서울백북스

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강연전에 미리 책을 읽고 오면 좋은데, 우리의 일상은 너무 바쁩니다. 그래도 강연은 꼭 들어야 하는데 미리 요약본이라도 읽고오시면 많은 도움이 됩니다. 5월 29일 저녁 7시 30분 템플스테이 빌딩 3층 교육관에서 뵈어요. 매 달? 마지막 주 금요일은 백북스 하는 날입니다.?

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1부 생명은 흐름이다

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1. 흐름을 유지하는 물질대사. 생명은 흐름이다.

내가 먹은 음식이 내가 되는 신토불이

콜롬비아 대학의 루돌프 쇤하이머교수 의 실험 결과

어떤 아미노산이 동위원소로 표시되었는지를 확인한 결과 류신뿐 아니라 글리신이나 알라닌 글루탐산 메티오닌 시스테인으로 분해된 다음 다시 아미노산 생합성 과정을 거쳐서 단백질에 들어갔다는 것을 의미한다. 1년이 경과한 뒤 우리 몸을 보면 우리 몸의 98퍼센트는 이미 다른 원소로 대체되어 있다.

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동적 평형상태의 흐름

후꾸오까 신이치는 생명을 동적 평형 상태에 있는 하나의 흐름으로 설명했다. 물질은 끊임없이 우리 몸속에 새로 들어오고 그전의 것들은 나가고 하는 하나의 흐름으로 우리 몸에 잠깐 머물러 있는 것이다. 공과 색이 윤회하는 이 세상에 하나의 흐름으로서 잠깐 세상을 살다 가는 것이 생명이 아닐까?

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물질대사는 흐름의 메커니즘

동화작용과 이화작용

동화 작용은 생합성 과정을 이화작용은 분해 과정을 말한다.

생명체의 물질대사를 구축하는 세 가지 대사 회로가 캘빈 회로, 해당작용, 크렙스 회로이다. 이 세 가지 대사 경로는 서로 유기적으로 연결되어 있어 생합성과 분해 작용이 어느 방향으로 흘러가느냐는 순전히 화학적 법칙, 즉 반응물과 생성물 중 어느 쪽 농도가 높으냐에 따라 결정된다. 마치 흐르는 분수처럼.... 그래서 생명은 흐름이다.

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물질대사를 구축하는 세 가지 회로와 생합성 경로, 캘빈회로는 광합성 과정의 일부로서 식물의 엽록체에서만 일어난다. 해당 작용과 크렙스 회로는 모든 생명체에서 공통적으로 나타나는 대사 경로이다, 세 대사 회로와 생합성 경로는 서로 유기적으로 연결되어 있으며 대사의 방향은 순전히 반응물질과 생성 물질의 체내 농도에 따라 결정된다.

루돌프 쇤하이머교수는 생명은 자기 복제 시스템이라는 생명관을. 생명은 동적 평형 상태에서 자신을 유지하는 흐름이라는 생명관으로 바꿔놓았다. 이렇게 동적 평형 상태에 있는 하나의 흐름으로서 인간을 바라보는 관점은 완성된 인격체로서의 인간을 바라볼 수 있게 한다.

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물길 속의 직소퍼즐

어떻게 흐름 속에 있는 물체가 그토록 정교한 모습을 유지할 수 있을까? 후쿠오까 신이찌는 형태를 유지하는 비결이 직소퍼즐에 있다고 제시했다. 이것이 1년 전의 나와 지금의 나는 물리적으로 완전히 다른 원소로 구성되지만 내 친구들이 나를 알아보는 이유이다.

생명체를 구성하는 어떤 단백질이 낡아서 훼손되면 그 단백질은 빠져나가고 새로 합성된 단백질이 그 자리에 들어오게 되는데 이때 상보적으로 딱 맞는 형태를 가진 단백질이 들어오게 된다는 말이다. 즉 잃어버린 직소퍼즐이 무엇인가를 알아내는 것이다,. 단백질간의 상호 작용네트워크는 직소퍼즐이 어떻게 구성되어 있는지를 보여준다.

