B I O C H E M I S T R Y

Text book : Principles of Biochemistry. edited by Lehninger

Reference : Biochemistry. edited by Stryer

Biochemistry. edited by Zubay

Biochemistry. edited by Voet

S Y L L A B U S

제 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 장

Question; 생물이란?

* Characteristics of Living Organism

1. Complicate & organize

2. Extract, transform and use

of energy from environment

3. Ability replication

* Biochemistry

생화학이란 “생물을 구성하고 있는 여러 무생물성 분자들이 살아있는 상태를 유지하고 영속시키기 위하여 어떻게 상호작용하는가?” 를 밝히는데 있다.

즉 생명이나 생물의 신비를 밝히는데 있다.

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Chapter 1. Characteristics of Living Organism

* Characteristics of Living Organism

1. Complicate & organize

atom -- molecule -—biomolecule-- macromolecule -- cell-- tissue -- organ-- organism

2. Extract, transform and use of energy from environment

plant; produce carbohydrate(ex, glucose) and oxygen by photosynthesis

animal; use of carbohydrate(ex, glucose) of plant

3. Ability self-replication

* 생화학의 목표; 생물을 구성하고 있는 여러 분자들이 살아있는 상태를 유지하기 위하여

어떻게 상호작용하는가를 밝히는데 있다. 즉 생명의 원리 또는 신비를 밝히는데 있다.

-- 생물을 구성하고 있는 분자들이 상호 작용할 때 살아있는 상태의 분자논리

(Molecular logic of the living state)라는 원리를 나타내며,

이것은 생물에 존재하는 수많은 종류의 분자들의 성질, 기능, 상호작용을

특징짓는 일련의 독특한 법칙이다.

1. Complicate & organize

모든 생물은 탄소 중심으로 구성된 유기화합물로 되어 있다.

monomeric subunit (20 amino acids)----- macromolecule (protein)

2. Extract, transform and use of energy from environment

(1) 생물은 에너지와 물질을 교환한다.

자유에너지; 세포가 필요로 하는 유용한 종류의 에너지로서,

일정한 온도와 기압하에서 일 할수 있는 형태의 에너지

-- 화학적인 일(세포의 회복, 성장), 삼투적인 일(영양분 운반), 기계적인 일 (근육의 수축이나 운동),

유전정보의 전달

(2) 효소는 생물체내에서 일련의 화학반응을 촉진시킨다.(metabolism)

1) 효소의 기능은 활성화에너지(activation energy)를 낮추는 역할을 한다.

-- 활성화에너지란 반응물의 최초 에너지 수위에서 전이상태(transtion state)와의 차이

2) 생체에서 일어나는 화학반응은 물질대사(metabolism)으로 2-20이상의 반응단계로 되어 있으며,

각 단계마다 효소가 관여.

-- metabolism의 효소촉매반응은 2가지 종류

a) catabolism(이화작용); 유기영양물질을 분해하여 간단한 최종산물을 만들고 화학에너지를 생성하는 반응

b) anabolism(동화작용); 작은 전구체분자를 조립하여 거대하고 복잡한 분자를 만드는 반응으로 에너지 소비

(3) ATP는 화학에너지 형태로서 에너지를 전달한다.

ATP ---- ADP + Pi

기능; 1) 작은 전구체로 부터 세포 구성성분을 생합성하는데 필요한 에너지원

2) 수축이나 운동에 필요한 에너지원

3) 막 투과(능동수송)등 영양물질 수송에 대한 에너지원

4) 유전정보의 전달에 필요한 에너지원

(4) 물질대사는 끊임없이 조절되고 있다.

생물은 최대의 경제효율의 원리로서 작용하고 있으며 .수천 종류의 단백질이나 핵산을

정확한 비율로서 동시에 합성하여 특유의 생명활성을 나타낸다.

예) feedback inhibition

3. Ability self-replication

생물은 자신을 정확히 복제한다.

Fig 1-17; semiconservative replication

* 생물이 자기복제를 하는데 있어서의 특징

1) 생물은 매우 복잡하여 전달되는 유전정보의 양은 많음에도 불구하고

유전정보 보관장소인 세포내 핵의 크기는 매우 작다.

2) 유전정보는 DNA를 구성하고 있는 4종류의 nucleotide의 서열에 저장되어 있다.

3) DNA에 저장된 유전정보는 매우 안정하다.

4) 유전정보의 전달

DNA(base sequence)---- RNA sequence---- Amino acid seqence--- protein

* 세포의 살아있는 상태의 분자원리

1) 생물은 환경으로 부터 자유에너지와 물질을 얻을수 있는 자기조립성, 자기조절성,

자기보존성을 할 수 있는 유기화합물분자이다.

