생명현상의 화학적 이해

우주물질탄생/ 생명의 기본물질

생명과학의 이해

1. 우주 물질 탄생

1. 무(無) 에서 탄생한 우주: 양자론으로 볼 때, 137억년 전 시간도 공간도

없는 언덕 맨 꼭대기 무(無) 상태에서「무의 흔들림(영점진동)」에 의해

10-34cm

의 우주가 갑자기 탄생

2. 인플레이션 우주론: 가파른 언덕(우주에 내재하는 진공에너지)을 구르는

것처럼 우주는 아주 짧은 시간에 10100배

로 급격히 팽창한다. 공간 끼리

밀어내는 진공에너지는 인플레이션의 원동력이며, 팽창이 끝날 때 영점진

동이 증폭되어 진공에너지가 사라진 대신 무수히 많은 입자가 자연발생 함

3. 빅뱅 우주 : 인플레이션을 일으켰던 에너지가 열에너지로 전환되어 빛으

로 가득 찬 초고온, 초밀도의 불덩이 우주 빅뱅 탄생하였다. 열에너지는 물

질로 전환되고 이때 반물질도 만들어 졌으며, 물질과 반물질이 만나면 빛

을 방출하고 소멸한다. 반물질은 물질보다 조금 적었기 때문에 우주에는

소멸에서 살아남은 물질만 존재하고 있다.

생명과학의 이해

2

우주

탄생

인플

레이션

빅뱅

우주

1. (Cont.)

생명과학의 이해

3

우리의 몸은 다양한 물질로 만들어져 있다. 그들 물질의 기원은 빅뱅 초기까지 거슬러 올라간다.

물질의 탄생: 빅뱅초기에 만들어진 물질은 쿼크와 전자 등의「소립자」이다.

빅뱅에서 시간이 지나면서 우주의 계속적인 팽창으로 온도는 조금씩 낮아지

고 쿼크가 모여 양성자와 중성자가 만들어지기 시작한다.

우주탄생 후 3분 동안 수소, 헬륨, 리튬, 벨리륨 등 가벼운 원자핵 만들어 졌다.

• 하나의 양성자로 이루어지는 수소 원자핵

• 양성자와 중성자가 결합한 중수소 원자핵

• 양성자와 중성자가 2개씩 결합한 헬륨 원자핵

빅뱅 우주의 빛은 날아다니는 전자와 충돌하기

때문에 직진하지 못하고 산란하여 우주는 불투명했다.

2. 우주 초기 원소

생명과학의 이해

4

우주의 초기 원소는 대량의 「수소」와 「헬륨」만으로 출발했다.

우주 탄생에서 38만년이 지나자 우주의 온도는 3000k까지 낮아졌다. 이

경우 원자핵과 전자가 결합하여 원자가 될 수 있다.

• 수소 원자: 수소 원자핵과 전자 1개 결합

• 중수소 원자: 중수소 원자핵과 전자 1개 결합

• 헬륨 원자: 헬륨 원자핵과 전자 2개 결합

(시원우주: 수소 약 75%, 헬륨 약 25%, 기타 원소 0.1%)

우주의 맑게 갬: 전자가 원자핵에 포획 됨으로써

빛은 산란되지 않고 빛이 직진할 수 있게 되었다.

밀도의 불균일성: 밀도가 높은 부분이 생기면 차츰

물질이 모여들어 현재 존재하는 은하단과 은하의

씨앗이 되었다고 생각하고 있다.

3. 생명의 기본이 되는 무거운 원소 출현

우주가 탄생하고 최초로 생성된 초기의 항성(별)들은 수소와 헬륨 원소 등의 가벼운 원소로 이루어져 있으나, 내부에서는 원소들 간의 핵융합 반응이 일어나 탄소 등의 무거운 원소 등이 만들어 졌다.

• 수소가 원료가 되어 수소와 수소가 결합해 헬륨이 되는 핵 융합 반응

• 항성 내부의 수소가 줄어들면 헬륨이 원료가 되어 탄소가 되는 핵융합반응을 일으킴

• 항성 내부의 헬륨이 줄어들면 탄소가 원료가 되어 원소의 핵융합 반응이 일어나 차례차례 더욱 무거운 원소들이 생성된다.

초신성 폭발: 항성에서 생성된 원소들이 항성의 죽음(폭발)으로 우주로 흩뿌려지며 폭발의 뜨거운 에너지로 항성 내부에서 생성하지 못했던 철과 같은 무거운 원소들도 차례로 생성한다. 우주의 원소들은 항성, 행성 , 생명의 재료로 쓰인다.

