다. 나아가 외부 환경의 변화에 대한 정보의 획득과 이에 대한 반응 역시 세포막에서 시작된다. 5. 세포막의 기능을 통해 본 생명 외부와 구별되면서도 외부에 열려있는 세포의 특성은 기본적으로 세포막에 의해 매개되는데 이 특성들이 곧 생명과학이 바라본 생명(생명체/생명현상)의 모습이라 할 수 있다.

6 1. 생명체의 기본 단위 - 세포 물질의 기본 단위 – 원자 / 분자 동위원소는 성질은 거의 같으나 질량값은 다르다.
돌턴의 원자설 (1803년) 같은 원소의 원자는 같은 크기와 질량, 성질을 가진다. 원자는 더 이상 쪼개질 수 없다. 3. 원자는 다른 원자로 바뀔 수 없으며 없어지거나 생겨날 수 없다. 4. 화학반응은 원자와 원자의 결합방법만 바뀌는 것으로, 원자가 다른 원자로 바뀌지는 않는다. 따라서 질량이 보존된다. 동위원소는 성질은 거의 같으나 질량값은 다르다. 원자는 쪼개질 수 있다 (양성자, 중성자 등..). 원자는 다른 원자로 바뀔 수 있다(핵분열, 핵융합)

7 헬륨 원자 (He atom) 위키피디아

8 분자설 - 아보가드로 http://user.chol.com/~nacl00/life/life7.htm
아보가드로( ) 1811년 기체 반응의 법칙을 합리적으로 설명할 수 있는 분자설을 제안하였다 그러나 이 분자설은 그가 죽고 난 후인 1860년에서야 인정을 받게 되었다 그의 이름은 아보가드로수라는 과학의 중요한 숫자로 영원히 남게 되었다. 1811년 돌턴의 원자설과 게이뤼삭의 기체반응의 법칙을 결부하면 기체의 체적과 분자의 수 사이에는 단순한 관계가 있을 것이라고 생각하고, 일정한 온도·압력에서 같은 체적인 기체는 일정수의 분자를 포함한다고 가정. 예컨대 물분자가 2개의 수소원자와 1개의 산소원자로 이루어진다고 한다면, 2용적의 수소와 1용적의 산소로 2용적의 물(기체)이 된다는 것을 설명 할 수 있다. 원자와 분자가 처음으로 구별된 것이다. 위키피디아

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10 Methane Propane Ethanol / Ethyl alcohol H2O

11 올레산 (Oleic acid) cf. 지방산 (fatty acid) – 탄화수소(carbohydrate) + 카르복시기(COOH)

12 Caffeine molecule Structure of DNA Stryer, Biochemistry

13 생명의 기본 단위 – 세포 History of research
1665: Robert Hooke discovers cells in cork, then in living plant tissue using an early compound microscope.[9] 1839: Theodor Schwann and Matthias Jakob Schleiden elucidate the principle that plants and animals are made of cells, concluding that cells are a common unit of structure and development, and thus founding the cell theory. 1855: Rudolf Virchow states that new cells come from pre-existing cells by cell division (omnis cellula ex cellula). 1859: The belief that life forms can occur spontaneously (generatio spontanea) is contradicted by Louis Pasteur (1822–1895) (although Francesco Redi had performed an experiment in 1668 that suggested the same conclusion). 1953: Watson and Crick made their first announcement on the double helix structure of DNA on February 28. 1981: Lynn Margulis published Symbiosis in Cell Evolution detailing the endosymbiotic theory.

14 Onion cells in different phase
The cell is the basic structural, functional and biological unit of all known living organisms. Cells are the smallest unit of life that is classified as a living thing, and are often called the "building blocks of life". Cells consist of a protoplasm enclosed within a membrane, which contains many biomolecules such as proteins and nucleic acids.[1] Organisms can be classified as unicellular (consisting of a single cell; including most bacteria) or multicellular (including plants and animals). While the number of cells in plants and animals varies from species to species, humans contain about 100 trillion (1014) cells.[2] Most plant and animal cells are between 1 and 100 micrometres and therefore are visible only under the microscope.[3]

