레닌저 생화학 8판. 5가지 생화학 기반(세포, 화학, 물리, 유전, 진화)

[문형철]

생화학은

'수천 종의 생체분자(Biomolecule)들이

눈에 띄게 두드러진 생명체의 특성을 나타내기 위해서 어떻게 상호작용을 하는가?'

라는 질문에 대한 이론을 정립하는 학문

생화학 연구목적

'생명체를 구성하는 생명이 없는 분자들이

생명현상을 유지하고 영속적으로 살아기기 위해

무생명적 우주를 지배하는 물리-화학적 법칙에 의해 어떻게 상호작용을 하는지를 보여준다'

생화학은

'모든 생물들이 공유하는 구조, 기전 그리고 화학반응들을 분자수준에서 기술하고,

다양한 형태를 가지고 있는 모든 생명 현상에 깔려있는 공통적인 원리들을 제공한다'

생화학 탐구 5가지 영역

1. 세포적 기반

2. 화학적 기반

3. 물리적 기반

4. 유전적 기반

5. 진화적 기반

1. 세포적 기반 생화학

다세포 생물은

'여러 종류의 세포로 구성되어 있고 그 크기와 모양이 다르고 고유의 기능을 가지고 있다. 

그럼에도 불구하고, 모든 생명체를 구성하는 세포는

생화학 수준에서 알 수 있는 것처럼 근본적으로 공통적인 특성을 공유하고 있다'

세포는 모든 생명체의 구조적 기능적 단위이다.

세포막(형질막, plasma membrane)

세포질(cytoplasm)

세포액(cytosol)

세포액에는 대사물질, 보조효소, 무기물의 이온(K+, Na+, Mg2+, Ca2+)등을 포함.

메타인지?

--> 세포막을 자유롭게 왕래하는 물질 vs 확산하는 물질 vs 에너지가 있어야 왕래하는 물질 알아야

모든 세포는 핵(nucleus)가 있고,

핵안에 유전체(genome)가 들어 있으며,

이 유전체는 복제되고 저장이 가능한 DNA와 결합 단백질로 구성. 

기억 : 세포 핵안에 유전체가 있는데, 크기와 모양이 다양햔 22쌍의 chromosome+XY chromosome(염색체)가 있음. 

          1번 염색체 3000개 gene(유전자), 22번 염색체 800개 유전자

           X 염색체 1400개 유전자, Y 염색체 200개 유전자

          유전자 Gene = segment of DNA

세포 대사과정 해당작용, TCA 회로 .. 아미노산 생성...

메타인지?

20여개 아미노산이 만들어지는 과정 알아야!!

더 나아가 아미노산 보충제의 효용 탐구해야... 타우린, 글리신 선정!!

https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Biochemistry/Fundamentals_of_Biochemistry_(Jakubowski_and_Flatt)/02%3A_Unit_II-_Bioenergetics_and_Metabolism/22%3A_Biosynthesis_of_Amino_Acids_Nucleotides_and_Related_Molecules/22.02%3A_Biosynthesis_of_Amino_Acids

세포의 크기는 확산에 의해 제한받는다

세포크기의 상한은 세포속으로 영양분의 수송속도와 노폐물의 배출속도에 의해 결정

동물세포는

고도로 접혀있거나 구불구불한 표면을 가짐으로써

표면적 대비 용적의 비율을 높여 주위 환경으로부터 물질 흡수율 제고가 가능하게 하였다. 

진핵세포는 다양한 막성 소기관을 가지고 있다. 

Mitochondria

Endoplasmic reticulum

Golgi complexes

Peroxisome

Lysosome

Ribosome

세포질은 세포골격으로 이루어져 있으며, 지극히 동적이다

세포질에는 3차원의 그물구조가 있는데, 이를 세포골격(cytoskeleton)이라고 함.

actin filament

microtubule

intermediate filament

세포내에서 이들 섬유의 위치는 고정되어 있지 않고 유사분열, 세포질분열, 아메바 운동, 세포모양의 변화 등의 변화에 따라 극적으로 변함. 

