스마트 생명과학 (2 판)

김 원

서울대학교 자연과학대학 동물학과를 졸업하고 미국 플로리다 주립대학교에서 생명과학으로 박사학위를 취득하였다. 이후 동대학교에서 박사 후 과정을 거친 후 서울대학교 자연과학대학 동물학과, 분자생물학과, 생명과학부에서 32년간 교수로서 교육과 연구에 힘썼으며 현재는 정년퇴임 후 생명과학부 명예교수로 있다. 20여 권의 저서 및 번역서, 285편의 논문을 발표하였다.

1 생명의 원리 1

1.1 생물은 구조, 기능, 에너지 흐름에서 공통점을 공유한다 2
우리가 알고 있듯이 생명은 단일 기원이다 2
생명의 역사에서 주요 단계들은 알려진 물리, 화학 과정들과 양립한다  3
생물학자들은 생명의 진화계통수를 추적할 수 있다 5
생명의 통일성 때문에 생물학적 발견을 일반화할 수 있다 5

1.2 생명은 조직화와 에너지에 의존한다 5
조직화는 분자에서 생태계에 이르기까지 각 수준마다 분명히 나타난다 6

1.3 유전체계는 정보의 흐름, 교환, 저장 및 사용을 조절한다 6
유전체는 생물의 구조를 지배하는 단백질을 암호화한다 7
유전체는 한 생물의 생물학에 대한 모든 관점의 통찰을 제공한다 8

1.4 진화는 생명의 통일성과 다양성을 설명한다 8
자연선택은 진화의 중요한 과정이다 8
진화는 보다 광범위한 이론의 토대이다 9

1부 세포

2 생명의 화학과 물의 중요성 12

2.1 원소의 원자구조는 그 성질을 결정한다 13
원자는 양성자, 중성자, 그리고 전자로 구성된다 13
방사성 동위원소는 중성자의 개수가 다르다 13
전자의 위치는 전자껍질 속의 원자 궤도이다 13
최외각 전자껍질의 전자가 그 원소의 화학적 성질을 결정한다 13

2.2 원자는 상호작용하여 분자를 형성한다 15
원자들은 공유결합으로 전자쌍을 서로 공유한다 15
전자를 전달함으로써 원자들 간의 이온결합이 형성된다 15
극성 분자들은 전기적 인력을 통해 상호작용한다 16
분자들은 서로 반데르발스 인력으로 약하게 끌어당길 수 있다 16

2.3 화학적 변환에는 에너지와 에너지 이동이 관여한다 16
생명계 안에서 변화는 결국 에너지 변환과 관련된다 16
열역학 제1법칙은 에너지가 생겨나거나 파괴되지 않는다는 것을 말한다 17
열역학 제2법칙은 에너지가 변환될 때마다 엔트로피가 증가한다는 것을 말한다 17

2.4 화학반응은 물질을 변형시킨다 17
화학반응은 에너지를 방출하거나 흡수한다 18
모든 화학반응이 자발적으로 일어나지는 않는다 18

2.5 생명의 화학에서 물의 특성은 중요하다 19
높은 비열과 높은 기화열은 생명계 내부의 물을 적당한 온도로 유지 시킨다 19
수소결합은 물의 응집력과 부착력을 설명해준다 19
물은 전하를 띤 극성 물질을 녹인다 19
수용액은 산성, 염기성, 중성이 될 수 있다 19

2.6 작용기는 분자에 특이적 성질을 부여한다 20
유기 분자의 화학적 성질은 작용기에 의해 결정된다 20
이성질체는 분자의 다양성에 기여한다 20

3 고분자 23

3.1 지질은 물에 불용성인 특성이 있다 24
지질은 구조적 또는 기능적으로 다양하다 24
에너지는 지방과 기름에 저장된다 24
인지질은 생체막을 만든다 24

3.2 탄수화물은 단순당으로부터 만들어진다 26
단당류와 이당류는 단순 탄수화물이다 26
올리고당류는 몇 개의 단당류들로, 다당류는 많은 단당류로 구성된다 28

3.3 핵산은 정보를 담고 있는 고분자이다 30
뉴클레오티드는 핵산의 조립단위이다 30
DNA와 RNA 모두 염기쌍을 형성한다 31
DNA는 정보를 운반하고 RNA를 통해서 발현된다 32

3.4 단백질은 다양한 구조를 가진 중합체이다 33
아미노산은 단백질의 조립단위이다 33
아미노산은 펩티드 결합으로 서로 연결된다 34
상위 단계의 단백질 구조는 1차 구조에 의해서 결정된다 34
단백질 구조는 환경에 의해서 변형될 수 있다 36

3.5 단백질의 기능은 그들의 구조에 의해 결정된다 36
단백질의 기능은 그들의 결합 특성에 따라 결정된다 37
효소는 생화학반응을 가속화시킨다 38
효소는 활성 자리에서 특정 반응물과 결합한다 38
효소 활성은 조절될 수 있다 39

4 세포 구조, 막, 신호와 반응 42

4.1 세포막은 세포 내부를 환경과 분리한다 43
지질은 막의 소수성 중심부를 형성한다 43
단백질은 막에 특별한 특성을 부여한다 44
세포막의 탄수화물은 인식장소이다 45

4.2 수동 및 능동 수송은 소분자가 막을 통과하는 데 사용된다 45
단순확산은 인지질 이중층을 가로질러 일어난다 45
삼투는 막을 통과하는 물의 이동이다 45
막 투과성은 막단백질에 의해 증가한다 45
능동수송은 용질을 농도기울기에 역행하여 수송한다 47
능동수송 체계는 에너지원에 따라 구별된다 47
소낭은 진핵생물의 막을 가로질러 거대분자를 운반하는 데 사용된다 48

