스마트 생명과학 (2 판)

김원

서울대학교자연과학대학동물학과를졸업하고미국플로리다주립대학교에서생명과학으로박사학위를취득하였다.이후동대학교에서박사후과정을거친후서울대학교자연과학대학동물학과,분자생물학과,생명과학부에서32년간교수로서교육과연구에힘썼으며현재는정년퇴임후생명과학부명예교수로있다.20여권의저서및번역서,285편의논문을발표하였다.

1 생명의원리 1

1.1 생물은구조,기능,에너지흐름에서공통점을공유한다 2
우리가알고있듯이생명은단일기원이다 2
생명의역사에서주요단계들은알려진물리,화학과정들과양립한다  3
생물학자들은생명의진화계통수를추적할수있다 5
생명의통일성때문에생물학적발견을일반화할수있다 5

1.2 생명은조직화와에너지에의존한다 5
조직화는분자에서생태계에이르기까지각수준마다분명히나타난다 6

1.3 유전체계는정보의흐름,교환,저장및사용을조절한다 6
유전체는생물의구조를지배하는단백질을암호화한다 7
유전체는한생물의생물학에대한모든관점의통찰을제공한다 8

1.4 진화는생명의통일성과다양성을설명한다 8
자연선택은진화의중요한과정이다 8
진화는보다광범위한이론의토대이다 9

1부세포

2 생명의화학과물의중요성 12

2.1 원소의원자구조는그성질을결정한다 13
원자는양성자,중성자,그리고전자로구성된다 13
방사성동위원소는중성자의개수가다르다 13
전자의위치는전자껍질속의원자궤도이다 13
최외각전자껍질의전자가그원소의화학적성질을결정한다 13

2.2 원자는상호작용하여분자를형성한다 15
원자들은공유결합으로전자쌍을서로공유한다 15
전자를전달함으로써원자들간의이온결합이형성된다 15
극성분자들은전기적인력을통해상호작용한다 16
분자들은서로반데르발스인력으로약하게끌어당길수있다 16

2.3 화학적변환에는에너지와에너지이동이관여한다 16
생명계안에서변화는결국에너지변환과관련된다 16
열역학제1법칙은에너지가생겨나거나파괴되지않는다는것을말한다 17
열역학제2법칙은에너지가변환될때마다엔트로피가증가한다는것을말한다 17

2.4 화학반응은물질을변형시킨다 17
화학반응은에너지를방출하거나흡수한다 18
모든화학반응이자발적으로일어나지는않는다 18

2.5 생명의화학에서물의특성은중요하다 19
높은비열과높은기화열은생명계내부의물을적당한온도로유지 시킨다 19
수소결합은물의응집력과부착력을설명해준다 19
물은전하를띤극성물질을녹인다 19
수용액은산성,염기성,중성이될수있다 19

2.6 작용기는분자에특이적성질을부여한다 20
유기분자의화학적성질은작용기에의해결정된다 20
이성질체는분자의다양성에기여한다 20

3 고분자 23

3.1 지질은물에불용성인특성이있다 24
지질은구조적또는기능적으로다양하다 24
에너지는지방과기름에저장된다 24
인지질은생체막을만든다 24

3.2 탄수화물은단순당으로부터만들어진다 26
단당류와이당류는단순탄수화물이다 26
올리고당류는몇개의단당류들로,다당류는많은단당류로구성된다 28

3.3 핵산은정보를담고있는고분자이다 30
뉴클레오티드는핵산의조립단위이다 30
DNA와RNA모두염기쌍을형성한다 31
DNA는정보를운반하고RNA를통해서발현된다 32

3.4 단백질은다양한구조를가진중합체이다 33
아미노산은단백질의조립단위이다 33
아미노산은펩티드결합으로서로연결된다 34
상위단계의단백질구조는1차구조에의해서결정된다 34
단백질구조는환경에의해서변형될수있다 36

3.5 단백질의기능은그들의구조에의해결정된다 36
단백질의기능은그들의결합특성에따라결정된다 37
효소는생화학반응을가속화시킨다 38
효소는활성자리에서특정반응물과결합한다 38
효소활성은조절될수있다 39

4 세포구조,막,신호와반응 42

4.1 세포막은세포내부를환경과분리한다 43
지질은막의소수성중심부를형성한다 43
단백질은막에특별한특성을부여한다 44
세포막의탄수화물은인식장소이다 45

4.2 수동및능동수송은소분자가막을통과하는데사용된다 45
단순확산은인지질이중층을가로질러일어난다 45
삼투는막을통과하는물의이동이다 45
막투과성은막단백질에의해증가한다 45
능동수송은용질을농도기울기에역행하여수송한다 47
능동수송체계는에너지원에따라구별된다 47
소낭은진핵생물의막을가로질러거대분자를운반하는데사용된다 48

4.3 세포의크기,모양및이동능력은내부및외부구조에의해결정된다 49
작은세포는큰부피대비표면적비율을갖는다 49
여러종류의단백질섬유가세포에존재한다 51
미세섬유는세포모양과세포이동기능을결정한다 51
중간섬유는다양하고안정적이다 51
미세소관은가장두꺼운세포골격요소이다 51
세포벽은지지와보호를제공한다 51
세포외기질은다양한기능을지지한다 51
세포연접은이웃한세포를연결한다 52