동물세포 크기 20~50um

미토콘드리아 크기 1um

리보솜 20nm

헤모글로빈 크기 5.5nm

DNA 2.5nm

알라닌 아미노산 0.5nm

단백질, 핵산 그리고 다당류를 구성하는 단일체 소단위는 공유결합으로 연결

그러나 초거대분자를 이루는 거대분자들 사이의 결합은 비공유 결합으로 연결

   수소결합, 이온상호작용, 소수성 상호작용, 반데르발스 힘

2. 화학적 기반 생화학

생명체 90여종의 원소 중에서 약 30종 이하의 원소만이 생물에게 필수적임.

H, O, N, C 4종류가 거의 대부분 세포에서 99%의 중량을 차지.

미량원소들은 인체에 있어서 중량은 적지만 생명현상에 필수적임. 

이들 원소는 효소를 비롯한 특정 단백질 기능에 필수적이기 때문.

대량 원소(연한 빨간색 음영)는 세포와 조직의 구조적 구성 요소이며 식단에서 매일 그램 단위로 필요합니다. 미량 원소(노란색 음영)의 경우, 요구량은 훨씬 더 적습니다. 사람의 경우 하루에 몇 밀리그램의 Fe, Cu, Zn이 필요하고 다른 원소들은 그보다 훨씬 적습니다. 식물과 미생물의 원소 요구량은 여기에 표시된 것과 비슷하지만 원소를 섭취하는 방식은 다릅니다.

철분, 구리, 아연 : 하루 몇 mg이 필요

생체분자는 여러가지 작용기들이 갖는 '탄소화합물'

탄소원자가 형성할 수있는 4개의 단일결합은

결합사이의 각도가 약 109.5도,

길이는 평균 0.154nm

공유결합으로 연결된 탄소원자들은

곧은 사슬(linear chain), 가지 사슬(branched chain), 고리(cyclic) 구조 등을 형성

이처럼, 탄소가 갖는 결합의 다양성이 생명체의 기원과 진화의 과정에서 세포의 분자적 기계장치를 위한 탄소화합물의 선택에 있어서 주요한 요인이 됨.

탄소 이외에 어떤 화학원소도

탄소처럼 매우 다른 크기, 모양, 조성 등을 가지고 있는 분자를 형성할 수 없음. 

전형적인 유기화합물의 종류

하이드록실기(R-O-H)를 가지고 있는 알콜화합물

아미노기(NH3)를 가지고 있는 아민 화합물

카보닐기를 가지고 있는 알데하이드와 케톤화합물

카르복실기를 가지고 있는 가복실산 화합물

모든 세포액에는

수천가지의 서로 다른 작은 유기분자들(분자량 100에서 500)이

나노몰에서 밀리몰 단위의 농도록 용해되어 있음. 

이것들은 거의 모든 세포에서 일어나는 주요 경로들의 중요한 대사물들임. 

이와같은 분자집단에는

각종 아미노산, 뉴클레오타이드, 당 및 그것의 인산화 유도체,

수많은 종류의 모노-, 다이-, 트라이-, 카르복실산이 포함.

이들 분자들은 극성이거나 전하를 띠거나 수용성임.

특정 막 운반체들이

일부 분자들은 세포 안이나 밖, 또는 진핵세포에서 세포내 소기관 사이를 이동할 수 있도록 하지만,

이들 분자들은 형질막을 투과할 수 없어 세포안에 갇혀 있음. 

대사체학(metabolomics)

대사체학은 특정한 상황(약물이나 인슐린 같은 생물학적 신호를 투여하고 난 후의 상황)에서

대사체의 전체적인 특성화를 수행하는 연구

거대분자들이 세포의 주요 구성성분

많은 생명분자들은

비교적 단순한 전구체가 모여서 이루어진 분자량이 ~5,000이상인 중합체

즉 거대분자(macromolecules)들임

작은 중합체는 oligomer(소중합체)라 불림

단백질, 핵산, 다당류는 분자량이 500이하의 비교적 작은 화합물의 중합에 의해 만들어진 것임.