4.3 세포의 크기, 모양 및 이동 능력은 내부 및 외부 구조에 의해 결정된다 49
작은 세포는 큰 부피 대비 표면적 비율을 갖는다 49
여러 종류의 단백질 섬유가 세포에 존재한다 51
미세섬유는 세포 모양과 세포 이동 기능을 결정한다 51
중간섬유는 다양하고 안정적이다 51
미세소관은 가장 두꺼운 세포골격 요소이다 51
세포벽은 지지와 보호를 제공한다 51
세포외기질은 다양한 기능을 지지한다 51
세포연접은 이웃한 세포를 연결한다 52

4.4 구획화는 원핵세포에서 나타나며 진핵세포에서는 더 광범해진다 53
원핵세포는 일반적으로 세포 내에 막으로 둘러싸인 구획이 없다 53
진핵세포는 수많은 종류의 막으로 둘러싸인 구획을 가지고 있다 57
핵은 대부분의 세포 DNA를 포함한다 57
내막계는 상호 관련된 세포소기관의 집단이다 57
일부 세포소기관은 에너지를 변환한다 59
막으로 둘러싸인 몇몇 다른 세포소기관은 특수화된 기능을 수행한다 59

4.5 세포는 다양한 신호를 감지하고 신호전달을 통하여 반응한다 59
신호에 대한 반응은 세 단계로 일어난다 60
세포들은 많은 세포의 신호에 노출되어 있지만 일부분의 신호에만 반응한다 61
수용체들은 세포막에 위치하고 있거나 세포의 내부에 위치하고 있다 61
막수용체들은 그들의 작용에 따라 분류한다 62
세포의 기능은 환경신호에 반응하여 변한다 63
신호전달 연쇄반응은 효소의 조절과 신호의 증폭을 수반한다 63
2차 전달자는 신호전달을 촉진한다 63

4.6 신호전달은 고도로 조절된다 64
신호경로들은 정확하게 종결되어 다시 제자리로 돌아간다 64
신호전달경로는 다수의 신호들을 통합한다 65

5 세포의 물질대사: 생물 분자의 합성과 분해 70

5.1 ATP와 환원된 조효소는 생합성에 사용하는 에너지 화폐이다 71
ATP의 가수분해에서 에너지가 방출된다 71
산화-환원 반응은 전자와 에너지를 전달한다 71

5.2 탄수화물의 이화작용은 산소를 사용할 때 많은 양의 에너지를 방출한다 73
해당과정에서 포도당은 부분적으로 산화되고 일부분의 에너지가 방출된다 73
피루브산의 산화는 해당과정과 시트르산 회로를 연결한다  73
시트르산 회로에서 포도당은 CO2로 완전히 산화된다 74
산화적 인산화를 통하여 NADH로부터 에너지가 ATP로 전달된다 74
화학삼투는 양성자 기울기를 사용하여 ATP를 생산한다 75
세포호흡은 조절을 받는다 77
포도당의 발효는 적은 양의 에너지를 방출한다 77

5.3 이화작용 경로는 서로 연결되어 있으며 동화작용은 많은 양의 ATP를 사용한다 77
동화작용은 거대 분자를 합성하며 거대 분자를 구성하는 분자들을 합성하기도 한다 78
이화작용과 동화작용은 하나의 시스템으로 통합되어 있다 78

5.4 생명은 태양에 의해서 유지된다: 광합성에서 포획된 빛에너지는 이산화탄소를 탄수화물로 전환한다 79
빛에너지는 엽록소와 다른 색소에 의해 흡수된다 79
빛의 흡수는 반응중심에서 엽록소 a에 의한 전자수용체의 환원을 일으킨다 80
환원은 ATP와 NADPH의 생성으로 이어진다 81
명반응에서 생성된 화학결합에너지는 CO2를 탄수화물로 전환하는 데 사용한다 82
루비스코는 기질로 CO2 대신에 O2를 사용할 수 있다 83

2부 유전학

6 세포주기와 세포분열 88

6.1 생식에는 무성생식 또는 유성생식이 있다 89
이분법 또는 체세포분열에 의한 무성생식은 유전적 동일성을 초래한 89
감수분열에 의한 유성생식은 유전적 다양성을 가져온다 90
유성생식 생활사는 다양하다 90

6.2 무성생식은 유전적으로 동일한 딸세포를 생성한다 91
원핵세포는 이분법으로 분열한다 91
진핵세포는 체세포분열 후 세포질분열에 의해 분열한다 91
진핵생물 염색체는 염색질로 포장된다 92
체세포분열은 유전적으로 동일한 딸핵을 생성한다 92
세포질분열은 세포질의 분할이다 94

6.3 감수분열에 의한 유성생식은 염색체 수를 반으로 줄이고 유전적 다양성을 만들어낸다 95
감수분열은 염색체의 수를 반으로 줄인다 95
독립적인 분리와 교차는 유전적 다양성을 발생시킨다 95

6.4 세포분열 과정에서의 오류는 염색체 수의 변화를 초래할 수 있다 98
체세포분열과 감수분열의 오류로 인해 일부 염색체 수가 비정상적으로 나타날 수 있다 98
세포질분열 또는 수정 과정에서의 오류는 모든 염색체에 영향을 줄 수 있다 99

6.5 세포주기와 세포사멸은 진핵생물에서 고도로 조절된다 100
진핵생물의 세포주기는 내부적으로 조절된다 100
진핵생물의 세포주기는 사이클린 의존성 인산화효소에 의해 조절된다 101
예정된 세포사멸은 살아 있는 개체에서 필요한 과정이다 101
암세포에서 세포분열의 조절이 비정상이다 102

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