생화학 및 세포 구성

생화학 및 세포 구성

• 생화학은 생체 분자에 대한 연구입니다.
• 생물체는 생체 분자로 구성됩니다.
• 영양소는 생물체가 에너지를 만드는 데 사용됩니다.
• 살아있는 생물은 왕국과 형태에 따라 분류됩니다.
• 생물체는 세포로 구성되어 있습니다.
• 세포는 진핵세포 또는 원핵세포일 수 있습니다.
• 진핵세포는 복잡한 세포입니다.
• 원핵세포는 단순한 세포입니다.
• 세포는 막으로 둘러싸인 세포 소기관을 포함합니다.
• 세포 소기관은 막으로 둘러싸여 있습니다.
• 세포 소기관은 핵으로 둘러싸인 DNA를 포함합니다.
• 세포질은 DNA를 함유하고 있습니다.
• 복잡한 분자는 단순한 분자에서 형성됩니다.
• 다당류는 탄수화물로부터 형성됩니다.
• 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오티드로부터 형성됩니다.
• 단백질은 아미노산에서 형성됩니다.
• 지질은 세포막의 구성 성분입니다.

세포 분화

• 분화는 세포가 조직, 기관 및 기관계를 형성하는 과정입니다.

분자적 구성 단계

• 1 단계: 단량체 단위(monomeric units)
  • 뉴클레오티드
  • 아미노산
  • 당류
• 2 단계: 거대 분자(macromolecules)
  • DNA
  • 단백질
  • 셀룰로오스
• 3 단계: 거대 분자 복합체(Supramolecular complexes)
  • 염색체
  • 원형질막
  • 세포벽
• 4 단계: 세포와 그 소기관(The cell and its organelles)

단량체 서브유닛

• 영어 알파벳은 26개의 다른 종류의 문자를 가지고 있습니다.
• 데옥시리보뉴클레오티드는 4가지 종류가 있습니다.
• 아미노산은 20가지 종류가 있습니다.
• 8개의 서브유닛으로 구성된 부분에서 가능한 다른 서열의 수는 다음과 같습니다.
  • 영어 단어의 경우 2.1 x 10^11 (26^8) 입니다.
  • 데옥시리보핵산(DNA)의 경우 65,536개 (4^8)입니다.
  • 단백백질의 경우 2.56 x 10^10 (20^8) 입니다.

항상성

• 항상성은 내부 환경의 안정성을 유지하는 과정입니다.
• 아미노산의 전구체는 합성되어 적혈구 내에서 헤모글로빈을 형성합니다.
• 헤모글로빈은 아미노산으로 분해됩니다.
• r1 = r2일 때 혈색소의 농도는 일정합니다.
• 음식(탄수화물)은 섭취되어 혈액 내의 포도당을 생성합니다.
• 포도당은 활용되어 이산화탄소, 저장 지방 및 기타 제품을 생성합니다.
• r1 = r2 + r3 + r4일 때 혈당 농도는 일정합니다.

몇 가지 기본 주제

• 모든 생물은 동일한 유형의 생체분자를 사용하며, 모든 생물은 에너지를 사용합니다.
  • 그 결과, 모든 생물은 화학과 물리학의 방법을 사용하여 연구할 수 있습니다.
• 모든 유형의 세포의 근본적인 유사성은 생명의 기원에 대해 추론하는 데 흥미로운 점을 제시합니다.
  • 세포와 세포를 구성하는 생체 분자는 궁극적으로 H2O, NH3, CO2, N2, H2와 같은 매우 단순한 분자에서 발생했을 것입니다.

에너지 전환

• 잠재에너지의 예는 다음과 같습니다.
  • 환경 속의 영양분(설탕, 지방 등 복합 분자)
  • 햇빛
• 에너지 전환은 다음과 같은 세포 작업을 수행합니다.
  • 화학 합성
  • 역학적 작업
  • 삼투압 및 전기적 기울기
  • 빛 생산
  • 유전 정보 전달
• 에너지 전환은 또한 다음과 같은 Heat을 생성합니다.
• 대사는 CO2, NH3, H2O, HPO4와 같은 연료 분자보다 단순한 화합물을 생성합니다.
• 단순 화합물은 중합화되어 DNA, RNA, 단백질과 같은 정보가 풍부한 거대 분자를 형성합니다.