생명과학의 이해

5

지구 상의 원소는 시원조성과 크게 다르게 탄소, 질소, 산소, 규소, 철 등의 무거운 원소가 매우 많다. • 탄소는 생명체의 골격을 이루는 원소 • 탄소, 질소, 산소는 생명의 기본이 되는 DNA 를 구성하는 주요 원소

3. (Cont.)

생명과학의 이해

6

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.

Triple alpha process

항성에서 탄소의 합성이 제대로

일어나지 않았다면, 지구를 비롯한

행성과 생명은 태어나지 못했다.

Courtesy Wikipedia. Courtesy Wikipedia.

3. (Cont.)

생물분자의 다양성은 탄소의 성질에 기초를 두고 있다.

생명과학의 이해

7

최외각 전자(valence electrons) 4개

생명체 형성에 있어 탄소의 역할은 화학

물질의 연결 장치

탄소가 다양한 원자들과 결합하여 새로운

복잡한 분자들을 형성(유기화합물)

전자를 공유하거나 내놓아서 최외각

전자가 8개가 되도록 함

유기화합물, 탄화수소, 탄소골격, 이성질체

등과 최초의 유기체 진화를 이끈다.

탄소원자의 핵심적 결합 능력

4. 생명체 주요 원소

생명과학의 이해

8

세포를 구성하고 있는 원소 비율

원소 무게(%)

1. 산소(O) 62.00

주성분 원소

(약 95%)

필수 원소

(약 99.25%)

2. 탄소(C) 20.00

3. 질소(N) 10.00

4. 수소(H) 3.00

5. 칼슘(Ca) 2.50

부성분 원소

(약 4,25%)

6. 인(P) 1.14

7. 염소(Cl) 0.16

8. 칼륨(K) 0.14

9. 황(S) 0.11

10.나트륨(Na) 0.10

11.마그네슘(Mg) 0.07

12.요오드(I) 0.014

13.철(Fe) 0.010

14. 붕소(B), 크롬(Cr)

코발트(Co), 구리(Cu)

불소(F), 몰리브덴(Mo),

망간(Mn) , 셀레늄(Se)

규소(Si), 주석(Sn)

바나듐(V), 아연(Zn)

0.756 미량원소

(약 0.75%)

미량원소

(약 0.75%)

100 100 100

세포를 구성하고 정상적인 기능을

위해 필요한 원소는 약 25종

탄소, 산소, 질소, 수소 들은 세포의

구조물질 단백질, 탄수화물, 지질

분자를 이루는 주성분 원소

부성분 원소와 미량 원소들은 구성

비율은 낮으나, 세포가 정상적인

기능을 발휘하여 생명을 유지하기

위해 반드시 필요한 원소

5. 생명체 주요 분자

생명과학의 이해

9

C H O N P S

생명체의 주요 분자를 구성하는 6대 원소

분자 구성원소

탄수화물 C.H.O

단백질 C.H.O.P.N.S

지질 C.H.O

핵산 C.H.O.P

물 H.O

ATP C.H.O.P.N

생명체의 주요 고분자화합물 (물 제외)

단백질

탄수

화물

핵산

지질 ATP

물

5. (Cont.)

생명과학의 이해

10

세포에서는 몇 종류의 단위분자로 수많은 고분자 유기화

합물을 합성한다.

중합체(polymer): 유기분자(탄소와 결합한 분자)를 사슬로 연결하여 고분

자를 만드는 것

단량체 (monomer) : 중합체를 이루는 단위

탈수합성: 탈수반응 을 통한 단량체 연결

가수분해: 물을 부과하여 단량체 연결을 끊음(탈수합성의 역반응)

5. (Cont.)

생명과학의 이해

11

작용기(Functional Group)

• 화학반응의 중심

• 각각의 유기화합물의 특성을 나타냄

수산기(-OH)

☞ 알코올: 수산기를 가지고 있는 화합물

카르보닐기(-C=O)

☞ 알데히드: 카르보닐기 탄소가 탄소골격 끝에 있는 화합물

☞ 케톤: 카르보닐기 탄소가 탄소골격 내부에 있는 화합물

카르복실기(-HO-C=O)

☞ 카르복실산: 카르복실기를 가지고 있는 화합물

아미노기(-H-N-H)

☞ 아민: 아미노기를 가지고 있는 화합물

6. 단백질

생명과학의 이해

12

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

보건인을 위한 생물학, 2014, 고문사, p24

아미노산의 기본구조

R

글리신 (R=H)

단백질 단량체

6. (Cont.)

생명과학의 이해

13

글루타민산 (R=CH2-CH2-COOH) 알라닌 (R=CH3)

보건인을 위한 생물학, 2014, 고문사, p24

아미노산 측쇄(R)의 화학적 성질은 단백질의 입체구조를 형성하는

요소 중 하나이다. (자발적 자기조직화)

극성 아미노산: 친수성, 단백질 구조의 외측에 위치

비극성 아미노산 : 소수성, 단백질 구조의 내측에 위치

6. (Cont.)