2) 생물은 자신이 만들어낸 효소에 의해서 수많은 연속적인 화학반응을 촉진시킨다.

3) 생물은 자신을 동적이면서 정상상태로 유지하며 최대의 경제효율의 원리로서

작용하고 있다.

4) 생물이 수세대에 걸쳐서도 거의 정확히 자신을 복제할 수 있는 것은

자기 회복능력을 갖는 선상에 배열된 유전정보계(상보적인 두가닥의 DNA) 때문이다.

5) macromolecule내 비공유결합 — 3차 구조를 결정 — 기능 결정

이와 같이 생물을 이루고 있는 무생물분자들이 일정한 원리를 나타내면서

어떻게 상호작용하여 생명현상을 나타내는가를 이해하는 것이 생화학의 목표이다.

제 1 장. 생화학 : 생물의 분자적 논리

1-1. 생물은 몇가지 나름대로 특징을 갖고 있다.

* 생물의 특징

1) 생물은 매우 복잡하고, 고도로 조직화되어 있다.

-- 생물은 복잡한 내부구조를 가지고 있으며, 여러 종류의 복잡한 분자로 구성되어 있다.

-- 그러나 무생물은 점토, 모래, 돌, 해수같은 비교적 간단한 화합물의 혼합물 이다.

2) 생물의 각 성분은 특정한 목적이나 기능을 갖고 있다.

-- 심장, 폐, 뇌 등과 같은 구조는 물론이고, 세포핵과 같은 미세구조도 해당.

세포속에 존재하는 단백질, 지질 같은 화합물도 특정기능을 갖고 있다.

3) 생명반응을 나타낸다.

-- 생물은 주위에서 유기영양분의 형태나 태양에너지로 부터 에너지를 추출, 변환, 이용하는 능력.

이런 에너지를 이용하여 자신의 구조를 형성하고 유지하며, 기계적인 일이나 물질수송을 한다.

4) 정확히 자기를 복제하는 능력을 갖고 있다.

1-2. 생화학은 살아있는 상태란 무엇인가를 추구하는 것이다.

생화학의 목표; 생물을 구성하고 있는 여러 무생물성 분자가, 살아있는 상태를 유지하기 위하여

어떻게 상호작용하는가를 밝히는데 있다. 즉 생명이나 생물의 신비를 밝히는데 있다.

-- 생물을 구성하고 있는 분자들이 상호 작용할 때는 살아있는 상태의 분자논리(Molecular logic of the living

state) 라는 원리에 따르게 되며, 이는 생체분자, 즉 생물에 존재하는 수많은 종류의 분자들의 성질, 기능,

상호작용을 특징짓는 일련의 독특한 법칙이다.

* 살아있는 상태의 분자논리

1-3. 모든 생물은 공통의 계획에 따라서 설계된 고분자 유기화합물 분자를 함유하고 있다.

생물의 화학성분 대부분은 탄소유기화합물로서, 탄소원자가 다른 탄소, 수소, 산소, 질소원자 등과 공유결합

되어 있다. -- 생체에 존재하는 유기화합물은 수많은 종류가 있으며 이들 대부분은 고분자로서 복잡하다.

예, 대장균은 약 5,000종의 유기화합물로 되어 있으며, 이 중 약 3,000여종은 단백질이고, 1,000여종은 핵산.

인간의 경우에는 적어도 50,000여종 이상의 단백질로 되어있다.

-- 각 생물들은 각각 고유한 단백질 분자와 핵산분자의 집합체를 가지고 있으며 생물마다 다르다.

그러나 생물에 존재하는 각종 유기화합물의 분자는 기본적으로 간단한 것으로, 작은 구성단위가 50개에서

수천개 연결되어져 만들어진 것이다.(예, DNA는 4종류의 deoxyridonucleotide단위가 순서대로 결합,

단백질은 20종류의 아미노산들이 각각 결합 순서를 달리하여 여러 종류의 단백질을 생성한다.)

이런 4종류의 deoxyridonucleotide와 20종류의 아미노산은 미생물, 동물, 식물에 있어서 동일하다.

--이는 모든 생물이 공통된 선조에서 유래되었다는 것을 암시.

-- 각종 아미노산은 단백질 분자의 구성단위일 뿐만 아니라, 호르몬, 알카로이드, 색소등 각종 생체분자의

전구체가 되기도 한다. 또한 nucleotide는 핵산의 구성단위이외에, 보조효소나 에너지 전달분자이기도

하다.