광합성 및 세포 호흡

• 햇빛은 모든 생물학적 에너지의 근원입니다.
• 광합성 유기체는 생물권에서 연료의 궁극적인 공급원입니다.
• 식물, 조류 및 박테리아에서 광합성이 일어납니다.
• 동물, 식물, 조류 및 박테리아에서 세포 호흡이 일어납니다.
• 광합성은 이산화탄소를 필요로 합니다.
• 세포 호흡은 환원 연료와 산소를 필요로 합니다.

에너지 결합

• 기계적 및 화학적 과정에서 에너지가 결합됩니다.
• 기계적 예시의 경우, 물체를 들어 올리는 데 에너지가 사용됩니다.
• 화학적 예시의 경우, ATP는 ADP와 Pi로 분해됩니다.
• 글루코스는 ATP와 결합하여 글루코스 6-포스페이트와 ADP를 생성합니다.

생체분자

• 유기화학은 탄소화합물을 연구하는 학문입니다.
  • 살아있는 생물의 세포 기관은 탄소 화합물로 구성됩니다.
  • 생체 분자는 유기화학의 연구 대상의 일부입니다.
  • 생체분자의 반응은 유기화학의 방법을 통해 설명될 수 있습니다.
• 작용기(Functional group): 분자 내에서 특징적인 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 원자 또는 원자 그룹

주요 작용기

• 알켄: RCH=CH2, RCH=CHR, R2C=CHR, R2C=CR2, 이중 결합(C=C)을 포함하고, 예는 CH2=CH2입니다.
• 알코올: ROH, 수산기(-OH)를 포함하고, 예는 CH3CH2OH입니다.
• 에테르: ROR, 에테르 연결(-O-)을 포함하고, 예는 CH3OCH3입니다.
• 아민: RNH2, R2NH, R3N, 아미노기(-N)를 포함하고, 예는 CH3NH2입니다.
• 티올: RSH, 술프히드릴기(-SH)를 포함하고, 예는 CH3SH입니다.
• 알데히드: RCHO, 카르보닐기(C=O)를 포함하고, 예는 CH3CHO입니다.
• 케톤: RCOR, 카르보닐기(C=O)를 포함하고, 예는 CH3COCH3입니다.
• 카르복실산: RCOOH, 카르복실기(-COOH)를 포함하고, 예는 CH3COOH입니다.
• 에스테르: RCOOR, 에스테르기(-COOR)를 포함하고, 예는 CH3COOCH3입니다.
• 아미드: RCONR2, 아미드기(-CONR2)를 포함하고, 예는 CH3CON(CH3)2입니다.
• 인산 에스테르: ROPO3H2, 포스포에스테르기(-OPO3H2)를 포함하고, 예는 CH3OPO3H2입니다.
• 인산 무수물: (RO(PO3H)O(PO3H)OH), 인산 무수물기(P-O-P)를 포함하고, 예는 HO(PO3H)O(PO3H)OH입니다.
• 메틸: R-CH3
• 에틸: R-CH2-CH3
• 페닐: R-C6H5
• 아미노: R-NH2
• 아미도: R-CO-NH2
• 구아니디노: R-NH-C(NH)-NH2
• 설프히드릴: R-SH
• 이미다졸: R-C=CH-NH-C=N-H
• 디설파이드: R1-S-S-R2
• 에스테르: R1-CO-O-R2
• 포스포릴: R-O-PO(OH)2
• 에테르: R1-O-R2
• 티오에스테르: R1-CO-S-R2

