컴퓨터 그래픽으로 만들어진 사람 모양의 외형에 인공지능(artificial Intelligence, AI)을 접목시킨 가상인간(artificial human)은 생명체와는 달리 물질대사, 생장 및 생식을 하지 않는다. * Note: 본문에서 AI full name의 영문 오류 1.1 생명이란 무엇인가? 생명과 생명체 1. 생명 : 생명체가 살아서 숨쉬고 활동할 수 있는 힘. 2. 생명체 : 살아있는 것, 즉 생명현상을 영위하는 것. ● ● ● 2020년 1월, 미국 Tufts 대학교(MA)와 Vermont 대학교(VT) 의 공동연구진이 살아 있는 세포로만 이루어진 자가 치유가 가능한 로봇을 제작. 심장 세포가 수축하는 힘을 엔진처럼 자체동력으로 사용하고, 피부세포는 서로 결합시켜 구 조를 형성한 로봇을 만듦. 쓰임새 A. 사람의 몸 속에 투입하여 정확한 지점에 약물을 공급하거나 혈관을 돌아다니며 혈관을 막 는 혈전 제거. B. 방사성 폐기물 처리나 바다 속 미세 플라스틱의 제거의 기능도 수행 가능. C. 선천성 결손의 치료, 손상된 조직의 재생, 종양세포를 정상세포로의 전환 등에 활용할 수 있어 인류의 건강과 수명 연장 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대. 1.2 생명체는 어떤 특징을 가지나? 1. 조직화 2. 환경에 대한 반응과 항상성 3. 생장과 발생 4. 물질대사 5. 생식 6. 진화적 적응 1.3 생명체는 어떻게 구성되어 있나? 1. 원자에서 생물까지 2. 생물에서 생태계까지 1.4 생명체를 구성하는 분자에는 어떤 것이 있나? 생명체에서 가장 많은 성분은 물. 1. 구성분자 1) 구성분자의 종류 (1) 생체분자(biological molecule) : 단백질, 탄수화물, 핵산, 지질 (2) 단량체(monomer)를 기본단위로, 이들이 공유 결합된 중합체(polymer) 형태로 존재 2) 구성분자의 형성 (1) 중합체 : 단량체의 탈수 축합반응으로 생성 (2) 탈수축합반응 : 물이 제거(탈수)되면서 단량체(monomer)가 합쳐져 중합체(polymer)를 형성하는 반응 (3)가수분해반응 (hydrolytic reaction) : 물을 첨가하여 공유결합을 끊음 2. 탄수화물 1) 탄수화물이란? (1) (CH2O)n의 화학식을 가지며, 탄소, 수소, 산소로 구성. (2) 세포 내에서 탄수화물의 기능 : 에너지의 저장, 저장된 에너지의 이동, 세포의 구조 형성 및 신호와 인식을 담당. (3) 종류 ① 단당류 (monosaccharide) : 5탄당(리보오스), 6탄당(포도당) 외에도 3탄당~9탄당도 있음. ② 이당류 (disaccharide) : 설탕, 말토오스, 젖당 등 ③ 다당류 (polysaccharide) : 녹말, 섬유소, 키틴, 올리고당 2) 탄수화물의 종류 (1) 단당류 (monosaccharide) 1) 가장 흔한 단당류는 5탄당인 리보오스, 디옥시리보오스와 6탄당인 포도당, 과당, 만노오스, 갈락토오 스 등. 2) 포도당(glucose)은 단당류 중에서도 가장 중요: 세포의 주 영양분으로서 해당작용의 세포 호흡 과정 을 통해 에너지를 만들어내는 에너지 저장 분자. (2) 이당류(disaccharide) 1) 단당류 2개가 글라이코시드 결합(glycoside linkage)으로 공유결합한 분자. 2) 설탕(sucrose), 젖당(lactose). (3) 다당류 (polysaccharide) 1) 단량체인 단당류가 