Chapter 1 화학은생물학적현상에대한논리적설명을가능하게한다 : 생화학의본질적의미 Biochemistry
영화 < 감기 > 의바이러스모델 인류에게치명적일것이라예상하며특별히주의를기울이고있는고병원성조류인플루엔자 H5N1 Hemagglutinin Neuraminidase 인플루엔자 A 바이러스서브타입 H5N1(Influenza A virus subtype H5N1) 은인플루엔자 A 의아형 ( 亞型 ) 으로, 고병원성조류독감을일으킨다. 사람을비롯한다른동물들에게도전염될수있다. 현재백신은없으나오셀타미비어 ( 타미플루 ) 와자나미비어 ( 릴렌자 ) 등의치료제가있다 타미플루 Tamiflu : 대회향속에들어있는 shikimic acid 로부터합성한물질, Neuraminidase inhibitor 로정상숙주세포표면의단백질중 sialic acid 에대해서경쟁적저해제로작용한다. Neuraminidase 의작용을억제함으로써, 합성된새로운 viral particle 들이감염된숙주세포들로부터방출되는것을막는다
Essential Question 매우다양한생물학적다양성에도불구하고생물학적인분자체들은정교한구조를가지고있으며생명현상은매우복잡하다 이러한여러가지생물학적기능은결국에는화학적인용어로해석되거나통역할수있을까? 생물체를구성하는 molecule 은생명력이없으나생명체의특성은이러한 molecule 의특성으로부터나온다. 생물학적분자체들은다른모든물질과연관되어반드시화학적으로그리고물리적인것으로증명되어야함 생명기능은극히화학적인용어로해석이가능하다. Chemistry is the logic of biological phenomena.
Outline What Are the Distinctive Properties of Living Systems? What Kinds of Molecules Are Biomolecules? What Is the Structural Organization of Complex Biomolecules? A biomolecular hierarchy How Do the Properties of Biomolecules Reflect Their Fitness to the Living Condition? What Is the Organization and Structure of Cells?
작은생체분자의구조도여러부분으로구성매우복잡한구조로되어있다하더라도그시작은매우간단한구조의분자들로이루어진것임 그림 1.1
1.1 Distinctive Properties of Living Systems 1. 유기체들은매우복잡하고고도로구조화되어있음 계급화되어있음 Organism cells organells macromolecules basic building blocks 2. 생물학적구조는기능적목적을제공한다 - 관찰된구조는조직, 양상은명확한기능성을가지고있다 native baboon tropical orchid
Energy Transformations 3. 생물학적시스템은에너지전환을활성적으로이루어낸다 고도로조직화된구조를유지하고활동하기위해서는에너지를요구하고 이에너지의흐름은피라미드식으로전개되어진다
작고간단한분자가활성을가지는것은생체분자의작용기에의한것임이들작용기는산소와질소를포함하고있음 ( 각작용기는전기음성도가큰것들임 생체분자가특별한이유는무엇인가? 생체분자의극성부여 극성에의한반응성부여
ATP & NADPH ATP 와 NADPH 는에너지를포함하는생화학적으로중요한분자체임 에너지는 ATP ADP 와같이일반적으로일어나지않는상태에서유도되어짐 세포에서에너지를요구하는활동 ( 세포에서의생합성, 이동, 이온펌프등 ) 이러한에너지원이사용되어진다
ATP(adenosine triphosphate, 아데노신 3 인산 ) 은 2 개의무수물결합 1 개의에스테르결합으로구성
Self-replication 4. 생물학적시스템은스스로를복제하는명확한능력을가지고있다 5. 높은정확성 vs. 진화 생물분자체의가장기본 : DNA
생체분자 (biomolecule): 생명체를구성하는분자체 (the molecules of life) H, O, C and N make up 99+% of atoms in the human body
1) H, O, C, N 은생물에게화학적특성을부여하기위해어떠한특성을지니는가? Answer: 그들은전자쌍을공유함으로써공유결합을형성한다 2) 특히탄소는 믿을수없을정도로유동적이다 3) 결합에너지를가진다 Figure 1.6 Covalent bond formation by e - pair sharing.
Diverse Structure, 구조적다양성 탄소와탄소의결합은매우유동성이있으면이들은선상이나환형을이루기도하고분지가이루어지기도하며평면상에배열되기도한다 Examples of the versatility of C C bonds in building complex structures: linear aliphatic, cyclic, branched, and planar.
