생명의기원 화학진화 / 원시생명체의탄생
1. 생명의공통적특성 구조 자기조직화 정교하고복잡한체제 에너지대사 엔트로피를낮춤 획득한에너지를유용한형태로전환 에너지의흐름, 물질의순환 반응능력 외부환경자극에대한감수성 획득정보에대한대응및활용능력 이동과분산 자원확보 경쟁회피 항상성유지 Feed back 조절 생물체내의환경을일정하게유지 성장과발생 DNA 정보의발현 RNA 에의한세포의성장과발달과정조절 유전과생식 정보복제 정보전달 진화 적응과도태 생명의다양성확보 2
2. 생명기원설 1. 자연발생설 : 생물이무생물로부터자연적으로발생 2. 생물속생설 : 파스퇴르 (1864), 생물은반드시생물로부터유래 3. 천체비래설 : 우주의다른천체에존재하는생명체가운석에실려서지구에도래하였다는가설. 운석을관찰하면운석안에생명체를이루는유기물이존재하고, 우주에무한이많은행성들의존재를볼때지구와같은생명체가존재할행성이있은확률이높다고주장 NASA Scientist Claims Evidence of Alien Life on Meteorite : 운석에서외계생명체화석발견 [NASA, 2011 03, 07] 3
2. (Cont.) 4. 화학진화설 : 화학반응을일으키게하는열, 태양광선, 물등의환경이있으면간단한무기화합물에서유기화합물이생성된다. 저분자유기화합물은단백질이나핵산등의고분자유기화합물로조금씩중합체로합성되는다. 이러한화학적진화가먼저이루어진후, 이고분자유기화합물로부터생명현상을보이는원시적생명체가형성되었다는가설 원시대기 원시대양 간단한 유기물 복잡한 유기물 원시 생명체 수증기질소메탄수소등 원시대양 아미노산유기염기당지방산등 단백질 RNA DNA 탄수화물지질등 막으로둘러싸인구조체 자기복제능력 에너지회득능력 4
3. 화학진화 원시지구의지각형성 5
3-1. 저분자유기화합물 세포가물, 탄소, 질소화합물로되어있지만이러한생명을만드는복 잡한화학분자는원시지구에는존재하지않았다. 그렇다면어떻게세 포의바탕이되는간단한유기물질 (monomers) 이생성된것일까? 원시해양에대기의성분등이녹아서축적된유기물속에는단백질의바탕이되는아미노산과핵산을만드는염기나당류등의작은분자가물, 이산화탄소, 질소등의무기화합물로부터열이나태양광선등의에너지에의해생명을구성하는바탕물질이생성되었다고추측 2014 YourArticleLibrary.com 6 CH 4 + C0 2 + H 2 0 Sugars + Glycerol + Fatty Acids CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 Purines + Pyrimidines CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 Amino Acids
3-1. (Cont.) 밀러의모델실험무기화합물에서저분자유기화합물생성실험 전극 (-) 전극 (+) 수증기 끓는물 원시대기가스 순환냉각수 물 물 www.ib.bioninja.com.au 생성된유기물 원시대기 (1 차대기 ) 가스메탄 (CH 4 ), 암모니아 (NH 3 ), 수증기 (H 2 O) 및수소 (H 2 ) 의혼합가스 ( 무기물 ) 로부터전기방전 ( 전극 - +) 을통하여여러가지아미노산과유기산 ( 유기물 ) 등유기화합물을합성하는데성공 7
3-2. 고분자유기화합물 Sugar + Sugar Polysaccharides Fatty Acides + Glycerol Fats Aminoacids- + Aminoacids Proteins Nitrogenous Bases + Pentose Sugars + Phosphates Nucleotides Nucleotides + Nucleotides Nucleic Acids 2014 YourArticleLibrary.com 8
3-3. RNA 와단백질의출현순서는? Which came First RNA or Protein? 센트럴도그마 (central dogma) 가설 DNA 복제 전사 RNA mrna trna rrna 번역 단백질 분자생물학의중심원리로 DNA 의유전정보는 RNA 를거쳐단백질로전달되며, 그반대방향으로는전달되지않는다 는가설 ( 크릭, 1958) 9
3-3. (Cont.) 센트럴도그마반증 : Retrovirus(RNA Virus) 복제 DNA 외피단백질 전사 역전사 RNA mrna 역전사 RNA trna rrna RNA cdna Provirus 숙주 DNA 번역 전사 역전사효소 외피단백질 단백질 번역 조립 방출 Provirus : Retrovirus 가세포내로들어가그유전물질이 RNA 에서 DNA 로바뀐상태의바이러스 10