*살아있는 상태의 분자논리에 있어서의 원리;

1) 생물이 갖는 거대분자의 구조에는 기본적으로 단순성이 있다.

2) 모든 생물은 동일한 종류의 구성단위를 사용하고 있다. 따라서 공통된 선조를 갖고 있다고 생각.

3) 개개의 생물은 특징있는 핵산과 단백질의 집합체를 갖고 있고 그의 동일성을 유지하고 있다.

4) 모든 생체분자는 세포내에 고유의 기능을 갖고 있다.

1-4. 생물은 에너지와 물질을 교환한다.

생물의 성장과 유지에는 에너지가 필요하다.

--- 따라서 생물은 이용 가능한 형태의 에너지를 그의 환경으로 부터 흡수하고, 이와 같은 양의 에너지를

유용성이 낮은 다른 형태(열)로서 주위에 반환한다.

자유에너지; 세포가 필요로 하는 유용한 종류의 에너지로서,

즉 일정한 온도와 기압에서 일 할수 있는 형태의 에너지를 말한다.

5) 생물은 그의 환경으로 부터 얻은 자유에너지를 소비하여 복잡하고 규칙성이 있고 목적에 맞는 구조를

만들어 내며 이를 유지시키고 있다. 또한 생물은 유용성이 낮은 형태의 에너지를 주위에 반환한다.

생물은 에너지변환계이지만 비교적 파괴되기 쉽고 불안정한 유기화합물 분자로 되어 있으며, 고온, 강한 전류,

강산이나 강알칼리에 약하다. 생세포의 모든 부분은 대개 같은 온도이며, 거의 같은 압력을 받는다.

6) 세포는 일정한 온도에서 작용하는 화학엔진이다.

세포는 화학에너지를 이용하여 화학적인 일(세포의 회복, 성장), 삼투적인 일(영양분 운반), 기계적인 일

(근육의 수축이나 운동)등을 수행한다. 모든 생물은 이런 화학에너지를 기본적으로 태양으로 부터 얻고 있다.

-- 식물은 광합성에 의해서 태양에너지를 이용하여 CO2와 H2O로 부터 녹말이나 셀룰로스같은

에너지가 풍부한 탄수화물로 변환시키고, 분자상의 산소를 대기에 방출시킨다.

-- 광합성을 못하는 생물은 식물이 만든 에너지가 풍부한 생산물을 공기 중의 산소를 이용하여

산화시킴으로써 필요한 에너지를 획득하고 CO2 나 그밖의 생성물은 주위환경에 반환시키며

이것은 다시 식물에 재이용된다.

7) 모든 생물에 필요한 에너지는 직접 혹은 간접으로 태양에너지로 부터 공급받는다(그림 1-4).

8) 식물계와 동물계는 환경을 통해서 에너지와 물질을 교환함으로써 서로 의존하고 있다.

1-5. 세포내 촉매인 효소는 조직화된 일련의 화학반응을 촉진시킨다.

세포는 화학엔진의 역활을 할 수 있다. -- 이는 세포내에 효소가 존재하여 반응과정에 소비되지 않고

특이적으로 화학반응의 속도를 현저히 증가시킬 수 있기 때문.(그림 1-5)

효소는 특수한 단백질로서 단순한 아미노산을 구성단위로 하여 세포에 의해서 만들어진다.

-- 효소는 어떤 특정분자에 대해서 단 하나의 반응경로만을 촉진한다.(수백종류의 효소가 작용, 그림 1-6)

세포내에서 일어나는 화학반응은 2-20이상의 반응단계로서 이루어져 있으며, 각 단계에서 효소가 관여.

-- 효소촉매반응의 2가지 종류

1)유기영양물질을 분해하여 간단한 최종산물을 만들고 화학에너지를 얻는 반응(에너지 생성반응)

2)작은 전구체분자에서 시작하여 이를 하나씩 조립하여 거대하고 복잡한 분자를 만든다(에너지 소비반응)

1-6. 세포는 화학물질의 형태로서 에너지를 전달한다.

생세포는 ATP형태의 화학물질의 형태로서 에너지를 포착, 저장 운반한다.

-- ATP는 화학에너지의 주요 운반자로서 역활하며, 그의 에너지를 다른 생체분자에 전달할 때에는 그의 말단

인산기가 떨어진다 (ADP+Pi)

-- 이 ADP는 광합성세포에서는 태양에너지를 이용하여 다시 한개의 인산기를 결합하여 ATP로 되며,

동물세포에서는 화학에너지를 소비함으로서 한개의 인산기를 얻어서 ATP로 된다.