1.3 - A Biomolecular Hierarchy, 생체분자는계급성이존재한다 작은분자체들은 building complex 구조를이루는단위가된다. Simple Molecules are the Units for Building Complex Structures Metabolites and Macromolecules Organelles Membranes The Unit of Life is the Cell
구조적계급성, Structural Hierarchy 생체분자는구조적계급성통해달성되어진다. 간단분분자구조들이모여 Building Complex Structures 1) Precursors for the formation of biomolecules 생체분자를구성하는전구체
2) Precursors are converted to metabolites and building blocks, 전구체들이모여 metabolites 와 building blocks 을형성한다
3) building blocks 들이공유적으로연결되어 Macromolecules 를구성한다 4) Macromolecules 사이에비공유적상호관계는 supramolecular complex 를구성한다
5) Organelles 6) The Cell: the unit of life eukaryotic cells, 진핵생물 생체막안에서고유한기능들을수행 생물학적특성 - 성장 - 대사 - 자극에대한반응 - 복제
1.4 - Properties of Biomolecules Reflect Their Fitness to the Living Condition, 살아있는조건에적합하기위해생체분자는어떠한특성을반영하고있는가? Macromolecules 과그들의 Building Blocks 은연결흐름과방향성을을가지고있다 Sense or Directionality( 연결흐름과방향성 ) Macromolecules are Informational(macromolecule 은정보다 Biomolecules Have Characteristic Three-Dimensional Architecture ( 생체분자는 3 차구조의특징을갖는다 ) Weak Forces Maintain Biological Structure and Determine Biomolecular Interactions( 생체분자의상호연관을정의하고생물학적구조를이루기위해서약한힘을필요로한다 )
Figure 1.9 (a) Amino acids build proteins (N-terminal to C-terminal) Directionality (b) Polysaccharides are built by combining sugars (C-1 to C-4 glycosidic linkage) (c) Nucleic acids are polymers of nucleotides (5 to 3 direction) Polymerization processes involve bond formations accompanied by the elimination of water a b c
Informational Sequences Figure 1.5 The sequence of monomeric units in a biological polymer has the potential to contain information if the diversity and order of the units are not overly simple or repetitive. Nucleic acids and proteins are information-rich molecules; polysaccharides are not.
단량체서열이중합체에미치는영향 단백질의한종류인효소 (enzyme) 은촉매활성 (catalytic activity) 를나타내는데비촉매반응과비교할때화학반응의속도를증가시킴 촉매성분자는복잡한분자의대량생산을촉진 분자의축적, 생명체의특징을지니는복잡한시스템발생 ( 생명기원 ) 단백질기능 = 촉매작용 ( 한효소의촉매비율은아미노산조성에따라달려있음 ) 우리몸에서효소작용이없다면화학반응이느려서생명유지에별효과가없을것임 유전암호 유전암호 (genetic code) 란핵산의뉴클레오타이드서열과단백질아미노산서열사이의상관관계이다
촉매작용이먼저일까? 유전암호가먼저일까? 최근가설및부분적검증에의해 RNA 는자신의가공반응을촉매할수있는있음이입증 ( 이제까지촉매기능을수행할수있는것은단백질뿐이었음 ) RNA 는자신의복제를촉매하고암호화하는두가진기능을모두수행하였다는가설 시스템의진화 단백질을암호활할수있는수준까지진화 변하기쉬운 RNA 를밀어내고 DNA 로유전물질을대체 폴리뉴클레오타이드는원본과서열이똑같은분자를만들어낼수있음 ( 암호화 ) 느린과정 반응촉매를하려면효소가필요 ( 단백질?) 단백질기능 = 촉매작용 ( 한효소의촉매비율은아미노산조성에따라달려있음 ) 최초의세포발달은단백질이중요하다는가설도있음 무생물조건하에서아미노산은쉽게합성되지만뉴클레오타이드는어렵다 ( 프로티노이드의인공적합성성공 ) 프로티노이드 미소구체형성 세포의전구체인원시세포를형성 but 암호화시스템이결여되어있음
원핵생물계 ( 핵이없는단세포, 박테리아, 사이아박테리아, 원핵생물로만구성 ), 다른 4 계는진핵생물로구성 원생생물계 ( 핵이있는단세포, 연두별레, 볼복스, 아메바, 짚신벌레 ), 균계, 식물계, 동물계 뚜렷이구분되지않는핵을가진생명체 원핵생물로분류 ( 고세균, 초기박테리아 < 극한미생물 >, 진정세균 < 박테리아 > 극한미생물 극한환경에서서식 Metanogen : 절대혐기성미생물로이산화탄소, 수소, 메탄생성 호염균 : 사해에서발견되는미생물 호열호사성미생물 80-90, ph2 에서생장 극한조건에만들어내는효소가안정 (Thermus aquaticus) PCR 반응에활용 5 계 3 영역을통한생물종의분류 그림 1.18 5 계 (kingdom) 의분류체계.