생명체의 직소퍼즐은 고정되어 있는 것이 아니고 유동적이다. 생명자체가 하나의 흐름이기 때문에 새로운 분자가 들어오고 낡은 분자가 나가는 현상이 유동적으로 일어날 수 있어야..53

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2 무생물에서 생물이 빚어지는 마법, 창발성

생명은 탄소골격의 화학 조립체

생명의 원소들- 수소, 산소, 질소, 인, 황=CHONPS

생체고분자는 기다란 사슬 형태로 존재한다. 이 사슬의 뼈대를 이루고 있는 것이 탄소이기 때문에 생명을 탄소골격의 화학 조립체라고 한다. 탄소가 생체고분자의 골격으로 사용될 수 있는 이유는 4개의 원자와 결합할 수 있는 화학적 특성을 가지고 있다. 전문적으로 이야기하면 탄소는 4개의 최외각전자를 가지고 있어 4개의 다른 원자와 전자를 공유할 수 있는 화학적 특성을 지닌다.

수소는 전자를 잃으면 양이온이 되어 물의 수소이온농도, 즉 PH를 결정해주는 특성이 있다.

세포는 상당히 많은 양의 수용액이 들어있는 일종의 물주머니로 비유할 수 있는데 수소의 양이 그 물주머니의 PH를 결정한다.

식물은 N,P,K(질소,인, 칼륨)를 자신의 몸을 만드는데 사용한다.

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생기론 VS 기계론, 합성 생물학의 등장

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창발성, 전체는 부분의 합 그 이상

지구상에 살아가는 모든 생명체는 그것이 식물이건, 동물이건, 미생물이건 상관없이 모두 20종의 아미노산을 가지고 단백질을 만들어낸다. ( 이것은 지구 상의 생물종이 모두 공통조상에서 유래했음을 보여주는 좋은 증거이기도 하다) 이 20종의 아미노산이 일렬로 연결되어 만들어지는 것이 단백질인데, 이때 사용되는 아미노산의 종류, 개수, 배열 순서에 따라 서로 다른 단백질이 만들어진다.

모든 생명 현상을 가능케 하는 생체고분자화합물이 단백질이다, 아미노산이 결합되는 순서와 배열에 따라 매우 다양한 단백질이 만들어진다. 예를 들어 헤모글로빈은 약 550개 정도의 아미노산이 서로 결합하고 배열되어 만들어지는데 20종의 아미노산 그 어디에도 없는 창발적 특성, 즉 산소 운반의 특성을 지니고 있다. 아밀라제는 500개의 아미노산이 연결된 단백질이다. 아미노산의 구성과 배열방식이 달라지면서 전혀 다른 기능, 즉 전분을 분해하는 특성을 지니게 되었다.

아미노산이라는 단위체가 서로 다른 순서와 배열로 연결되면 서로 다른 기능을 가진 단백질이 만들어진다. 이들 다양한 단백질들이 세포 내 구성과 배열방식에 따라 서로 다른 기능을 가진 세포를 만들어내고 이들 세포들이 일정한 규칙에 따라 배열되고 상호 작용하면서 생명체가 만들어지는 것이다, 매 단계마다 한 단계 높은 수준으로 올라가면 그전에는 존재하지 않던 새로운 특성이 창발적으로 출현하게 되면서 궁극적으로 무생물에서 생물이 빚어지는 마법과도 같은 일이 일어나게 된다. 전체는 부분의 단순한 합이 아니라 그 이상이 된다는 상식적인 말이 창발성을 아주 잘 설명하고 있다.

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3 생물학자가 들려주는 화학결합

영화 트랜스포머 속 기계인간은 가능할까?

촌피스의 원소들이 분자를 만들기 위해서는 서로 결합해야 한다. 이를 화학결합이라 한다.

생체 내 화학결합은 크게 공유결합과 비공유 결합으로 나뉜다.

공유결합은 전자를 공유한다는 뜻이다. 비유하자면 전자가 두 원소를 결합시키는 볼트 역할을 한다. 이 볼트가 한 쌍의 전자일 때는 단일결합, 두 쌍의 전자일 때는 이중결합, 세 쌍의 전자일 때는 삼중결합으로 그 숫자가 늘어나고 결합력도 점점 더 강해진다. 생명체에서 가장 중요한 탄소는 최대 삼중결합까지 할 수 있다.

전자들이 묶이는 규칙은 옥테트 룰을 따른다. 2, 8, 8,18, 18, 32...

