제1장. 생화학과 세포의 구성 -생화학 반응과 생체(고)분자 -생명의 기원 (설) -세포 : 원핵세포와 진핵세포 - 세포소기관

생명체 • 살아있는 생명체는 유사한 종류의 생체분자와 에너지를 사용한다 : 화학, 생물학, 물리학 등으로 연구가능

• 세포(cell)와 생체분자(biomolecule)는 다음과 같은 간단한 분자의 유기화학적 반응에서 생성

: vital force theory

: H2O, CH4, CO2, NH3, N2, H

he atH- N- C-N-H

O

Ammonium cyanate Ure a

H- N- H

H

H

-O- C N+

H H

Friedrich Wöhler(독)의 실험(1828): 광물 (무생명체)에서

얻은 물질에서 생명체에서 발견되는 물질(요소)을 합성.

유기화학반응으로도 생체분자를 합성할 수 있음을 증명.

생체분자 (Biomolecules)

기능단(기) (Functional group):

물리적 혹은 화학적 특성을 지니는 원자나 원자단.

유기(무기)화학 분자들의 반응은 기능단의 반응.

CH3 COHa carboxylic acid

CH3 COCH3a carboxylic e ste r

a phosphoric es ter

a phosphoric acid anhydride

HO- P-O- P-OH

OH

O

OH

CH3 CNH2an amide

OCH3 OCH3an e ther

a ketone CH3 CCH3

O

a thiol CH3 CH2 SH

an alcohol CH3 CH2 OH

an alde hyde CH3 CH

an alkene CH3 CH= CH2

an amine ( CH3 ) 2NH

O

O

O

O

HO- P-OCH3

OH

O

ATP (adenosine triphosphate, 생체 화폐, 에너지)의 형성

nucleotide = phosphate + base + sugar (5번 위치에 인산기)

생체반응의 특성

결합형태 결합거리 ( A ) Dissocaition E .(kcal/mol)

공유결합 1~2 50~200

이온결합 2~3 10~20

수소결합 2~3 3~7

Dipole-dipole 2~3 1.5~4

Van der Waals 3~5 0.5~2

생화학적 반응의 특징 : -열역학 법칙준수 : lower free energy, higher entropy - non-covalent interaction 중요 : hydrophilic, hydrophobic, amphiphatic interactions **hydrophilic, hydrophobic interaction들은 생화학에선 중요시 되나 물리화학적으로는 그 실체가 아직 정확히 규명되지 않았음 (공식, 에너지, 거리?).

비교) 화학결합

생체반응의 특성

-일반 화학반응으로 구성 : - R-OH + R’-COOH ---> R-O-COR’ (ester formation) - R-OH + R/-OH -? R-O-R’ (ether formation )....

-반응 조건이 mild함 (물 (유기용매x), 낮은 온도, 압력, 높은 효율 (효소) -반응경로의 다양성

-다양한 조절기전 (feed back, end-product. regulations..) -coupling of energy : 예) Glucose + ATP->Glucose-6-phosphate + ADP Glucose + Pi -> Glucose-6-phosphate : DG = + 3.3 kcal/mol ATP -> ADP + Pi : DG = -8.4 kcal/mol ------------------------------------------ Glucose + ATP -> Glucose-6-phosphate + ADP : DG = - 5.1 kcal/mol (negative DG : 자발적 반응)

인체(생체)형성의 구조적 단계: 원자-분자-organelle(세포내 기관)-세포(cell)-조직(tissue)-기관-생체

atom-molecule-organelle-cell-tissue-organ-living organism

- 생체고분자로 구성 (약간의 무기물질) *생체고분자 : 단백질, 핵산, 지방, 탄수화물 - 복잡하나 고도로 조직화된 구조 - 각 부위가 기능을 가짐 - 구조-기능의 연관성 - 에너지 필요/ 유사한 생체분자를 사용 *chemistry와 physics로 연구가 가능 - 환경 변화에 대처

- 유전정보를 스스로 다음세대에 전달

생명체 (LIVING SYSTEM)의 특성

생체분자 물질 (비교적 작은 화합물) -유기화학반응 (기능단, 표 1.1)으로 생성 -탄소,수소,산소,질소,황,인으로 구성 (+무기물)

- 65% Oxygen (worthless - meaning that you're mostly hot air!)