수백 개에서 수 천 개까지 글라이코시드 결합으로 이루어진 중합체로서, 생체 내에서 거대분자를 이룸. 2) 세포 내에서 다당류의 역할은 에너지를 저장하는 기능과 세포벽의 주 성분으로서 구조 기능. 3) 종류 ① 녹말(starch) : 포도당 중합체, 식물의 저장 다당류 ② 글리코젠(glycogen) : 포도당 중합체, 동물의 저장 다당류 ③ 섬유소(cellulose) : 포도당 중합체, 세포벽 주성분 ④ 키틴(chitin) : 포도당 중합체, 곤충, 갑각류의 외골격 3. 지질 1) 지질(lipid)이란 (1) 물에 녹지 않는 탄화수소로서 분자 내에 많은 비극성 공유결합으로 이루어진 분자. (2) 지질은 소수성(hydrophobic) 분자. 2) 지질의 종류 (1) 트리글리세리드: 지방(fat)과 기름(oil) ① 모두 단순지질로서 트리글리세리드는 글리세롤(glycerol) 한 분자가 3분자의 지방산(fatty acid)과 탈 수축합반응(에스터 결합)으로 공유결합된 형태. ② 상온에서 고체인 트리글리세리드를 지방(fat), 액체인 것은 기름(oil). ③ 포화지방산 (saturated fatty acid) : 탄화수소 사슬의 탄소와 탄소 사이의 결합이 모두 단일결합인 지방산. ④ 불포화지방산 (unsaturated fatty acid) : 탄화수소 사슬의 탄소 사이의 결합 중 하나 이상의 이중결합을 갖는 지방산. (2) 인지질 (phospholipid) ① 2개의 지방산과 하나의 인산염 및 콜린이 결합한 형태. ② 양친매성 : 인지질의 화학적 성질은 지방산인 꼬리 부분이 물을 싫어하는 소수성인 반면, 인산염 및 콜린이 있는 머리 부분은 물과 친한 친수성. 이러한 성질이 양친매성(amphipathic). ③ 인지질 이중층 (phospholipid bilayer) : 수용액 환경에서 양친매성의 인지질 중에서 소수성이면서 비극성인 꼬리는 물을 피해 빽빽하게 안쪽으로 향하고, 친수성인 인산을 가진 머리는 밖으로 향하여 물과 상호작용할 수 있도록 배열하여 인지질 이중층 형성 가능. (3) 스테로이드(steroid) ① 4개의 탄소골격을 갖는 지질분자. ② 종류 A. 콜레스테롤(cholesterol)은 동물세포막의 주요 구성성분. B. 에스트로젠과 테스토스테론은 척추동물의 성호르몬 ● 스테로이드 호르몬은 사춘기 성 발달을 돕고 생식세포를 만들 수 있도록 조절. ● 에스트로젠은 여성호르몬, 테스토스테론은 남성호르몬. 4. 단백질 (protein) 1) 단백질이란? 아미노산이라는 20종의 단량체로 이루어진 중합체 2) 단백질의 기능 3) 아미노산(amino acid) – 단백질의 단량체 단백질의 단량체이며, 생명체에 존재하는 아미노산은 20 종류. 4) 펩타이드 결합 (1) 두 아미노산 간의 탈수 축합반응으로 중합체를 형성. (2) 올리고펩타이드 : 20개 이하의 아미노산으로 구성된 짧은 중합체. (3) 폴리펩타이드 : 20개 보다 더 긴 중합체 단백질의 변성 (denaturation) 5. 