15 생명이란 장회익, 생명의 이해, 출간예정 대사적 정의: 생리적 정의:
<상자 3.2> 브리타니카 백과사전이 말하는 ‘생명’의 6가지 정의 브리타니카 백과사전의 최신 버전에서는 ‘생명의 정의’와 관련하여 “생명 자체에 대한 아주 포괄적이고 간결한 정의는 아무도 제시하지 못하고 있다”면서 아직 모두에게 수용될만한 만족스런 정의가 없음을 시사하고 있다. 하지만 대부분의 과학자들은 암묵적으로 대사적(metabolic), 생리적(physiological), 생화학적(biochemical), 유전적(genetic), 열역학적(thermodynamic), 자체생성적(autopoietic) 정의 가운데 하나 혹은 몇 가지를 사용한다고 하면서 이 여섯 가지에 대해 간단히 설명하고 있다. 그 내용을 요약하면 다음과 같다. 대사적 정의: 이 정의는 생화학자들과 일부 생물학자들이 선호한다. 살아있는 체계란 일정한 경계를 가지고 주변과의 사이에 지속적으로 특정의 물질들을 교환하면서도 적어도 일정 기간 동안은 그것의 일반적 성질에 변화가 없는 대상이다. 그러나 예외들도 있다. 종자나 포자(spore)는 저온에서 수백 수천 년간이나 대사 작용을 멈추고 보존된다. 반면 촛불은 일정한 경계를 가지고 대사와 흡사한 작용을 한다. 이런 사실들이 이 정의의 약점이다. 생리적 정의: 가장 대중적인 정의이다. 생명은 먹고, 신진대사를 하고, 배설하고, 숨쉬고, 움직이고, 자라고, 생식하고, 자극에 대해 반응하는 것 등의 기능을 할 수 있는 체계로 정의된다. 그러나 이것이 가진 문제점도 많다. 이러한 기능들 가운데 일부는 (아무도 살아있다고 보지 않는) 자동차에도 있고, 또 (누구나 살아있다고 인정하는) 유기체들 가운데에는 이들의 일부를 결여한 것들도 많다.

16 생화학적 정의: 유전적 정의: 열역학적 정의:
분자생물학적 정의라고도 하는 이 정의는 생명을 핵산분자 안에 각인된 복제가능 유전정보를 품고 있으면서 효소라 알려진 단백질 촉매를 통해 화학반응 속도를 조정하여 대사 작용을 하는 체계로 정의한다. 여기에도 문제들은 있다. 바이러스 같은 병원체인 프리온(prion)은 핵산을 포함하지 않았지만 숙주인 동물 세포 안에서 증식할 수 있다. 또 살아있지 않은 것으로 인정되는 RNA 분자들은 시험관 안에서 복제도 하고 변이도 일으키며 진화해 나갈 수 있다. 그리고 인간에 의해 아무리 생명과 유사한 체계를 만들어졌다고 하더라도 이것이 만일 이러한 화학적 구성을 가지지 않았다면 생명이 아니라고 보아야 하는 문제가 있다. 유전적 정의: 이것은 복제 가능성에 가장 큰 의의를 두는 정의이다. 여기서 생명은 자연선택에 의해 진화가 이루어지는 체계로 정의된다. 복제되는 성분들에 의존하는 생식체계로 규정하는 이러한 정의는 이러한 기능을 가지는 인공적 기계가 출현할 때 이를 생명이 아니라고 배제하지 않는다. 그러나 생명을 단순히 생식이 가능한 존재로 정의한다면, 노새를 비롯한 일부 생명체들은 이 규정에 의해 생명에서 배제된다. 한편 모든 복잡한 체계는 자연선택이 없이 출현할 수 없을 것이라고 하는 점이 유전적 정의가 취하고 있는 기본 취지이다. 열역학적 정의: 여기서는 조직의 형성과 유지라는 관점에서 생명을 조직의 지속적 유지와 증진이 가능한 국소 영역으로 정의한다. 그러나 이것이 열역학 제2법칙에 위배되지 않기 위해서는 에너지와 물질이 드나드는 열린계(open system)를 이루어야 한다. 그러나 열린계의 열역학적 과정이 복제(replication)라는 것 없이 생물 체계와 같은 복잡성에 도달할 수 있을는지는 의심스럽다. 어쨌든 생명이 보여주는 이런 복잡성은 에너지 전환 과정에 나타나는 열역학적으로 선호되는 통로의 일부로 복제라고 하는 것이 작용한 결과임에 틀림이 없다.