•18% Carbon (worthless)

•10% Hydrogen (worthless)

•3% Nitrogen (good for plant food)

•1.5% Calcium (worthless)

•1% Phosphorous (good fertilizer)

•0.35% Potassium (worthless)

•0.25% Sulfur (can be used to make that rotten egg smell)

•0.15% Sodium (salt)

•0.15% Chlorine (not enough for the backyard pool)

•0.05% Magnesium (of slight value)

•0.0004% Iron (I guess we can rust)

•0.00004% Iodine (sell this to the medical industry)

Plus minute quantities of fluorine, silicon, manganese, zinc,

copper, aluminum, and arsenic(!).

No gold, silver, or platinum deposits.

Value of all this great stuff - less than $1.00. This won't cover the price of the funeral.

*참고* 인간의 화학적(원소) 값어치 (U.S. Bureau of Chemistry and Soils):

중요원소의 상대적 분포

Table 1.2 Relative Abundance of Important Elements

Na

Mg

P

S

K

Ca

Mn

Fe

Zn

10-20

2-8

8-50

4-20

6-40

25-50

0.25-0.8

0.25-0.8

0.1-0.4

12

200

3

80

0.6

10

1.6

100

0.12

Nume r of Atoms Re lative to 1000 Atoms of Carbon

H

C

N

O

ElementAbundance

in OrganismsAbundance inthe Universe

80-250

1,000

60-300

500-800

10,000,000

1,000

1,600

5,000

생명의 기원 창조론 : 인간의 기원 (6천 ~ 1만년 전)

Flame 성운 (NGC2024)

과학적 시각의 창조론 : big bang (15 Billion Years Ago: 약 150억년 전)

The Origin of the Universe ~15 Billion Years Ago (BYA) :

the matter and energy of the universe -> ‘singularity’

Big Bang

over ~10-12 s:- expansion to a universe about 1m in diameter

- formation of elementary particles

- temperature ~15,000,000,000 K,

over ~10-5 s: -elementary particles begin to interact,

-producing subatomic particles, e.g. nuclear

components (protons, neutrons).

-synthesis phase lasted ~100s - Initial elements were only hydrogen, helium, and lithium.

- Some elements formed after the first few minutes.

- Heavier elements (atomic number >3) mostly formed from carbon.

-Carbon was formed by fusion of 3 helium nuclei. -Very heavy elements (e.g. lead-uranium) are probably much more recent

(at least on a cosmological scale).

The Big Bang (12 - 15 Billion Years Ago (BYA) -formation of atoms/elements -galaxies, stars, planets Origin of Earth (4.5 BYA) -Crust Solidifies (4.1 BYA) -Cooling (4.1 - 3.5 BYA) CHEMICAL EVOLUTION OF LIFE* -First Prokaryotic fossils (3.5 BYA) -Photosynthetic Cyanobacteria (2.5 BYA) —산소 생성가능

-First Eukaryotic fossils (1.5 BYA)

Evolution of Life : Time Table

Prokarotic fossil

지구상 생명의 기원 (화학적 관점) (The Chemical Soup and Initial Molecular Evolution (4.1~3.5BYA))

원시상태의 대기: Methane - CH4

Ammonia - NH3

Nitrogen - N2

Water vapor - H2O

Carbon dioxide - CO2

and possibly also

hydrogen - H2

hydrogen sulfide - H2S

** 산소 (O2) 나 오존 (O3)은 존재하지 않음.

초기화학반응의 에너지원 (Energy sources):

-volcanic activity (and heat)

-severe electrical storms

-intense UV light (원시 대기 : 오존층의 결여)

-cosmic radiation

-radioactive decay

Oparin's hypothesis

A.I. Oparin : Russian scientist, 1924

Miller-Urey experiment

초기 지구발생조건의 재현. 실험조건: 기체: H2O, N2, NH3, CO2, CO, CH4, H2

에너지원: Lightning (spark generator)

S. L. Miller's: american scientist,1954

결과 : 일주일내, 15%의 탄소가 다른 합성물질로 변환 초기생성물: formaldehyde (CH2O)

hydrogen cyanide (HCN)

이차생성물: formic acid (HCOOH)

propionic acid (CH3-CH2-COOH)

acetic acid (CH3-COOH)

urea (NH2-CO-NH2)

n-methylurea (NH2-CO-NH-CH3)

삼차생성물: 아미노산, 아데닌

chemical events:

유기물 RNADNA/단백질/당/지방 cell(원핵) cell (진핵) multicellular organism

Origin of Life

생명의 기원: RNA 기원설 (중요성)

RNA의 자체 복제 능력 효소(단백질)의 등장으로 RNA는 단백질 합성의 중계자로

역할 전환.