생명의 기원

• 표 1.1은 중요한 원소의 상대적 풍부도를 보여줍니다.
• 원소는 생물체 내와 우주 내의 풍부도에 따라 나열됩니다.
• 탄소를 1000개의 원자 기준으로 상대적인 원자 수로 계산됩니다.
• 수소(H)는 생물체 내에서 80-250, 우주 내에서 10,000,000입니다.
• 탄소(C)는 생물체 내에서 1,000, 우주 내에서 1,000입니다.
• 질소(N)는 생물체 내에서 60-300, 우주 내에서 1,600입니다.
• 산소(O)는 생물체 내에서 500-800, 우주 내에서 5,000입니다.
• 표 1.1은 또한 다음 원소들의 상대적 풍부도를 나타냅니다.
  • 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 인(P), 황(S), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 망간(Mn), 철(Fe), 아연(Zn)
• 초기 지구 대기권에 존재했던 가스는 NH3, H2S, CO, CO2, CH4, N2, H2, H2O를 포함합니다.
• 실험은 단백질과 핵산과 같은 중요한 생체 분자가 이러한 간단한 화합물의 반응하에서 비생물적 (살아 있지 않은) 조건에서 발생할 수 있음을 입증했습니다.
  • 반응은 지구와 바다에서, 또는 점토 입자 표면에서 일어났을 수 있습니다.
• 살아있는 세포는 단백질, 핵산, 다당류와 같은 매우 큰 분자를 포함합니다.
  • 이러한 생체 분자는 폴리머입니다(그리스어: poly + meros, many + parts).
  • 폴리머는 모노머에서 파생됩니다(그리스어: mono + meros, single + part).
    • 아미노산 -> 단백질
    • 뉴클레오티드 -> 핵산
    • 단당류 -> 다당류
• 효소는 단백질의 일종으로, 생체 촉매입니다.
  • 효소의 촉매 효과는 아미노산 서열에 따라 다릅니다.
• 유전부호는 핵산의 뉴클레오티드 서열과 단백질의 아미노산 서열 사이의 관계입니다.
  • 생명의 기원에 대한 이론은 이러한 코딩 시스템이 어떻게 발생했을지 고려합니다.

생체분자의 역할

• 아미노산: 단백질, 펩타이드 호르몬, 신경전달물질, 독성 알칼로이드로 이어집니다.
• 아데닌: 핵산, ATP, 조효소, 신경전달물질을 만듭니다
• 팔미트산: 막지질, 지방, 왁스를 만듭니다.
• 글루코스: 셀룰로오스, 전분, 과당, 만노스, 사카로스, 락토오스를 만듭니다

선형 대사 경로

• 효소는 대사 경로에서 작용합니다.
• 대사 경로는 일련의 반응입니다.
• 에너지 투입이 필요한 반응을 흡열반응 또는 비자발적 반응이라고 합니다.
• 에너지를 방출하는 반응을 발열반응 또는 자발적 반응이라고 합니다.

동화작용 및 이화작용

• 저장된 영양소, 섭취한 음식 및 태양 광자는 이화 작용 경로에 기여합니다.
• 이화 작용 경로로 부터 ADP가 방출
• 이화 작용 경로를 통해 이산화탄소, 암모니아 및 물이 방출됩니다.
• ATP는 동화 작 경로에 기여합니다.
• 동화 작용 경로는 복잡한 생체 분자 및 세포 수준의 작업을 수행합니다.

DNA의 상보적 구조

• DNA는 상보적인 구조를 가지고 있습니다.
• DNA는 두 개의 가닥으로 구성되어 있습니다.
• DNA 가닥은 뉴클레오티드로 구성되어 있습니다.
• 뉴클레오티드는 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C), 구아닌(G)으로 구성되어 있습니다.
• A는 T와 짝을 이루고, C는 G와 짝을 이룹니다.

RNA의 진화

• RNA는 스스로 복제할 수 있습니다.
• RNA는 촉매 역할을 할 수 있습니다.
• RNA는 점점 더 복잡해지면서 단백질 합성의 촉매가 되었습니다.