핵산 1) 핵산(nucleic acid)이란? 1) 유전정보의 저장과 전달 기능을 하는 생체 분자. 2) DNA & RNA 2) 뉴클레오타이드- 핵산의 단량체 뉴클레오타이드(nucleotide) : 염기, 당, 인산으로 이루어진 핵산 단량체. 3) 뉴클레오타이드 중합반응 : 단량체인 뉴클레오타이드가 중합하여 폴리뉴클레오타이드를 형성하는 결합. - 인산디에스터 결합(phosphodiester linkage) 4) 뉴클레오타이드의 상보적 염기쌍 형성 1) 폴리뉴클레오타이드 사슬은 상보적 염기쌍(complementary base pairing)을 형성하는데, 두 사슬의 염기쌍 사이의 수소결합을 통해 구조가 안정됨. 2) A=T, G=C 와 수소결합에 의한 염기쌍 형성. A와 T 사이에는 2중 수소 결합, G와 C 사이에는 3중 수소결합. 3) 이중가닥의 역평행성 DNA 두 가닥의 방향은 5′에서 3′으로 서로 반대로 뻗어 있는데, 이렇게 두 가닥의 DNA가 서로 반대 방향으로 놓인 것을 이중가닥의 역평행성 (antiparallel) 배열이라고 함. 5) 핵산의 기능 (1) 핵산은 생명활동을 가능하게 하는 복제 가능한 유전물질. (2) 유전자 발현 : RNA을 합성을 지시하며, RNA를 통해 단백질 합성을 조절. 1.5 세포는 어떤 종류가 있나? 1. 원핵세포 1) 생명체는 원핵생물(prokaryote)과 진핵생물(eukaryote)로 분류. 2) 원핵생물의 특성 – 세포소기관이 없으며, 핵이 없고, 단세포 생물. 2. 진핵세포 1) 진핵세포(eukaryotic cell)는 세포를 감싸는 세포막과 내부의 세포질로 이루어짐. 2) 세포질 내에는 막으로 둘러싸인 구획인 세포소기관(cell organelle)이 존재. 동식물 세포의 공통적인 기본구조 A. 핵과 리보솜 : 유전정보 저장 및 발현 B. 소포체, 골지체, 라이소솜 : 단백질 이동 조절, 물질대사 C. 미토콘드리아 : 에너지 생산 D. 세포골격 : 세포 구조를 지탱하고, 소기관 운동에 관여 * Note : 미토콘드리아는 동물 및 식물 세포 모두에 존재함. 동물 세포만의 특성 중심립(centriole) : 세포분열 시 염색체 분리를 위한 방추사를 만들어 양극을 정함. 식물 세포만의 특성 1) 엽록체(chloroplast) : 빛에너지를 획득하여 광합성을 수행, 당을 생성. 2) 세포벽(cell wall) : 식물 세포의 형태를 유지하고, 곧바로 설 수 있도록 단단히 지지. 3) 중심액포(central vacuole) : 세포에서 생성된 독성 부산물, 노폐물 등을 저장, 세포 팽압을 유지. ● 코로나 19(COVID- 19), 메르스(MERS, 중동호흡기 증후군), 구제역, 아프리카 돼지열병은 모 두 최근 뉴스의 중심이 되었던 바이러스가 일으키는 질병. ● 생물의 정의는 물질대사, 생장, 자극에 대한 반응 및 생식 능력을 가지는 세포로 이루어진 항상성을 유지하는 열린계. 이런 기준으로 보면 바이러스를 생물이라고 볼 수 없음. 바이러스는 숙주 없이 자체적으로 유전체 증식 및 복제 불가. 이런 기준으로 보면 바이러스를 생물이라고 볼 수 없음. ● 생물과 무생물의 중간 정도로 취급. ● ● 3. 세포막의 구조와 물질의 세포막 통과 1) 세포를 감싸거나 진핵세포의 소기관을 구성하는 막. 2) 세포막은 인지질 이중층, 막단백질, 탄수화물 및 콜레스테롤 등으로 구성. 3) 생체막의 화학적 특성은 수용액에서 극성분자나 물에 용해된 용질에 대해 장벽 역할. 4) 유동모자이크 모델(fluid mosaic model)이란 막 단백질이 인지질 이중층에서 비공유결합으로 떠다니는 구조를 의미. 5. 막단백질은 특정 물질의 이동, 세포 내외부의 화학신호 수용, 세포외기질과의 결합 등의 기능을 함. 인공세포 제작 2010년 미국의 크레이그 벤터(Craig Venter)가 이끄는 연구진은 인공적으로 합성한 세균 유전체 를 다른 박테리아의 몸 속에 넣어 새로운 인공 합성 세포(생명체)를 만듦.