세포는 생명현상의 기본 단위이다 (세포막 : 생명체의 boundary)

- 세포의 구성물질 : ~ 70% 물

~ 22% 생체고분자

- 생체고분자 : 핵산(DNA,RNA...),

단백질(protein),

탄수화물(carbohydrate),

지질(lipid)

- 세포의 종류 : 단핵세포 & 진핵세포

세포 (Cell)

Prokaryotes and Eukaryotes (원핵생물) (진핵생물)

• Prokaryote: Greek derivation meaning “before the nucleus”

– single-celled organisms

– include bacteria and cyanobacteria

• Eukaryote: Greek derivation meaning “true nucleus”

– contain a well-defined nucleus surrounded by a nuclear

membrane

– can be single celled, such as yeasts and Paramecium(집신 벌레), or multicellular, such as animals and plants

(사람세포 포함)

세포 (cell) : 생명의 단위

- Prokaryotes (원핵 생물): Single cells without nucleus - Eukaryotes (진핵 생물): Multicellular- Nucleus, mitochondria, etc.

eukaryotic cell (진핵세포)

prokaryotic cell (원핵세포)

동물세포

식물세포

세포의 종류 : 비교

원핵세포 진핵세포 (동물세포) 진핵세포 (식물세포)

세포벽(펩티드글리칸),

세포막, 핵영역(nucleoid),

리보솜,세포질...

세포막(원형질막), 핵막(핵)

미토콘드리아. 골지체,소포체

(ER)/리보솜,리소솜, 퍼옥시좀.

세포벽(셀룰로스),세포막 핵막

(핵), 엽록체,미토콘드리아,

액포(vaculos),골지체,소포체,

리보좀,리소솜..

2n 으로 분열(매 ~20 분)

단백질,DNA 과량발현사용

E. coli : 0.5u m x 2.5um

다양한 막으로 분리, 크기는

원핵세포의 101~10

4배

반경 약 25 u m

광합성, 액포(vaculos), 세포벽

(셀룰로스)

Modification 이 없다 인산화, 아데닌화, 탈인산화등

의 mdification, 분화

Modification, 분화

대장균, O-157, 살모넬라

비브리오, 호열/호산균...

Insect cells, 동물세포,

누에, cancer cells...

식물세포

Table 1.3 Comparison of Prokaryotes and Eukaryotes

Organelle Prokaryotes Eukaryotes

Nucle us

Cell membrane

Mitochondria

Endoplasmic reticulum

Ribosome s

Chloroplasts

No definite nucleus; DNApresent but not separate from the rest of the cell

Prese nt

Prese nt Prese nt

None; e nzyme s for oxidationare on plasma membrane

None

Prese nt

None; photosynthesislocalize d in chromatophores

Prese nt

Prese nt

Prese nt

Prese nt in green plants

Table 1.4 Organelles of and Their Function

Lysosomes

Peroxisomes

Cell membrane

Cell wall

Central vacuole

Membrane-bounded sacs containing hydrolytic enzyme s

Sacs that contain e nzymes involved in the metabolismof hydrogen peroxide

Se parate s the ce ll contents from the outside world

Rigid exterior laye r of plant cells

Membrane-bound sac (plant cells )

Mitochondrion

Chloroplast

Endoplasmic reticulum

Site of e nergy-yielding oxidation re actions; hasits own DNA

Site of photosynthesis in green plants and algae;has its own DNA

Continuous me mbrane throughout the cell, roughpart s tudded with ribosomes; site s of protein synthes is

Nucle us Location of main genome & most DNA/RNA synthe sis

Organelle Function

Golgi apparatus

Se rie s of flatte ned membrane s; involve d in secretionof proteins from cells and in reactions that link sugars to other cellular compone nts

The Five Kingdoms (다섯가지의 분류 : 계)

• Monera (원핵생물계)

– only prokaryotic organisms;

bacteria, cyanobacteria

• Protista (원생생물계)

– includes unicellular organisms

yeast, 연두벌레,짚신벌레, Amoeba

• Fungi (균)

- molds & mushrooms

• Plantae (식물계)

• Animals (동물계)