단백질 합성과정

• DNA 서열은 RNA 서열로 전사됩니다.
• RNA 서열은 리보솜에서 단백질 서열로 번역되고 단백질 접힘되어 고유한 형태를 띕니다.
• 단백질은 초분자 구조를 형성합니다.

지구 생명 진화의 랜드마크

• 45억 년 전: 지구의 형성
• 40억 년 전: 바다와 대륙의 형성
• 35억 년 전: 광합성을 하는 산소 생산 시아노박테리아, 광합성을 하는 황 박테리아, 메탄 생성균
• 25억 년 전: 호기성 박테리아, 산소가 풍부한 대기의 발달
• 15억 년 전: 진핵생물
• 10억 년 전: 세포 내 공생 (미토콘드리아, 플라스티드)
• 5억 년 전: 다세포 진핵생물의 다양화 (식물, 균류, 동물)

유기체의 분류

• 유기체는 에너지원(햇빛 또는 산화성 화학 화합물)과 세포 물질의 합성을 위한 탄소원천에 따라 분류할 수 있습니다.
• 광합성 생물(Phototrophs)은 빛에서 에너지를 얻습니다.
• 화학 합성 생물(Chemotrophs)은 화학 화합물에서 에너지를 얻습니다.
• 독립 영양 생물(Autotrophs)은 이산화탄소(CO2)에서 탄소를 얻습니다.
  • 독립 영양 생물의 예시는 다음과 같습니다.
    • 시아노박테리아
    • 식물
• 종속 영양 생물(Heterotrophs)은 유기 화합물에서 탄소를 얻습니다.
  • 종속 영양 생물의 예는 다음과 같습니다.
    • 자줏빛 세균
    • 녹색 세균
• 무기 영양 생물(Lithotrophs)은 무기 화합물에서 에너지를 얻습니다.
  • 무기 영양 생물의 예는 다음과 같습니다.
    • 유황 세균
    • 수소 세균
• 유기 영양 생물(Organotrophs)은 유기 화합물에서 에너지를 얻습니다.
  • 유기 영양 생물의 예는 다음과 같습니다.
    • 대부분의 원핵 생물
    • 모든 비 광합성 진핵 생물

원핵생물과 진핵생물의 비교

• 원핵생물: 그리스어에서 유래, 핵 이전이라는 의미
  • 단세포 유기체
  • 박테리아(세균)와 시아노박테리아(남세균)를 포함
• 진핵생물: 그리스어에서 유래, 참 핵이라는 의미
  • 핵막으로 둘러싸인 잘 정의된 핵을 가짐
  • 효모 및 Paramecium과 같은 단세포일 수 있고, 동물과 식물과 같은 다세포일 수 있습니다.
• 리보솜: 진핵생물의 리보솜보다 작지만, 동일한 기능인 RNA 메시지로부터 단백질 합성을 수행합니다.
• 세포질: 액체성 세포 내용물과 부유 입자와 세포 소기관입니다.
• 핵양체(Nucleoid, 박테리아): 단일하고 단순하며 긴 원형 DNA 분자를 포함합니다.
• 원형질막: 질기고 유연한 지질 이중층입니다. 극성 물질에 선택적으로 투과합니다. 운반, 신호 수신, 효소 등 기능을 하는 막 단백질을 포함합니다.
• 세포막: 세포 소기관이 있습니다.
• 섬모: 다른 세포 표면에 부착할 수 있는 부위입니다.
• 편모: 세포를 주변으로 이동시킵니다.
• 세포벽: 세균 종류에 따라 구조가 다릅니다.