거대분자의 합성은 세포의 주요한 에너지 소모과정

거대분자는 그것 자체가 다시 모여 초거대분자 복합체가 되어 리보소체와 같은 기능적 단위를 만듬. 

단백질은

아미노산 중합체로

세포안에서 물분자를 제외하고 가장 많은 구성성분

어떤 단백질은 촉매기능을 가지는 효소로서 기능, 

                        생명체의 구조 성분, 신호 수용체 또는 세포 안팎으로 특이한 성분을 운반하는 수송체로 작용

모든 생체분자 중에서 단백질은 가장 기능이 다양함. 

단백체학(proteomics)

단백체학은 특정한 상황에서 이러한 단백질들의 전체적인 특성화를 수행하는 연구

핵산인 DNA와 RNA는 뉴클레오타이드의 중합체

그것들은 유전정보를 저장하고 전달하며,  어떤 RNA 분자들은 초거대분자 복합체에서 구조 및 촉매역할을 함. 

유전체학(Genomics)

유전체학은 유전체의 비교 구조, 기능, 진화와 매핑에 대한 특성화를 수행하는 학문

포도당과 같은 단당들의 중합체인 다당(polysacharides)은

3가지 주요 기능인

에너지 생성 연료의 저장체 기능,

특정 단백질에 특이 결합자리를 갖는 세포 밖의 인식구조 성분기능임. 

짧은 단당 중합체(소당)는

세포 표면에서 단백질 또는 지질과 결합하여 특이적인 세포 신호분자로 작용

불용성의 탄화수소 유도체인 지질(lipid)은

막의 구성성분,

에너지 생성 연료의 저장체,

색소,

세포내 신호 분자 등의 역할을 함. 

단백질, 뉴클레오타이드, 다당 그리고 지질 등을 구성하는 단일체 소단위의 수는 대단히 많음. 

단백질의 분자량은 5,000에서부터 100만을 넘는 것도 있으며, 

핵산은 수십억이고, 녹말과 같은 다당도 수백만에 이름. 

개개의 지질 분자는

대단히 작으며(분자량 750~1,500),

거대분자로는 분류되지 않지만

많은 지질 분자가 비공유 결합으로 결합하면

결과적으로 대단히 큰 구조가 됨.

세포막은

수많은 비공유결합성 지질분자들의 집합체와 단백질 분자들로 이루어져 있음. 

이성질체

생체분자 사이의 반응은 '입체특이적'

생체분자들이 상호작용할 때, 이들간의 적함(fit)은 입체화학적으로 정확함을 의미하며, 이들은 서로 상보적임. 

크고 작은 생체분자의 3차원 구조는 그들의 생물학적 상호작용에서 매우 중요함. 

3. 물리적 기반 생체역학

세포내에서 일어나는 합성반응은 에너지의 투입을 필요로 함. 

세포 열역학 .. 13장 

생물은 동적 항정상태로 존재하며, 결코 주변환경과 평형을 이루지 않는다.

살아있는 생물에 들어 있는 분자와 이온들은 그 주변의 것들과는 종류나 농도에서 서로 다름.

하지만 모두 끊임없이 변화하는환경에 대처하여 일정한 내부환경 조성을 유지

작은 분자나 거대분자 그리고 초거대분자에 이르기까지

모든 분자들은 끊임없이 합성되거나 분해되는데,

이러한 반응계에서 물질과 에너지의 끊임없는 흐름이 일어난다. 

살아있는 생명체는

개방 반응계(open system)이므로,

그들은 주위 환경과 에너지 및 물질 모두를 교환하고 있음.

열역학 법칙은 물리, 화학에서 발전된 것이지만 생물계에도 완전히 들어맞음. 

엔트로피 법칙

무질서도의 증가, 자유에너지 감소

공통의 중간체를 통한 자유에너지 감소 반응과 자유에너지 증가 반응의 짝지음은 생명체계에서 에너지 교환의 핵심

세포에서 에너지를 방출하는 ATP 분해 반응은 여러 자유에너지 증가 반응을 진행시키게 함.