비공유결합

비공유 결합에서 가장 중요한 역할을 하는 것이 음과 양이 서로 잡아당기고 밀치는 음양의 조화이다. 소금과 물에 녹는 이온화 반응은 나트륨은 전자 하나를 잃음으로써 염소는 전자 하나를 얻음으로써 옥테트 룰을 만족하는 이온이 된다. 각각 양이온과 음이온이 된 나트륨과 염소는 이온결합에 의해 서로 강하게 잡아당긴다. 이온결합은 공유 걸합에 비해 약한 결합이지만 생체 내 화학 반응에 매우 중요한 역할을 한다.

이온결합보다는 약하지만 여전히 강한 결합이 수소 결합이다. 부분적으로 양으로 대전된 수소와 음으로 대전된 산소 간에 일어나는 결합을 말하는데, 서로 다른 물 분자 간의 잡아당김 현상이 좋은 예이다. 가장 약한 결합인 반데르발스 힘으로 원소 간 인력으로 분자 사이를 당기는 힘이다. 예를 들면 기름 분자들이 서로 뭉쳐 있는 것은 반데르발스 힘 때문이다. 생체 내 화학반응이 일어나기 위해서는 두 원소를 결합하고 있는 볼트가 일단 풀려야한다. 무엇이 수소와 산소의 공유결합, 즉 볼트를 풀어헤치는 것일까? 상온에서 볼트의 풀어헤침을 가능하게 하는 것이 촉매역할을 하는 단백질이다. 물 분자를 둘러싼 단백질이 물 분자의 수소와 산소를 음양의 조화에 따라 양쪽으로 잡아당기면서 볼트를 느슨하게 해주면 양이온으로 이온화된 엽록소 분자가 전자를 상온에서 낚아채가게 되고 결국 볼트가 풀어져 수소 양이온과 산소로 쪼개지게 되는 것이다.

광합성 과정중 물 분해 반응- 물 분자를 둘러싼 산소 방출 단백질 복합체의 부분 전하가 물 분자의 산소와 수소를 잡아당기는 힘 때문에 물 분자는 불안정해지고 상온에서 양으로 대전된 엽록소에게 전자를 빼앗긴다.

생명의 5가지 특징 트랜스포머 속 기계인간은 가능하지 않는 이유

1, 환경에 반응할 수 있어야

2, 스스로의 시스템이 항상성을 가진다. 반면 무생물은 항상성을 유지하지 못하고 주변 환경과 동일해지는 동적 평형상태, 즉 엔트로피가 증가하는 무질서한 상태가 된다.

3, 체내질서를 유지하기 위한 물질대사가 있어야..생물체는 물질대사를 통해 물리학의 법칙인 엔트로피 증가법칙을 깨지 않고 체내질서를 유지할 수 있다. 마지막으로 생식을 통해 변화하는 환경에 적응하며 살아야한다.

기계인간이 가능하지 않는 이유를 한 가지 꼽으라면 물질대사를 들 수 있다.

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포도당-ATP-생체 고분자화합물로 대체

우리 몸을 구성하는 분자는 그 어느 것도 영원히 그 자리에 계속 남아 있을 수 없기에 끊임없이 낡고 대체되는 과정을 거친다. 비유하자면 우리 몸은 형태를 일정하게 유지하는 흐름 속에 있는 동적 평형 상태의 분수인 셈이다. 세포내 다양한 화학반응, 물질대사가 가능한 이유는 세포 속 분자들이 일정한 거리에서 끊임없이 진동, 회전, 병진 운동을 하고 있고, 효소라는 촉매 작용이 필요하긴 하지만 0,1 나노미터의 거리에서 진동운동을 한다. 분자 간 화학반응도 나노미터의 거리에서 일어난다. 화학반응이란 결국 기존의 화학결합이 끊어지고 새로운 화학결합이 형성되는 것인데 이 모든 일이 비슷한 거리 범위 내에서 일어나야 한다. 그것이 유연하게 일어날 수 있는 세계가 생체계이다. 기계인간이 물질대사를 하지 못하는 이유는 스케일의 문제가 있다.

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생명을 잉태하게 한 분자, 물

왜 생명에서 물이 그토록 중요할까?

산소는 전기 음성도가 높은, 달리 말하면 전자에 대한 욕심이 대단한 원소이다, 따라서 수소와 결합한 상태에서 전자를 사이좋게 공유하지 못하고 자기 쪽으로 전자를 바짝 잡아당겨놓는다. 마음씨 좋은 수소는 산소의 그 전자 욕심을 허용한다, 이를 마음씨 좋은 수소 때문이라 생각하여 수소결합이라 한다.