진핵세포와 원핵세포의 차이점 (표 1.3)

• 핵
  • 원핵세포: 정해진 핵이 없으며 DNA가 존재하지만 세포의 나머지 부분과 분리되지 않습니다.
  • 진핵세포: 존재합니다.
• 세포막
  • 원핵세포: 존재합니다.
  • 진핵세포: 존재합니다.
• 미토콘드리아
  • 원핵세포: 없음; 산화 효소가 플라즈마 막에 있습니다.
  • 진핵세포: 존재합니다.
• 소포체
  • 원핵세포: 없음
  • 진핵세포: 존재합니다.
• 리보솜
  • 원핵세포: 존재합니다.
  • 진핵세포: 존재합니다.
• 엽록체
  • 원핵세포: 없음; 광합성이 색체모 세포에서 일어납니다.
  • 진핵세포: 녹색 식물에 존재합니다.

진핵세포와 원핵세포 특징 비교(표 2-1)

전형적인 동물세포의 구조

• 세포막: 핵
• 리보솜이 부착된 소포체
• 골지체
• Lysosome
• 미토콘드리아

전형적인 식물세포의 구조

• 세포막: 핵
• 엽록체
• 소포체
• 골지체
• 세포벽

전형적인 박테리아 세포의 구조

• 세포막: 핵
• 플라스마 막
• 세포벽

세포 소기관과 그 기능 (표 1.4)

5개의 왕국

• Monera: 원핵성의 유기체만 포함, 세균과 시아노박테리아를 포함
• Protista: 효모, 유글레나, 볼복스, 아메바, 파라메슘과 같은 단세포성 유기체 포함
• Fungi: 곰팡이와 버섯을 포함
• Plantae
• Animalia

진핵세포의 진화

• 식물, 균류, 동물 등 진핵세포의 공통 조상
• 공생 체계는 세포 외부에서 일어날 수 없는 대사를 수행할 수 있습니다. 박테리아 유전자의 일부는 핵으로 이동하고 세균 내 공생체는 미토콘드리아가 됩니다. 그럴 때, 세포는 산소를 사용해서 더 효율적으로 에너지를 만들 수 있습니다.
• 한 세균이 조상 진핵 세포에서 포식되었고 그 안에서 증식합니다.
• 조상 혐기성 진핵 세포
• 호기성 진핵 세포
• 시아노박테리아 게놈
• 일부 시아노박테리아 유전자는 핵으로 이동하고, 그 내공생체는 색소체가 됩니다.

세포 공통 기반

• 진핵 세포는 복잡합니다. 이러한 세포가 어떻게 가장 단순한 조상에서 나왔을까?
• 상리 공생: 두 유기체 간의 공생 결합은 원래 유형의 특성을 결합한 새로운 유기체를 만들어 냅니다.
  • 곰팡이와 조류로 구성된 이끼
  • 콩과 식물과 혐기성 질소 고정 박테리아로 형성된 뿌리 혹 시스템
  • 장내에 사는 대장균(Escherichia coli)과 같은 사람과 박테리아
• 유전적 공생은 숙주 세포가 유전적으로 결정된 수의 더 작은 유기체를 포함하는 것 입니다.
  • 편모충류 Cyanophora paradoxa는 시아노박테리아를 함유한 진핵성 숙주입니다. (숙주 내에 들어있는 더 작은 유기체) 내공생성은 엽록체의 기원에 대한 모델로 여겨집니다.
  • 유사한 모델이 미토콘드리아의 기원에 대해 제안될 수 있습니다. 큰 혐기성 숙주 세포는 더 작은 호기성 박테리아를 받아들입니다.
  • 혐기성 호기성 박테리아를 동화시킨 큰 단세포 유기체는 결국 박테리아에서 미토콘드리아로 진화했고, 결국 동물로 진화하게 됩니다.
• 다른 종류의 단세포 유기체는 호기성 박테리아와 시아노박테리아를 모두 동화시켰고, 미토콘드리아와 엽록체를 모두 진화시켜 결국 녹색 식물을 만들어냈다.
• 원핵 생물과 진핵 생물 간의 이러한 제안된 연결은 완전한 확신을 가지고 확립되지 않았습니다.
• 하지만 세포에서 일어나는 반응들을 고려하는데 있어서 여전히 흥미로운 틀을 제공합니다.