생화학에너지론 Anabolism ( 동화 ) : 이산화탄소와물을빛에너지를이용하여광합성생물이탄수화물과산소를전환시킴 ( 환원 ) Catabolism ( 이화 ) : 탄수화물을섭취하여에너지원으로이용 ( 산화 ) 산화는전자를잃는반응이며환원은전자를얻는반응이다 에너지와변화 에너지는여러가지형태를취할수있고한형태에서다른형태로전환될수있다.( 빛, 열, 화학, 전기 ) 자발적 : 외부의간섭없이일어나는반응들을자발적이라고이야기한다 자발성을예측하는가장유용한기준은자유에너지이며자발적인 < 에너지는방출하는 > 반응에서는시스템의자유에너지가감소 (ΔG 값은음이다 ΔG <0) 자유에너지가변화가양이값을나타내는경우 (ΔG >0) 는반응이일어나려면에너지가공급되어야하고비자발적반응이라고한다 에너지흡수 평형 (equilibrium) : 어떠한방향으로도알짜변화가없는상태 ( 자유에너지변환 0
생물학적구조와생체분자가상호반응을정의할수있는약한힘 Weak Forces Maintain Biological Structure and Determine Biomolecular Interactions 공유결합은원자들이전자를공유하여분자를형성하는결합이며생체분자에서는비공유결합 ( 전자를공유하지않은형태의결합이중요 ) 1. 생체고분자에서비공유결합의중요성 : 생체고분자들은탄소화합물로서탄소가최대한네개의다른원자와공유결합을이루고있다. 그리고그결합은무작위적배열이아니라체계적조직을이루고있다. 생체고분자간에는주로비공유결합이이루어진다. 비공유결합은약하기때문에낮은열, 대기압, 중성 ph 와같은제한된환경에서가역적 ( 동적인 ) 상호작용을가능케한다. 생물학적기능은구조적상보성과약한힘에근거하고있다. 따라서생물체는제한된환경에만존재할수밖에없기때문에, 화학반응에서와는달리생체고분자의대사작용은효소반응을통해이루어진다.
2. 생체고분자에있어서중요한 4 가지의비공유결합 Type of bond Vanderwalls : 원자나 molecule 의상대적인 size 나그들사이의거리에의존한힘, 두개의 molecule 사이의접촉면적이요소가된다. 보다넓은면적이큰힘이작용함. 비이온간의결합으로극성 - 극성, 극성과비극성, 비극성과비극성간의결합 Hydrogen bond : 수소를매게로한결합으로쌍극자의특수한예임, H 의 donor 아 acceptor 의극성분포에의한상대적인힘더극성인원자는더강한 H bond 를형성한다 Ionic interections : 전기적극성을띤분자의상대적인극성에의한힘어떤것은 H bond 와이온반응을함 NH3+, -OOC- Hydrophobic interection : 복합적인현상의힘 important numbers!
Van der Waals interactions Dipole-dipole interaction 1/r 3 쌍극자간의상호작용 쌍극자 : 양전하와음전하말단을모두가지고있는결합 물에서수소의반데를발스반지름 0.12 산소의반데를발스반지름 0.14 결합전자들이산소쪽에서발견될확률이높다 London dispersion forces 1/r6 London dipersion force 는비극성간의 van der waals interations 을뜻한다
Van der Waals Radii
Hydrogen bonds strongest intermolecular interaction important, possible between H and O, N, F 매우강력한 dipole-dipole interaction 의경우에해당 수소가전기음성도가큰원자들과공유결합을이루면부분적인양전하를띠게되어또다른전기음성인원자들의비공유전자들과 수소결합은 Van der Waals 결합보다강하고공유결합보다는약하다 ( 결합길이는강도에반비례한다 ). 따라서그길이는각각의중간에해당된다.
Ionic Interactions
Hydrophobic Interactions 물에강하게반발하는 ( 배제하려고하는 ) 비극성그룹과 molecule Milieu 환경친수적환경으로부터물을제거하기위하여비극성부분이종종액과를형성함 Macromolecule 과 supramolecule 유지되고만들어지는데매우중요함 Hydrophobic interactions (=hydrophobic attractions), 소수성상호작용 hexane 분자들이물에들어가면물내에 cavity 가형성되면서일시적으로물분자들사이의수소결합을파괴시키고이에따라재배열된물분자들은최대한의새로운수소결합을형성 hexane 주위의 water cage 내에서수소결합을이룰수있는가능한방법또는수는순수한물에서보다적어짐 (hexane molecule 주위의 water molecule 들은다른부위에서보다훨씬질서있는상태로되고이때문에다른 hexane 분자가들어오게되면 hexane 분자들끼리결합함으로써분리된상태일때보다적은수준의정돈된상태의물분자를필요로하는것이다.