물 분자 간 수소결합이 물의 모든 화학적 특성을 결정한다.

물 분자가 가지고 있는 수소결합과 다른 유기물을 쉽게 용해시킬 수 있는 능력이 결합하여 생체 내 유기물 분자들의 진동, 회전 병진 운동이 가능하게 되고 이들 간의 다양한 화학반응이 비교적 쉽게 일어난다.

물은 물 분자간의 수소결합 때문에 독특한 분자 간 당김 현상이 있다. 이 때문에 표면장력과 모세관 현상 등의 특징을 보인다. 기화열이 높은 이유 또한 물 분자 간의 수소결합 때문이다. 물과 생명은 떼려야 뗄 수 없는 관계다.

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4 여보세요! 거기 누구 없소?

5 생명을 구성하는 레고 블록

생명체를 제공하는 분자와 정보 저장 분자

단백질 탄수화물 핵산 지질의 고분자화합물 단위체 구성

아미노산의 R 그룹은 20종의 아미노산에서 제각기 다르다.

레고블록의 사슬로 만들어진 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질이중층은 사슬이 아니라 소수성의 특성 때문에 반데르발스의 힘으로 뭉쳐있다.

단백질과 핵산

생명현상을 가능하게하는데는 반드시 단백질이 있다. 자금 자판을 두들기는 내 손은 액틴과 미오신이라는 단백질이 작용한 결과이고 스크린에 떠오르는 문자들은 내 뇌가 내린 명령이 뉴런을 따라 내려오면서 손가락을 움직인 결과이다. 이때 작용하는 분자가 전기 신호를 만들어내는 나트륨-칼륨 펌프라는 단백질이다. 빛 에너지를 생명체의 화학 에너지로 전환시키는 것도 루비스코라는 식물의 단백질이 작용한 결과이고 우리가 호흡을 할 수 있게 하는 것도 헤모글로빈이라는 단백질이 작용한 결과이다,

단백질은 아날로그 정보

아미노산은 중심탄소라 불리는 한 가운데의 탄소 좌우에 아미노기와 카복실기가 붙어있다. 중심탄소 이족으로는 수소 원자가 붙어있고 아래쪽엔ㄴ 곁사슬(R)이라 불리는 잔기가 붙어있다. 20종의 아미노산들은 제각각 다른 잔기를 가지는데, 이 잔기가 단백질에 기능을 부여하는 마법을 부린다.

단백질의 효소기능을 가능하게 하는 아미노산의 특성을 보자. 생체 내 유기물이 관여하는 화학반응은 대부분의 경우 산화 환원 반응이고 이러한 반응에는 전자나 수소 이온이 붙거나 떨어져 나가게 된다. 이렇나 전자가 떨어져나가거나 붙는 과정에 유기물의 각 원소들이 서로 헤체되거나 결합하는 생체 내 화학 반응이 일어난다.

DNA는 디지털 정보

생명체에서 일어나는 모든 화학 반응 뿐아니라 다양한 생명 현상이 모두 단백질에 의해 이루어진다. 궁극적으로는 한 생명체가 만들어낼 수 있는 총합이 그 생명체가 어떤 생명 활동을 할 것인지를 결정하게 된다, 따라서 생명체는 자신의 유전 정보를 단백질 홥성의 정보 형태로 만들어서 다음 세대로 전달하는데, 이 정보가 A,T,G,C로 이루어진 염기 서열 형태로 DNA에 저장된 유전자이다. 유전자는 염기 서열 자체가 중요하지 그 구조가 어떻게 꼬여 있건 상관이 없다. 그래서 DNA속의 정보를 디지털 정보라 한다. 염기 서열 정보는 정확하게 아미노산 서열 정보로 전환되고 아미노산 서열이 결정되면 단백질의 3차 구조, 즉 아날로그 정보가 주어진다. 염기서열 정보가 어떻게 아미노산 서열 정보로 전환되는지 보자.