17 The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology
자체생성적 정의: 이 새로운 정의는 자체생성성(autopoiesis)이란 개념에 바탕을 두고 있다. 이 정의는 생리적 정의와 흡사하지만, 자신을 유지한다는 점에 강조를 두고 있다. 정보적 내부결속(informational closure), 자동제어적 자체연결성(cybernetic self-relatedness) 그리고 자신을 더 늘려나가는 능력 등이 그것이다. 자체생성성은 자체생산, 자체유지, 자체수선 등 생명 체계의 자체관련 측면들을 이야기한다. 살아있는 존재는 지속적인 화학 성분들의 흐름과 교환을 통해 자기 형태를 보존한다. 세포단위의 자체생성적 체계는 자기 자신에 의해 만들어진 동적 물질(dynamic material)에 의해 구획된다. 외계인이 땅에 그렸다고 하는 도형 by 루이시 The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology 생명의 이해(장회익)에서 재인용

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19 2. 세포의 경계 짓기 – 세포의 구조와 경계 동물세포의 구조

20 식물세포의 구조 cytoskelecton Stryer, Biochemistry

21 EM of Plasma membranes from red blood cells
3. 세포막의 구조와 기능 EM of Plasma membranes from red blood cells Stryer, Biochemistry

22 phosphate + alcohol 지방산 (fatty acid) 글리세롤 (glycerol)

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24 micelle Lipid bilayer (vesicle)

25 Fluid mosaic model

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28 세포내에서 일어나는 물질대사

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31 4. 세포는 열린계(open system) 에너지의 출입 물질의 출입 열린계 O 닫힌계 X 고립계
A thermodynamic system is a precisely specified macroscopic region of the universe, defined by boundaries or walls of particular natures, together with the physical surroundings of that region 에너지의 출입 물질의 출입 열린계 O 닫힌계 X 고립계 고립계 – 우주, 열역학 제1법칙(에너지보존의 법칙) 성립, 제2법칙 (엔트로피 증가의 법칙) 성립, 에너지-질량 총합은 일정 G : 깁스 자유에너지 (F) H : 엔탈피 S : 엔트로피 T : 온도 G = H TS ΔG = ΔH - T ΔS

32 물질의 출입 - Receptor mediated endocytosis

33 Coated pit endocytosis Phagocytosis Pinocytosis

34 에너지의 출입 - photosynthesis

35 Synthesis of vitamin D

36 5. 세포막의 기능을 통해 본 생명 살아있는 세포와 외부 환경과의 관계는 어떻게 보아야 할까?
대사적(metabolic) 생리적(physiological) 생화학적(biochemical) 유전적(genetic) 열역학적(thermodynamic) 자체생성적(autopoietic) 정의 세포는 위의 여러 가지 생명에 대한 정의를 대체로 만족시키는 최소의 단위라 할 수 있음. 세포는 자신의 정체성을 정적인 고정성에서 찾는 것이 아니라 물질 / 에너지 / 정보 교환과 같은 활발한 동적 과정을 통해서 실현함. 세포는 세포막을 통해서 지속적으로 외부 물질을 받아들여 자신의 것으로 변화시킴으로써 자신의 정체성을 유지하며, 자신에게 필요한 에너지 역시 세포막을 매개로 하여 빛 / 물질의 형태로 받아들인다. 외부환경과의 정보 교환 역시 세포막을 통해서 이루어진다. 이러한 세포막의 기본적 구성요소인 인지질은 수용액 조건에서 자발적으로 vesicle을 만들수 있는데 이를 통해서 살아있는 세포의 필수조건 중 하나인 세포막이라는 경계의 형성은 외부의 다른 힘의 작용없이 자발적으로 가능함을 알 수 있다. 살아있는 세포와 외부 환경과의 관계는 어떻게 보아야 할까?

37 감사합니다 ^^..

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