* ATP는 효소촉매반응의 두가지 큰 반응에 중요한 이음새 역활을 한다.(그림 1-8)

1) 환경으로 부터 얻어진 화학에너지로 부터 저에너지인 ADP를 인산화시켜 고에너지인 ATP형태로 저장.

2) ATP에너지를 이용하여 작은 전구체로 부터 세포구성성분을 생합성, 수축이나 운동에 필요한 기계적인 일,

막투과에 대한 삼투적인 일등을 수행한다.

-- 생체분자의 구성단위와 마찬가지로, 효소촉매반응은 대부분의 생물에서도 동일하다.

1-7. 세포대사는 끊임없이 조절되고 있다.

성장하고 있는 세포는 수천 종류의 단백질이나 핵산을 정확한 비율로서 동시에 합성하므로 특유의

생명활성을 나타낸다.

-- 이때 효소로서 촉매되는 대사반응이 조절됨으로서 필요한 만큼의 핵산, 단백질, 지질, 다당류

들이 만들어 진다. 따라서 세포는 어떤 물질이 환경으로 부터 그대로 얻을 수 있는 경우에는 그 물질을

전구체로 부터 합성하는데 필요한 효소의 합성을 정지시킬수 있다.(turn-off)

-- 이와같이 생세포는 자기조절, 자기조정의 능력이 있으므로 외부환경이 변하더라도 자신을 정상상태로

유지시킬 수 있다.

{9} 생세포는 자기를 조절 할 수 있는 화학엔진으로, 최고의 효율로서 작동할 수 있도록 되어 있다.

1-8. 생물은 자신을 정확히 복제한다.

* 생물이 자기복제를 하는데 있어서의 특징

1) 생물은 매우 복잡하여 전달되는 유전정보의 양은 많음에도 불구하고 유전정보의 보관장소인 세포 핵의

크기는 매우 작다.

{10} 유전정보는 축소된 분자의 단위속에 들어있으며 이 단위는 DNA를 구성하고 있는 4종류의 nucleotide이다.

2) DNA에 저장된 유전정보는 매우 안정하다.

-- 오랜 세월이 지나도 모든 생물이 진화되었음에도 불구하고 안정하다.

-- 세포가 그의 유전물질을 보존하기 위한 특별한 능력을 가질수 있는 것은 구조상의 상보성때문이다.

DNA중 한쪽사슬은 주형으로 작용하여 상보적인 다른사슬을 효소에 의해서 합성한다.(그림 1-10)

-- 이와 같이 유전적인 복제가 거의 완벽하게 정확히 이루어짐에도 불구하고, 경우에 따라서 DNA일부가

변화된 돌연변이가 일어날수 있다. 이 결과 뛰어난 자손이 생길 수도 있고, 생존성이 좋지 못한 자손이

생길수도 있다. 이런 방법으로 생물의 생존능력은 끊임없이 개량되고, 환경이 시간과 더불어

변화됨으로서 새로운 생물로 분화하여 진화 될 수 있다.

3) 유전정보의 전달.(그림 1-10, 1-11)

DNA(base sequence)---- RNA sequence---- Amino acid seqence--- protein

* 세포의 살아있는 상태의 분자원리

1) 생물은 환경으로 부터 자유에너지와 물질을 얻을수 있는 자기조립성, 자기조절성,

자기보존성을 할 수 있는 유기화합물분자이다.

2) 생물은 자신이 만들어낸 효소에 의해서 수많은 연속적인 화학반응을 촉진시킨다.

3) 생물은 자신을 동적이면서 정상상태로 유지하며 최대의 경제효율의 원리로서

작용하고 있다.

4) 생물이 수세대에 걸쳐서도 거의 정확히 자신을 복제할 수 있는 것은

자기 회복능력을 갖는 선상에 배열된 유전정보계(상보적인 두가닥의 DNA) 때문이다.

5) macromolecule내 비공유결합 — 3차 구조를 결정 — 기능 결정

이와 같이 생물을 이루고 있는 무생물분자들이 일정한 원리를 나타내면서

어떻게 상호작용하여 생명현상을 나타내는가를 이해하는 것이 생화학의 목표이다.