생명과학의 이해

14

보건인을 위한 생물학, 2014, 고문사, p25

6. (Cont.)

생명과학의 이해

15

펩타이드 결합

아미노산 간에 카르복실기(-COOH)와 아미노기(-NH2)기사이의 탈수합성

폴리펩타이드 사슬 형성

보건인을 위한 생물학, 2014, 고문사, p24

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

6. (Cont.)

생명과학의 이해

16

단백질

20여종의 아미노산이 펩티드결합으로 긴 폴리펩티드(polypeptide)

사슬로 연결되고 내부 결합으로 기능적인 입체적 구조를 갖는 유기물

기능: 구조단백질, 효소단백질, 운반단백질, 신호단백질, 저장단백질,

방어단백질, 수축단백질

단백질은 분자량이 수만이 되는 고분자화합물로 분자가 크기 때문에

입체구조는 복잡한 형태가 되며, 입체구조는 온도나 pH의 영향을 받아

구조가 변화됨

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

6. (Cont.)

생명과학의 이해

17

아미노산 폴리펩타이드 단백질

1차 구조 2차 구조 3차 구조 4차 구조

단백질을 구성하고 있는 아미노산의 종류와 배열 순서

(폴리펩티드 사슬의 아미노산 조성과 서열)

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

6. (Cont.)

생명과학의 이해

18

1차 구조 2차 구조 3차 구조 4차 구조

폴리펩티드 사슬에 존재하는 수소결합 방식을 나타내는 구조 (α구조, β구조)

© Jim Clark 2004

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

6. (Cont.)

생명과학의 이해

19

α구조 : 한 폴리펩티드 사슬 내의

수소결합으로 나타나는 나선구조

(ex) 머리카락 캐로틴 단백질

β구조 : 두 폴리펩티드 사슬 간의

수소결합으로 나타나는 병풍구조

(ex) 실크 단백질 α helix

© Jim Clark 2004

β pleated sheet

© Jim Clark 2004

6. (Cont.)

생명과학의 이해

20

1차 구조 2차 구조 3차 구조 4차 구조

불규칙적으로 감기거나 꼬여서 이루어지는 구형의 입체구조

결합력

이온결합(ionic bond)

수소결합(hydrogen bond)

반데르발스 인력(van der Waals)

이황화결합(disulfide bond)

소수력(hydrophobic interaction)

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

6. (Cont.)

이온결합(ionic bond)

반데르발스 인력(van der Waals)

생명과학의 이해

21

수소결합(hydrogen bond)

이황화결합(disulfide bond)

© Jim Clark 2004

6. (Cont.)

생명과학의 이해

22

1차 구조 2차 구조 3차 구조 4차 구조

입체구조를 갖는 여러 개의 폴리펩타이드 분자가 모여서 결합된 구조

myoglobin(3차 구조) hemoglobin (4차 구조)

아미노산

(amino acid)

폴리펩타이드

(polypeptide)

단백질

(protein)

6. (Cont.)

생명과학의 이해

23

유전자 암호

돌연변이

아미노산

종류변화

단백질

구조의 변화

단백질

기능의 변화

Sickle Cell Anemia 정상적혈구

혈관 내 이동이 원활함

겸상적혈구

혈관 을 막아 흐림이 원활하지

못함

7. 핵산(DNA & RNA)

생명과학의 이해

24

보건인을 위한 생물학, 2014, 고문사, p26

＋ ＝

nucleoside

RNA 단량체

nucleotide

뉴클레오시드

(nucleoside)

뉴클레오티드

(nucleotide)

핵산

(nucleic acid)

＋ ＝

deoxynucleoside deoxynucleotide

DNA 단량체

7. (Cont.)

생명과학의 이해

25

뉴클레오시드

(nucleoside)

뉴클레오티드

(nucleotide)

핵산

(nucleic acid)

핵산 단백질(아미노산) 정보를 제공하는 중합체

중합체 형성 방법

단량체(뉴클레오티드) 간 인산-2-에스테르(phosphodiester)

결합으로 polynucleotide 형성

RNA: 한 가닥의 polynucleotide

DNA : 두 가닥의 polynucleotide

염기간 수소결합 : A = T(U) C ≡ D

생명과학의 이해

26

7. (Cont.)

Stockfreeimages.com

7. (Cont.)