3-3. (Cont.) The RNA first Hypothesis 1. RNA can self-replicate RNA is able to store information in a sequence of four nucleotides (similar to DNA) Short sequences of RNA have been able to duplicate other molecules of RNA accurately www.ib.bioninja.com.au 2. RNA can act as a catalyst Modern cells use RNA catalysts (called ribozymes) to remove introns from mrna and help synthesise new RNA molecules In ribosomes, rrna is found in the catalytic site and plays a role in peptide bond formation 11
3-3. (Cont.) (Cont.) 1980년초 3명의과학자 Leslia orgel, Francis Crick and Carl Woese은화학진화가어느정도진행되어복잡한화합물이생기면, 그물질은새로운화학반응을효율적으로진행하는촉매의역할을하는데이러한촉매작용을하는것이자발적으로자기조직화하는 RNA이었다주장하였다. 1989 년 Thomas Ceck과 Sidney Altman RNA가기질과효소 ( 촉매작용 ) 로작용하는것을발견하고공동노벨상을수상하여 The RNA first Hypothesis 를입증하였다. The RNA first Hypothesis에따르면 RNA는아미노산을결합시켜아미노산중합반응을진행시켜단백질이생성하였고, 이후출현한단백질들은다양하고효율적인촉매작용을수행하는효소로서핵산의복제와생명유지활동을담당하였다. 12
4. 생물학적진화 (Biogeny) Conditions for the Origin of Life 1 2 3 There must have been a supply of replicators, i.e., selfproducing molecules. Copying of these replicators must have been subject to error through mutation. The system of replicators must have required a continuous supply of free energy and partial isolation from the general environment. The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation. 13
4. (Cont.) 폭스의모델실험유기화합물에서생명현상을보이는마이크로스페어형성 마이크로스페어 (microsphere) 구조 : 크기와그람염색성이세균과유사 물질의이동 : 저장액에서팽창하고이중막을형성하는현상은생명체에서일어나는세포의삼투압과 2중막구조와유사 생식 : 출아형태로분열하는모습은세균과균류의출아법무성생식과유사 유전자발현 : 핵산을넣어주면 RNA나단백질을만드는현상은생명체가유전정보에따라단백질을합성하는것과유사 14
4. (Cont.) 코아세르베이트설 무기화합물 유기화합물 원시생명체 ( 코아세르베이트 ) 오파린 (1924, 소련생화학자 ), 오파린은 생명의기원 에서원시대양에축적된유기물들이최초의생명체전단계인코아세르베이트를형성하여생명체로발전하였다고주장함. 15
4. (Cont.) 오파린의모델실험고분자유기화합물에서생명현상을보이는코아세르베이트 물분자 물분자층 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산등의고분자유기화합물덩어리 코아세르베이트 코아세르베이트 : 두종류의균질수용액이혼합되었을때생기는균질하지않는다수액체방울 코아세르베이트 (coacervate) 구조 : 콜로이드입자가서로결합하여간단한막으로둘러싸인작은액체방울형성. 주위와독립된내부구조를지님 생식 : 어느정도커지면분열한다. 세균의생식과유사한현상 물질의이동 : 주위물질흡착, 지질을흡수하면선택적투과성을지닌단백질, 지방이중층형성. 생명체의세포막과유사 물질및에너지대사 : 핵산, 효소, ATP 등이존재할때물질흡수, 생장, 분열등이나타남. 미생물세포생리현상과유사 16
4. (Cont.) 원시생명체 비세포성생명체 ( 생명현상을보이는비세포성물질 ) 약 40억 ~ 38억년전, 무수히많은코아세르베이트중에서우수한자기복제력과물질대사능력을획득한비세포성물질출현 산소가없는상태에서원시대양에축적된주변의유기물을이용하여 ( 발효또는무기호흡 ) 에너지를획득하는최초의종속영양미생물 17
4. (Cont.) 에너지획득의진화 (Evolution of Modes of Nutrition) 혐기성 화학합성 광합성 호기성 종속영양생물 독립영양생물 독립영양생물 종속영양생물 원시대양 무기호흡 유기물산화 유기물고갈 무기물산화 유기물합성 광에너지고정 유기물합성 O2 발생 유기호흡 유기물산화 18
www.shinhan.ac.kr