생명과학의 이해

Size: px

Start display at page:

Download "생명과학의 이해"

정철 반
5 years ago
Views:

1 생명현상의화학적이해 우주물질탄생 / 생명의기본물질

2 1. 우주물질탄생 우주 탄생 인플 레이션 빅뱅 우주 1. 무 ( 無 ) 에서탄생한우주 : 양자론으로볼때, 137 억년전시간도공간도없는언덕맨꼭대기무 ( 無 ) 상태에서 무의흔들림 ( 영점진동 ) 에의해 10-34cm 의우주가갑자기탄생 2. 인플레이션우주론 : 가파른언덕 ( 우주에내재하는진공에너지 ) 을구르는것처럼우주는아주짧은시간에 배로급격히팽창한다. 공간끼리밀어내는진공에너지는인플레이션의원동력이며, 팽창이끝날때영점진동이증폭되어진공에너지가사라진대신무수히많은입자가자연발생함 3. 빅뱅우주 : 인플레이션을일으켰던에너지가열에너지로전환되어빛으로가득찬초고온, 초밀도의불덩이우주빅뱅탄생하였다. 열에너지는물질로전환되고이때반물질도만들어졌으며, 물질과반물질이만나면빛을방출하고소멸한다. 반물질은물질보다조금적었기때문에우주에는소멸에서살아남은물질만존재하고있다. 2

1. (Cont.) 우리의몸은다양한물질로만들어져있다. 그들물질의기원은빅뱅초기까지거슬러올라간다. 물질의탄생 : 빅뱅초기에만들어진물질은쿼크와전자등의 소립자 이다. 빅뱅에서시간이지나면서우주의계속적인팽창으로온도는조금씩낮아지고쿼크가모여양성자와중성자가만들어지기시작한다.

3 1. (Cont.) 우리의몸은다양한물질로만들어져있다. 그들물질의기원은빅뱅초기까지거슬러올라간다. 물질의탄생 : 빅뱅초기에만들어진물질은쿼크와전자등의 소립자 이다. 빅뱅에서시간이지나면서우주의계속적인팽창으로온도는조금씩낮아지고쿼크가모여양성자와중성자가만들어지기시작한다. 우주탄생후 3 분동안수소, 헬륨, 리튬, 벨리륨등가벼운원자핵만들어졌다. 하나의양성자로이루어지는수소원자핵 양성자와중성자가결합한중수소원자핵 양성자와중성자가 2 개씩결합한헬륨원자핵 빅뱅우주의빛은날아다니는전자와충돌하기때문에직진하지못하고산란하여우주는불투명했다. 3

4 2. 우주초기원소 우주의초기원소는대량의 수소 와 헬륨 만으로출발했다. 우주탄생에서 38 만년이지나자우주의온도는 3000k 까지낮아졌다. 이경우원자핵과전자가결합하여원자가될수있다. 수소원자 : 수소원자핵과전자 1 개결합 중수소원자 : 중수소원자핵과전자 1 개결합 헬륨원자 : 헬륨원자핵과전자 2 개결합 ( 시원우주 : 수소약 75%, 헬륨약 25%, 기타원소 0.1%) 우주의맑게갬 : 전자가원자핵에포획됨으로써빛은산란되지않고빛이직진할수있게되었다. 밀도의불균일성 : 밀도가높은부분이생기면차츰물질이모여들어현재존재하는은하단과은하의씨앗이되었다고생각하고있다. 4

5 3. 생명의기본이되는무거운원소출현 지구상의원소는시원조성과크게다르게탄소, 질소, 산소, 규소, 철등의무거운원소가매우많다. 탄소는생명체의골격을이루는원소 탄소, 질소, 산소는생명의기본이되는 DNA 를구성하는주요원소 우주가탄생하고최초로생성된초기의항성 ( 별 ) 들은수소와헬륨원소등의가벼운원소로이루어져있으나, 내부에서는원소들간의핵융합반응이일어나탄소등의무거운원소등이만들어졌다. 수소가원료가되어수소와수소가결합해헬륨이되는핵융합반응 항성내부의수소가줄어들면헬륨이원료가되어탄소가되는핵융합반응을일으킴 항성내부의헬륨이줄어들면탄소가원료가되어원소의핵융합반응이일어나차례차례더욱무거운원소들이생성된다. 초신성폭발 : 항성에서생성된원소들이항성의죽음 ( 폭발 ) 으로우주로흩뿌려지며폭발의뜨거운에너지로항성내부에서생성하지못했던철과같은무거운원소들도차례로생성한다. 우주의원소들은항성, 행성, 생명의재료로쓰인다. 5

of fusion reaction; it occurs in stars that are at least 1.