생명과학의 이해

27

RNA DNA

R

R

R

R

R

R

5’end 5’end

5’end

3’end

3’end 3’end 구분 한 가닥 2중 나선구조

위치 핵과 세포질 핵 내에 존재

역할 단백질 합성관여 단백질 유전정보

내용 mRNA tRNA rRNA 아미노산 및 복제 시작과 종료암호: 3개 염기 조합

7. (Cont.)

생명과학의 이해

28

정보의 저장

7. (Cont.)

생명과학의 이해

29

유전암호(Codon) DNA를 전사하는 mRNA의 3염기 조합

1967년 유전암호 해독 완료

mRNA

생명과학의 이해

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인간게놈 완성

게놈(genome): 한 생물이 가지는 모든 유전

정보

2003년 4월 14일, 인간 게놈 프로젝트에

참여한 6개국 과학자들이 인간의 유전적

청사진인 인간 게놈지도를 99.99% 정확도로

완성했다고 발표했다.

30억년의 진화 끝에 1개 세포에서 성년기를 거쳐 무덤까지 가는 과정의 명령집합을 갖게 됐다.

-인간게놈 프로젝트에 참여했던 로버트 워터스톤 박사

7. (Cont.)

정보의 발현(단백질 합성)

생명과학의 이해

31

• DNA : 단백질 암호정보(아미노산 암호 정보)

• mRNA: 전령 RNA(단백질 암호정보 복사체)

• tRNA : 운반 RNA(단백질 암호정보 해독 및 아미노산 운반)

• rRNA : 리보솜 RNA(ribosom과 함께 단백질 합성)

• A : tRNA가 들어오는 자리

• P: 아미노산 사이 펩타이드

결합이 일어나는 자리

• E: tRNA가 떠나는 자리

Courtesy Wikipedia.

8. ATP

ATP(Adenosine Triphosphate) 고에너지 인산화합물(ATP 외에 GTP, 크레아틴인산 등)

생체 내에서 화학반응을 일으키기 위한 에너지원

인산의 가수분해로 에너지발생 ATP+H2O → ADP+인산(Pi)+7.3kcal

• 표준에너지 변화 7.3kcal/mol

• 생체 내에선 마그네슘 이온 농도 등의 영향을 받아 11~13kcal/mol의 자유

에너지 방출

생명과학의 이해

32

Ribose

Adenosine

P P P

a lot of energy little bit energy

some energy

AMP

ADP

ATP

8. (Cont.)

생명과학의 이해

33

화학반응과 에너지

X Y ＞ X는 Y보다 큰 자유에너지를 갖는다.

X Y

E

X Y ATP ADP

E

X Y

X Y

E

1. 발에르곤 반응 (Exergonic reaction)

2. 흡에르곤 반응 (Endergonic reaction)

3. 공역반응

(Coupled reactions)

• 에르곤(ergon): 일

• 발에르곤 반응: 자발적 반응, X가 Y이로 변할 때 열과 에너지를 방출하는 화학반응

• 흡에르곤 반응: 비자발적 반응, Y 가 X 로 변할 때 에너지를 필요로 하는 대부분의 화학반응 • 공역반응: 에너지가 주어지지 않으면 반응이 자발적으로 일어나지는 않으나, 에너지를 발생시키는

ATP의 분해가 동시에 일어나면, 그 에너지를 받아 반응을 진행시킬 수 있는 화학반응

8. (Cont.)

생명과학의 이해

34

생명활동 에너지

생명활동 에너지

ATP

ATP

아미노산 단백질

포도당 CO2, H2O

호흡(이화작용)

합성(동화작용)

공역반응

9. 물

H2O 분자

극성 공유결합 분자

전기음성도가 서로 다른 산소와

수소원자의 공유결합으로 형성

전기음성도가 큰 산소는 수소보

다 전자를 훨씬 강하게 끌어당겨

공유전자가 산소가까이에서 불

균등하게 더 많은 시간을 보내는

극성분자

생명과학의 이해

35

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9. (Cont.)

물 수소결합으로 H2O 분자들이 결합됨

수소결합력은 생명체의 화학반응에 중요한 약한 결합력을 갖음

물은 쉽게 깨져 이온화됨(H+ OH-)

H+ OH- 이온은 반응성이 크며, 이 두 이온의 균형은 생명체에서 일어나는 화학반응에 매우 중요

H+ OH- 농도 (PH값)는 생명현상에 민감한 효소 반응 등에 영향을 미침

생명과학의 이해

36

Courtesy Wikipedia

물 분자 극성성질은 용매로 작용하게 하고 다양한 용질을 녹여 용액을 형성함

액체 상태의 물은 수소결합으로 응집력을 가짐(물의 수송, 흡착)

액체 상태의 물은 수소결합으로 온도변화에 저항하는 능력이 뛰어남

Hydrogen

bond

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