생화학 실험

* 실험성적 ; 시험 12(중간 6+기말 6), 보고서 5, 출석 및 태도 5,

* 실험실 주의사항

1. 실험복 착용

2. 잡담금지

3. 가능한 한 좌석이탈 금지(실험실 밖으로 나갈때 허락받고 나갈것)

4. 준비물, 보고서, 시간 엄수(지각 3번은 결석 1번, 결석 3번시 F처리)

5. 실험 후 정리 정돈 철저

6. 금연

EXPERIMENT 1; 식물세포의 관찰

1. OBJ: Cell

2. MAT: plnat cell

3. Equipment ; 현미경, 양파, slide glasss, cover glass, pincett, 면도날, 증류수, methlene blue,

(lugal's solution), filter paper

* methylene blue solution; D.W. 100 ml + methylene blue 0.3 g

(lugal's solution; D.W. 100 ml + potasium iodide 2 mg + iodine 1 mg)

4. Method ; 양파의 표피세포

1) 양파의 내쪽을 자른다.

2) 안쪽 표피를 핀셋으로 조심스럽게 벗기고 약 5mm 정도로 절단한다.

3) slide glass에 증류수 한 방울 떨어뜨리고 표피를 조심스럽게 놓는다.

4) 샘플에 methylene blue를 떨어뜨려 2-3분간 염색시킨다.

5) 기포가 생기지 않도록 cover glass를 덮는다.

6) 저배율(X100)에서 고배율(X430)로 높여가면서 관찰한다.

5. Result

1) 세포의 모양, 핵과 세포질을 관찰한다

6. Discussion

1) 세포의 특징을 설명

EXPERIMENT 2; 동물세포의 관찰

1. OBJ: Cell

2. MAT: animal cell

3. Equipment ; 현미경, slide glasss, cover glass, 이쑤시개, 증류수, methlene blue,

70% ethanol, filter paper

4. Method; 구강 상피세포(Human epithelial cell)

1) 소독한 이쑤시개의 넓은 끝부분으로 입 속 빰표면을 가볍게 긁는다.

2) 두개의 slide glass에 문지른다.

2-1) 한개는 증류수 한 방울 떨어뜨리고 cover glass 덮고 관찰

2-2) 다른 한개는 2-3분간 방치 후 70% 에탄올을 한 방울 떨어뜨려서 1-2분간 고정시키고 물로 rinsing후 methylene blue로 2-3분간 염색한다.

-- 물로 rinsing후 cover glass를 덮고 관찰한다

5. Result

1) 상피세포를 스케치하고 각 부분 명칭을 써라

2) 염색한 세포와 염색하지 않은 세포의 차이점을 밝혀라

3) 식물세포와 다른점은?

6. Discussion

* 준비물 (31명)

1. methylene blue solution; 100ml (25ml X 5)

-- methylene blue 0.3g + DW 100ml

2. 양파 4개

3. 이쑤시개(약 10개) in petri dish X 5

4. 70% ethanol 100 ml (20ml X 5)

5. slide glasss, cover glass

6. filter paper

7. 면도칼 X 5

EXPERIMENT 3; Microorganism

1. OBJ: Bactarial Morphology

2. MAT: Escherichia coli, Bacillius subtilis, Streptococcus mutans

3. Equipment ; 현미경, slide glass, cover glass, 증류수, methylene blue,(crystal violet)

알코올램프, loop, filter paper

4. Method; Simple staning of bacteria

1) slide glass 멸균을 위하여 알코올램프 불꽃을 통과시킨다.

2) slide glass 위에 증류수 한 방울 떨어뜨린다.

3) 멸균된 loop로 균을 채취하여 slide glass위 증류수와 잘 혼합시킨다.(smear)

(도말시 균이 너무 두꺼우면 염색하여 볼 때 졸지 않으므로 가능한 한 엷게 편다)

4) 사용한 loop는 화염 멸균시킨다.

5) 도말이 끝난 slide glass는 공기 중에 5분간 건조시킨다.(drying)

6) 건조된 slide glass는 불꽃을 통과시켜 불꽃고정(fixation) 시킨다. 고정은 표본이 염색도중

떨어지지 않도록 하는 것이며 화염에 거치는 시간이 너무 길면 균체가 탈 수 있다.

7) Methylene blue로 1-2분간 염색한다.

8) 염색 후 물로 rinsing(slide glass 뒷면에 물을 흘려보낸다)

9) 여분의 수분을 제거한 후 공기건조 시키고 cover glass를 덮고 관찰한다.

5. Result

1) 세균의 모양, 크기, 배열등을 관찰하고 스케치하시오.

6. Discussion

* 준비물 (X 6개조)

1. slide glass, cover glass

2. 알코올램프, 증류수, loop

3. methylene blue

4. Escherichia coli, Bacillius subtilis, Streptococcus mutans X 6 in LB agar medium