6 3. (Cont.) Triple alpha process 항성에서탄소의합성이제대로일어나지않았다면, 지구를비롯한행성과생명은태어나지못했다. Courtesy Wikipedia. The CNO cycle (for carbon-nitrogen-oxygen) is another type of fusion reaction; it occurs in stars that are at least 1.5 times the mass of the Sun. Four protons fuse using carbon, nitrogen, and oxygen isotopes to create heat and light. Courtesy Wikipedia. 6

7 3. (Cont.) 생물분자의다양성은탄소의성질에기초를두고있다. 최외각전자 (valence electrons) 4 개 전자를공유하거나내놓아서최외각전자가 8 개가되도록함 탄소원자의핵심적결합능력 생명체형성에있어탄소의역할은화학물질의연결장치 탄소가다양한원자들과결합하여새로운복잡한분자들을형성 ( 유기화합물 ) 유기화합물, 탄화수소, 탄소골격, 이성질체등과최초의유기체진화를이끈다. 7

8 4. 생명체주요원소 세포를구성하고있는원소비율원소무게 (%) 1. 산소 (O) 탄소 (C) 주성분원소 3. 질소 (N) ( 약 95%) 세포를구성하고정상적인기능을위해필요한원소는약 25 종 4. 수소 (H) 칼슘 (Ca) 인 (P) 염소 (Cl) 칼륨 (K) 황 (S) 나트륨 (Na) 0.10 부성분원소 ( 약 4,25%) 필수원소 ( 약 99.25%) 탄소, 산소, 질소, 수소들은세포의구조물질단백질, 탄수화물, 지질분자를이루는주성분원소 11. 마그네슘 (Mg) 요오드 (I) 철 (Fe) 붕소 (B), 크롬 (Cr) 코발트 (Co), 구리 (Cu) 불소 (F), 몰리브덴 (Mo), 망간 (Mn), 셀레늄 (Se) 규소 (Si), 주석 (Sn) 미량원소 ( 약 0.75%) 미량원소 ( 약 0.75%) 부성분원소와미량원소들은구성비율은낮으나, 세포가정상적인기능을발휘하여생명을유지하기위해반드시필요한원소 바나듐 (V), 아연 (Zn)

9 5. 생명체주요분자 생명체의주요분자를구성하는 6 대원소 C H O N P S 생명체의주요고분자화합물 ( 물제외 ) 탄수 분자 구성원소 화물 탄수화물 C.H.O 물 단백질 핵산 단백질지질핵산 C.H.O.P.N.S C.H.O C.H.O.P ATP 지질 물 ATP H.O C.H.O.P.N 9

10 5. (Cont.) 세포에서는몇종류의단위분자로수많은고분자유기화합물을합성한다. 중합체 (polymer): 유기분자 ( 탄소와결합한분자 ) 를사슬로연결하여고분자를만드는것 단량체 (monomer) : 중합체를이루는단위 탈수합성 : 탈수반응을통한단량체연결 가수분해 : 물을부과하여단량체연결을끊음 ( 탈수합성의역반응 ) 10

11 5. (Cont.) 작용기 (Functional Group) 화학반응의중심 각각의유기화합물의특성을나타냄 수산기 (-OH) 알코올 : 수산기를가지고있는화합물 카르보닐기 (-C=O) 알데히드 : 카르보닐기탄소가탄소골격끝에있는화합물 케톤 : 카르보닐기탄소가탄소골격내부에있는화합물 카르복실기 (-HO-C=O) 카르복실산 : 카르복실기를가지고있는화합물 아미노기 (-H-N-H) 아민 : 아미노기를가지고있는화합물 11

12 6. 단백질 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 단백질단량체 아미노산의기본구조 글리신 (R=H) R 보건인을위한생물학, 2014, 고문사, p24 12

13 6. (Cont.) 글루타민산 (R=CH2-CH2-COOH) 알라닌 (R=CH3) 아미노산측쇄 (R) 의화학적성질은단백질의입체구조를형성하는요소중하나이다. ( 자발적자기조직화 ) 극성아미노산 : 친수성, 단백질구조의외측에위치 비극성아미노산 : 소수성, 단백질구조의내측에위치 보건인을위한생물학, 2014, 고문사, p24 13