4.4 구획화는원핵세포에서나타나며진핵세포에서는더광범해진다 53
원핵세포는일반적으로세포내에막으로둘러싸인구획이없다 53
진핵세포는수많은종류의막으로둘러싸인구획을가지고있다 57
핵은대부분의세포DNA를포함한다 57
내막계는상호관련된세포소기관의집단이다 57
일부세포소기관은에너지를변환한다 59
막으로둘러싸인몇몇다른세포소기관은특수화된기능을수행한다 59

4.5 세포는다양한신호를감지하고신호전달을통하여반응한다 59
신호에대한반응은세단계로일어난다 60
세포들은많은세포의신호에노출되어있지만일부분의신호에만반응한다 61
수용체들은세포막에위치하고있거나세포의내부에위치하고있다 61
막수용체들은그들의작용에따라분류한다 62
세포의기능은환경신호에반응하여변한다 63
신호전달연쇄반응은효소의조절과신호의증폭을수반한다 63
2차전달자는신호전달을촉진한다 63

4.6 신호전달은고도로조절된다 64
신호경로들은정확하게종결되어다시제자리로돌아간다 64
신호전달경로는다수의신호들을통합한다 65

5 세포의물질대사:생물분자의합성과분해 70

5.1 ATP와환원된조효소는생합성에사용하는에너지화폐이다 71
ATP의가수분해에서에너지가방출된다 71
산화-환원반응은전자와에너지를전달한다 71

5.2 탄수화물의이화작용은산소를사용할때많은양의에너지를방출한다 73
해당과정에서포도당은부분적으로산화되고일부분의에너지가방출된다 73
피루브산의산화는해당과정과시트르산회로를연결한다  73
시트르산회로에서포도당은CO2로완전히산화된다 74
산화적인산화를통하여NADH로부터에너지가ATP로전달된다 74
화학삼투는양성자기울기를사용하여ATP를생산한다 75
세포호흡은조절을받는다 77
포도당의발효는적은양의에너지를방출한다 77

5.3 이화작용경로는서로연결되어있으며동화작용은많은양의ATP를사용한다 77
동화작용은거대분자를합성하며거대분자를구성하는분자들을합성하기도한다 78
이화작용과동화작용은하나의시스템으로통합되어있다 78

5.4 생명은태양에의해서유지된다:광합성에서포획된빛에너지는이산화탄소를탄수화물로전환한다 79
빛에너지는엽록소와다른색소에의해흡수된다 79
빛의흡수는반응중심에서엽록소a에의한전자수용체의환원을일으킨다 80
환원은ATP와NADPH의생성으로이어진다 81
명반응에서생성된화학결합에너지는CO2를탄수화물로전환하는데사용한다 82
루비스코는기질로CO2대신에O2를사용할수있다 83

2부유전학

6 세포주기와세포분열 88

6.1 생식에는무성생식또는유성생식이있다 89
이분법또는체세포분열에의한무성생식은유전적동일성을초래한 89
감수분열에의한유성생식은유전적다양성을가져온다 90
유성생식생활사는다양하다 90

6.2 무성생식은유전적으로동일한딸세포를생성한다 91
원핵세포는이분법으로분열한다 91
진핵세포는체세포분열후세포질분열에의해분열한다 91
진핵생물염색체는염색질로포장된다 92
체세포분열은유전적으로동일한딸핵을생성한다 92
세포질분열은세포질의분할이다 94

6.3 감수분열에의한유성생식은염색체수를반으로줄이고유전적다양성을만들어낸다 95
감수분열은염색체의수를반으로줄인다 95
독립적인분리와교차는유전적다양성을발생시킨다 95

6.4 세포분열과정에서의오류는염색체수의변화를초래할수있다 98
체세포분열과감수분열의오류로인해일부염색체수가비정상적으로나타날수있다 98
세포질분열또는수정과정에서의오류는모든염색체에영향을줄수있다 99

6.5 세포주기와세포사멸은진핵생물에서고도로조절된다 100
진핵생물의세포주기는내부적으로조절된다 100
진핵생물의세포주기는사이클린의존성인산화효소에의해조절된다 101
예정된세포사멸은살아있는개체에서필요한과정이다 101
암세포에서세포분열의조절이비정상이다 102

7 유전,유전자그리고염색체 105

7.1 멘델은두가지유전법칙을발견했다 106
멘델은가설을검증하기위해과학적방법을사용하였다 106
멘델의첫번째실험은단성잡종교배였다 106
멘델의첫번째법칙에따르면대립유전자쌍은배우자로똑같이분리된다 108
멘델은검정교배를수행하여자신의가설을검증하였다 108
확률은유전을예측하는데사용된다 109
멘델의두번째법칙에따르면서로다른유전자의대립유전자쌍은독립적으로분리된다 109
멘델의법칙은인간가계도에서관찰될수있다 110

7.2 유전자는염색체상으로유전된다 111
감수분열중염색체의행동은멘델의법칙과일치한다 111
대립유전자는같은단백질의다른형태를암호화한다 111
성연관유전은성염색체의전달과일치한다 112
동일한염색체에있는유전자는감수분열에서교차에의해분리될수있다 113

7.3 대립유전자,유전자,환경은상호작용하여표현형을만들어낸다 116
단일유전자는여러개의대립유전자를가질수있다 116
우성은항상완전하지않다 116
하나의유전자는여러가지형질에영향을줄수있고한형질은여러유전자의영향을받을수있다 116
일부표현형은연속적이며환경은유전자작용에영향을준다 117

7.4 접합과형질전환을통해원핵생물사이의유전물질교환이일어난다 118
세균은접합에의해플라스미드유전자를전달한다 118
세균은접합에의해염색체유전자를교환한다 118