모든 살아있는 세포들은 평형 농도 이상의 ATP농도를 유지하여야 함

세포에서 ATP의 분해는 자유 에너지감소 반응임. 

이러한 비평형에 의해 모든 세포에서 ATP가 화학에너지 운반체로 작용하게 하는 것임.

효소는

일련의 여러가지 화학반응을 촉진

모든 세포의 화학반응은 생체 촉매인 효소(enzyme)의 존재로 인해 측정이 가능한 속도로 일어남.

몇가지를 제외하고는 세포의 촉매제는 '단백질'임. 26, 27장 주제

각 효소는 특이한 반응을 촉매하여 세포에서  각 반응은 서로 다른 효소에 의해 촉매됨. 

그러므로 각 세포마다 수천개의 다른 효소들이 필요함. 

세포내에서 효소에 의해 촉매되는 수천가지의 화학반응들을 경로(pathway)라고 함. 

이화 대사 catabolism

동화 대사 anabolism

4. 유전적 기반 생화학

살아있는 세포나 생명체가 갖고 있는 가장 주목할 만한 성질은 '자신을 복제'하는 능력

수천, 수백만년에 걸쳐서 유전정보를 간직하고 있는 분자들의 구조가 변하지 않은 것임.

유전적 연속성은 단일 DNA 분자에 부여되어 있음

세포가 분열하기 전에 두가닥의 DNA사슬은 분리되고,

각 사슬이 하나의 상보적인 가닥의 합성을 위한 본틀로 작용하므로,

결국 2개의 똑같은 이중 나선 분자가 만들어져 각각이 딸 세포로 전달.

만일 한쪽의 가닥이 손상을 받게 되어도

반대쪽 가닥이 손상된 DNA의 복구를 위한 본틀로 작용하므로 정보의 연속성은 유지됨. 

DNA

단백질 서열은 단백질이 고유 입체형태로 접히는데 관여하는 모든 정보들을 지니고 있지만, 

접힘이 제대로 이루어지기 위해서는

pH, 이온 강도, 금속이온의 농도 등의 적절한 환경이 필요함. 

5. 진화적 기반 생화학

'생물학에서 진화적인 관점을 제외하고 어떤 것도 이치에 맞지 않다'  티오도시우스 도브잔스키 

유전적 복제가 거의 완벽하게 일어나는데도 불구하고, 

복제과정에서 복구가 제대로 이루어지지 않을 경우 DNA의 뉴클레오타이드 서열에 변화가 일어남. 

--> 돌연변이

진화과정동안 많은 돌연변이들이 없어지거나 또 다른 돌연변이가 일어난 것은 틀림없음. 

참고로, RNA 단위체인 리보뉴클레오타이드는 전생물학적 조건의 실험실에서는 형성되지 않음. 

즉 이것은 전 생물학적 진화가 RNA 그 자체가 아니라 RNA와 유사한 분자에서 시작되었을 가능성이 있음을 의미.

RNA와 그 전구체들이 최초의 유전자 및 촉매일지도 모른다

RNA 분자가 자기 자신의 분자합성에서 촉매로 작용하는 것이 발견됨으로써

RNA 또는 그와 비슷한 분자가 최초의 유전자이면서 동시에 최초의 촉매일 가능성

RNA world 가설

생물의 진화는 35억년 이전에 시작

45억년전 지구형성

40억년전 대양과 대륙 형성

35억년전 광합성이 가능한 황세균 출현, 메탄 생성 미생물 출현

30억년 전 광합성에 의한 산소 생성 '시아노박테리아' 출현

25억년 전 호기성 세균의 출현(산소 대폭발)

15억년 전 첫번째 진핵생물 출현

10억년 전 적조류, 녹조류 출현

5억년 전 다세포 진핵생물들의 다양화(식물, 진균류, 동물)

endocymbiosis(내공생)

25억년 전 산소대폭발 시기.. 혐기성 세균이 호기성 세균을 잡아먹은 후 공생..

잡아먹힌 호기성 세균이 바로 '미토콘드리아'