14 6. (Cont.) 보건인을위한생물학, 2014, 고문사, p25 14

15 6. (Cont.) 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 펩타이드결합 아미노산간에카르복실기 (-COOH) 와아미노기 (-NH2) 기사이의탈수합성 폴리펩타이드사슬형성 보건인을위한생물학, 2014, 고문사, p24 15

16 6. (Cont.) 단백질 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 20여종의아미노산이펩티드결합으로긴폴리펩티드 (polypeptide) 사슬로연결되고내부결합으로기능적인입체적구조를갖는유기물 기능 : 구조단백질, 효소단백질, 운반단백질, 신호단백질, 저장단백질, 방어단백질, 수축단백질 단백질은분자량이수만이되는고분자화합물로분자가크기때문에입체구조는복잡한형태가되며, 입체구조는온도나 ph의영향을받아구조가변화됨 16

17 6. (Cont.) 아미노산폴리펩타이드단백질 1 차구조 2 차구조 3 차구조 4 차구조 단백질을구성하고있는아미노산의종류와배열순서 ( 폴리펩티드사슬의아미노산조성과서열 ) Polypeptide chain from hemoglobin His- Val - Leu- Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys Polypeptide chain from hemoglobin - s His- Val - Leu- Leu - Thr - Pro - Val - Glu - Lys 17

18 6. (Cont.) 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 1 차구조 2 차구조 3 차구조 4 차구조 폴리펩티드사슬에존재하는수소결합방식을나타내는구조 (α 구조, β 구조 ) Jim Clark

19 6. (Cont.) α 구조 : 한폴리펩티드사슬내의수소결합으로나타나는나선구조 (ex) 머리카락캐로틴단백질 β pleated sheet Jim Clark 2004 Jim Clark 2004 α helix β 구조 : 두폴리펩티드사슬간의수소결합으로나타나는병풍구조 (ex) 실크단백질 19

20 6. (Cont.) 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 1 차구조 2 차구조 3 차구조 4 차구조 불규칙적으로감기거나꼬여서이루어지는구형의입체구조 결합력 이온결합 (ionic bond) 수소결합 (hydrogen bond) 반데르발스인력 (van der Waals) 이황화결합 (disulfide bond) 소수력 (hydrophobic interaction) 20

21 6. (Cont.) 이온결합 (ionic bond) 수소결합 (hydrogen bond) 반데르발스인력 (van der Waals) 이황화결합 (disulfide bond) Jim Clark

22 6. (Cont.) 아미노산 (amino acid) 폴리펩타이드 (polypeptide) 단백질 (protein) 1 차구조 2 차구조 3 차구조 4 차구조 입체구조를갖는여러개의폴리펩타이드분자가모여서결합된구조 myoglobin(3 차구조 ) hemoglobin (4 차구조 ) 22

23 6. (Cont.) 유전자암호 아미노산 단백질 단백질 돌연변이 종류변화 구조의변화 기능의변화 Sickle Cell Anemia 정상적혈구 혈관내이동이원활함 겸상적혈구 혈관을막아흐림이원활하지못함 23

24 7. 핵산 (DNA & RNA) 뉴클레오시드 (nucleoside) RNA 단량체 뉴클레오티드 (nucleotide) 핵산 (nucleic acid) + = nucleoside DNA 단량체 nucleotide + = deoxynucleoside 보건인을위한생물학, 2014, 고문사, p26 deoxynucleotide 24

25 7. (Cont.) 뉴클레오시드 (nucleoside) 뉴클레오티드 (nucleotide) 핵산 (nucleic acid) 핵산 단백질 ( 아미노산 ) 정보를제공하는중합체 중합체형성방법 단량체 ( 뉴클레오티드 ) 간인산-2-에스테르 (phosphodiester) 결합으로 polynucleotide 형성 25

26 7. (Cont.) RNA: 한가닥의 polynucleotide DNA : 두가닥의 polynucleotide 염기간수소결합 : A = T(U) C D Stockfreeimages.com 26