20종의 아미노산은 성질에 따라 친수성, 소수성, 특수 아미노산으로 분류했고 친수성의 경우 전하를 가진 그룹과 전하를 가지지 않는 그룹으로 나늬어진다.(그림P92)

단백질의 3차 구조를 결정하는 아미노산 곁사슬 간의 상호 작용, -3차 구조를 우선적으로 결정하는 것은 시스테인 곁사슬간의 이황화 결합이다, 그다음 양이온과 음이온간의 이온결합, 산소와 수소간의 수소결합 , 소수성 곁사슬간의 소수성결합 등이 작용하면서 단백질의 3차구조가 결정된다.P94그림

<이일하 교수의 생물학 산책> 발췌 요약

생물학자들은 어떻게 이런 전자 전달 시스템을 알아냈을까?(무지 궁금)

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6 생명의 최소 단위, 세포

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왜 모든 생명체는 세포라는 작은 단위로 구성되어 있을까? 추상적으로 말하면 정보의 입출입 문제이다. 세포로 들어오는 정보와 나가는 정보의 양을 적절히 처리하기 위해서는 정보가 들고나는 창이 일정 크기로 유지되어야한다.

식물은 왜 동물에 비해 일반적으로 더 클까? 그 이유는 식물세포에 풍부하게 있는 액포 때문이다. 게으른 주인을 만나 식물들이 물을 못 마셔 시들면 축 처져버리는 이유는 액포에 물이 없기 때문이다. 이런 역할을 하는 액포는 많은 식물세포에서 전체 체적의 90퍼센트 이상을 차지하는데 이 때문에 동물에 비해 같은 체적이어도 내용물이 실제적으로는 적은 편이다. 정리하면 세상의 모든 생명체는 체적 대 표면적 비율 문제를 피해갈 수 없고 그 문제를 회피하기 위한 방식으로 세포분열을 한다.

생명체의 현찰 에너지ATP

ATP의 구조-아데닌에 인산기 3개가 나란히 직렬로 연결되어 있는 구조이다.

ATP-ADP순환회로를 이용하여 생명체는 에너지를 끊임없이 공급받는다.

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ATP를 생산하는 생명의 배터리

ATP는 내막계속에 박혀있는 환풍기처럼 생긴 ATP합성효소에 의해 생성된다.

ATP를 셋업하는 세포 소기구는 미토콘드리아(MT)와 엽록체이다. ATP를 생성하는 데 필요한 에너지를 음식에서 얻지만 엽록체는 태양빛에서 얻는다.

ATP합성효소의 터빈을 돌리는 에너지는 다음의 네 단계를 통해 얻는다.

1, 음식물을 서서히 분해하면 전자가 튕겨져 나오는데 이 전자를 전자전달 차량인 NADH에 받아둔다.

2. NADH는 자신이 받은 고에너지 상태의 전자를 전자전달계에 넘겨준다.(전자전달계는 MT와 엽록체에만 있다. 전자전달계 속에서는 전자가 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 흘러가면서 수소 펌프를 가동한다.

3, 펌프들의 작용으로 수소 이온이 막 바깥으로 퍼 날라지면 바깥쪽에 높은 농도의 수소 이온이 쌓이게 된다.

4, 결국 막 바깥의 수소 이온은 삼투압에 의해 안으로 들어 올리려는 강한 압력을 받게 되는데 이것이 ATP 합성효소의 터빈을 돌리는 힘이다.

<ATP합성효소의 구조- 수소이온이 ATP 합성효소의 내부를 관통하여 들어오면 터빈이 돌아가면서 ATP를 합성해낸다.(그림 114)>

전자전달계에는 펌프가 수소이온을 막 안에서 막 바깥으로 뿜어낸다. 세포호흡을 하는 MT에는 펌프3개가 나란히 연결되어 전자를 주고 받으며 수소이온을 내막 바깥으로 뿜어낸다. 그 결과 내막 바깥에는 수소 이온이 축적되어 막 바깥에 안쪽에 비해 수소 이온 농도가 높은 상태가 되는데 이들이 삼투압에 의해 내막 안쪽으로 다시 돌아 올려는 물리적힘 (화학삼투압)을 만들어낸다.

<전자전달계와 ATP합성 크렙스 회로에서 나온 전자가 NADH택시에 실리면 NADH는 전자를 MT내막이 전자전달계에 넘겨준다(그림116)>

<이일하 교수의 생물학 산책> 발췌 요약

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전자 전달 시스템 그림은 고등학교 교과서나 인터넷 참조 요망.

,<미토콘드리아>-닉 레인 책도 좋지요.

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