27 7. (Cont.) RNA DNA 5 end 5 end 3 end R R R R R R 3 end 3 end 5 end 구분한가닥 2중나선구조 위치핵과세포질핵내에존재 역할단백질합성관여단백질유전정보 내용 mrna trna rrna 아미노산및복제시작과종료암호 : 3개염기조합 27

28 7. (Cont.) 정보의저장 28

29 7. (Cont.) 유전암호 (Codon) DNA를전사하는 mrna의 3염기조합 1967년유전암호해독완료 mrna 29

30 인간게놈완성 게놈 (genome): 한생물이가지는모든유전정보 2003 년 4 월 14 일, 인간게놈프로젝트에참여한 6 개국과학자들이인간의유전적청사진인인간게놈지도를 99.99% 정확도로완성했다고발표했다. 30 억년의진화끝에 1 개세포에서성년기를거쳐무덤까지가는과정의명령집합을갖게됐다. - 인간게놈프로젝트에참여했던로버트워터스톤박사 30

31 7. (Cont.) 정보의발현 ( 단백질합성 ) DNA : 단백질암호정보 ( 아미노산암호정보 ) mrna: 전령 RNA( 단백질암호정보복사체 ) trna : 운반 RNA( 단백질암호정보해독및아미노산운반 ) rrna : 리보솜 RNA(ribosom과함께단백질합성 ) A : trna가들어오는자리 P: 아미노산사이펩타이드결합이일어나는자리 E: trna가떠나는자리 Courtesy Wikipedia. 31

32 8. ATP ATP(Adenosine Triphosphate) 고에너지인산화합물 (ATP 외에 GTP, 크레아틴인산등 ) 생체내에서화학반응을일으키기위한에너지원 인산의가수분해로에너지발생 ATP+H2O ADP+ 인산 (Pi)+7.3kcal 표준에너지변화 7.3kcal/mol 생체내에선마그네슘이온농도등의영향을받아 11~13kcal/mol의자유에너지방출 Adenosine Ribose some energy P P P little bit energy a lot of energy AMP ADP 32 ATP

33 8. (Cont.) 화학반응과에너지 X > Y X는 Y보다큰자유에너지를갖는다. 1. 발에르곤반응 (Exergonic reaction) X Y 2. 흡에르곤반응 3. 공역반응 (Endergonic reaction) (Coupled reactions) X Y ATP ADP E E E X Y X Y 에르곤 (ergon): 일 발에르곤반응 : 자발적반응, X 가 Y 이로변할때열과에너지를방출하는화학반응 흡에르곤반응 : 비자발적반응, Y 가 X 로변할때에너지를필요로하는대부분의화학반응 공역반응 : 에너지가주어지지않으면반응이자발적으로일어나지는않으나, 에너지를발생시키는 ATP 의분해가동시에일어나면, 그에너지를받아반응을진행시킬수있는화학반응 33

34 8. (Cont.) 공역반응 생명활동에너지 아미노산 합성 ( 동화작용 ) 단백질 ATP 생명활동에너지 ATP 포도당 호흡 ( 이화작용 ) CO2, H2O 34

9. 물 H2O 분자 극성공유결합분자 전기음성도가서로다른산소와수소원자의공유결합으로형성

36 9. (Cont.) 물 수소결합으로 H2O 분자들이결합됨 수소결합력은생명체의화학반응에중요한약한결합력을갖음 물은쉽게깨져이온화됨 (H + OH - ) H + OH - 이온은반응성이크며, 이두이온의균형은생명체에서일어나는화학반응에매우중요 H + OH - 농도 (PH 값 ) 는생명현상에민감한효소반응등에영향을미침 물분자극성성질은용매로작용하게하고다양한용질을녹여용액을형성함 액체상태의물은수소결합으로응집력을가짐 ( 물의수송, 흡착 ) 액체상태의물은수소결합으로온도변화에저항하는능력이뛰어남 Hydrogen bond Courtesy Wikipedia 36

생명과학의 이해

생명과학의 이해 3. 생명현상의 화학적이해 1. 생명체주요원소 2. 생명체주요분자 3. 4. ATP 5. 물 1 1. 생명체주요원소 세포를구성하고있는원소비율원소무게 (%) 1. 산소 (O) 62.00 2. 탄소 (C) 20.00 주성분원소 3. 질소 (N) 10.00 ( 약 95%) 세포를구성하고정상적인기능을위해필요한원소는약 25 종 4. 수소 (H) 3.00 5. 칼슘 (Ca)