1 생화학의 기반
1.1 세포적 기반
세포는 모든 생명체의 구조적 기능적 단위이다
세포의 크기는 확산에 의한 제한을 받는다
생명체에는 3가지 뚜렷한 영역이 있다
대장균은 가장 잘 연구된 원핵세포이다
진핵세포는 다양한 막성소기관을 갖고 있으며, 이것들을 분리하여 연구할 수 있다
세포질은 세포골격으로 이루어져 있으며 지극히 동적이다
세포는 초분자적 구조를 하고 있다
시험관 내 실험을 통해 생체분자들 간의 중요한 상호작용을 알 수 있다
1.2 화학적 기반
생체분자는 여러 가지 작용기들을 갖는 탄소화합물이다
세포는 보편적 집단의 작은 분자들을 함유하고 있다
별도설명 1-1 분자량, 분자질량과 그 단위
거대분자들이 세포의 주요 구성성분이다
3차 구조는 위치배열 구조와 입체형태 구조로 설명된다
별도설명 1-2 루이스 파스퇴르와 광학 활성: 포도주에 있는 진리 (In Vino, Veritas)
생체분자 사이의 반응은 입체특이적이다
1.3 물리적 기반
생물은 동적 항정상태로 존재하며 결코 주변 환경과 평형을 이루지 않는다
생물은 주변 환경에서 얻은 에너지와 물질들을 변환시킨다
별도설명 1-3 엔트로피: 질서의 파괴가 주는 이점
전자의 흐름이 생명체에 에너지를 제공한다
질서를 생성하고 유지하려면 일과 에너지가 필요하다
에너지 짝지움은 생물 의 반응들과 연결 되어있다
Keq와 ΔG° 는 자발적으로 진행되는 반응의 경향을 나타내는 척도이다
효소가 일련의 여러 가지 화학반응을 촉진한다
대사는 균형과 경제성을 유지하도록 조절되고 있다
1.4 유전적 기반
유전적 연속성은 단일 DNA 분자에 부여되어 있다
DNA의 구조는 거의 완벽한 정확도를 갖고 복제되고 복구 된다
선상의 DNA 서열이 3차원 구조를 갖는 단백질의 부호가 된다
1.5 진화적 기반
유전자 지령의 변화에 의하여 진화가 발생한다
생체분자는 처음에 화학적 진화에 의하여 생겼다
RNA 와 그 전구체들이 최초의 유전자 및 촉매일지도 모른다
생물의 진화는 35억 년 이상 전부터 시작되었다
최초의 세포는 아마 무기 연료를 사용하였을 것이다
진핵세포는 몇 단계를 거쳐 원시세포로부터 진화되었다
분자 해부학이 진화적 유연관계를 밝혀준다
기능유전체학은 특정한 세포의 활동에 유전자를 연결할 수 있음을 보여준다
유전체 비교는 인류 생물학과 의학에서 그 중요성이 점차 증가하고 있다
I 부 구조와 촉매
2 물
2.1 수용액에서의 약한 상호작용들
수소결합은 물이 특별한 성질을 갖게 한다
물은 극성용질과 수소결합을 한다
물은 정전기적으로 하전된 용질과 결합한다
결정상의 물질이 용해하면서 엔트로피가 증가한다
비극성 기체는 물에 잘 녹지 않는다
비극성 화합물은 물의 구조에 에너지적으로 불리한 변화를 일으킨다
반데르발스 상호작용은 원자 간의 약한 인력이다
약한 상호작용은 거대 분자의 구조와 기능에 중요하다
용질은 수용성 용액의 총괄성 특성에 영향을 준다
2.2 물, 약산 그리고 약염기의 이온화
순수한 물은 약하게 이온화된다
물의 이온화는 평형 상수로 나타낸다
pH 값은 H+과 OH- 농도를 나타낸다
약산과 약염기는 특징적인 해리 상수를 가지고 있다
적정 곡선은 약산의 pKa를 나타낸다
2.3 생물계의 pH 변화에 대한 완충 작용
완충액은 약산과 그 짝염기의 혼합물이다
헨더슨-하셀발흐(Henderson-Hasselbalch)식은 pH, pKa, 그리고 완충제 농도의 관계를 나타낸다
약산 또는 약염기는 pH 변화에 대해서 세포와 조직에 완충 작용을 한다
당뇨를 방치하면 치명적인 산증을 일으킨다
별도설명 2-1 자신이 스스로 실험토끼 되다 (집에서는 시도하지 말 것)
2.4 반응물로 작용하는 물
2.5 생물을 위한 물 환경의 적합성
3 아미노산, 펩타이드, 단백질
3.1 아미노산
아미노산은 공통의 구조적 특징을 가지고 있다
단백질의 아미노산 잔기는 L 입체이성체다
아미노산은 R기에 따라 분류할 수 있다
별도설명 3-1 실험방법: 분자에 의한 빛의 흡수: 람베르트-베르 (Lambert-Beer) 의 법칙
특수한 아미노산 역시 중요한 기능을 갖는다
아미노산은 산과 염기로 작용할 수 있다
아미노산은 특징적인 적정 곡선을 가지고 있다
적정 곡선으로부터 아미노산의 전하를 예측할 수 있다
아미노산은 각각의 산-염기 성질이 다르다
3.2 펩타이드와 단백질
펩타이드는 아미노산 사슬이다
펩타이드는 이온화 경향에 따라 분류될 수 있다
생물학적으로 활성화되어 있는 펩타이드와 폴리펩타이드의 크기는 다양하다
일부 단백질은 아미노산 이외의 화학 군을 함유하고 있다
3.3 단백질의 연구
단백질은 분리되? 정제될 수 있다
전기영동으로 단백질을 분리하고 그 특징도 알아낼 수 있다
분리되지 않는 단백질도 정량화할 수 있다
3.4 단백질의 구조: 1차 구조
단백질의 기능은 아미노산 서열에 의존 한다
수많은 단백질의 아미노산 서열이 밝혀졌다
짧은 폴리펩타이드의 서열은 자동화 방법으로 분석될 수 있다
큰 단백질은 더 작은 분절로 만들어 서열을 분석하여야 한다
별도설명 3-2 실험방법: 질량분석법을 이용한 단백질 연구
아미노산의 서열은 다른 방법으로도 추정할 수 있다
작은 펩타이드와 단백질은 화학적으로 합성할 수 있다
아미노산 서열은 중요한 생화학적 정보를 제공한다. 102
단백질 서열은 지구에서의 생명의 역사를 밝힐 수 있다 102
별도설명 3-3 공통서열과 서열 로고 103
4 단백질의 3차원 구조 113
4.1 단백질 구조의 개관 113
단백질의 입체형태는 주로 약한 상호작용에 의하여 안정화된다 114
펩타이드 결합은 고정된 평면구조이다 115
4.2 단백질의 이차구조 117
α 나선은 흔한 단백질 이차구조이다 117
별도설명 4-1 실험방법: 오른손 감김과 왼손 감김 구별하는 법 118
아미노산 서열이 α 나선의 안정성에 영향을 준다 119
β 입체형태는 폴리펩타이드 사슬을 판 구조로 조직화한다 120
β 돌이 (turns) 는 단백질에서 흔한 구조이다 121
흔한 이차구조는 특징적인 결합각을 갖는다 121
흔한 이차구조는 원형 이색성 (circular dichroism)에 의해서 측정될 수 있다 122
4.3 단백질의 3차 및 사차구조 123
섬유단백질은 구조적인 기능에 알맞게 되어 있다 123
별도설명 4-2 퍼머넌트 웨이브는 생화학적 기술이다 125
별도설명 4-3 의학: 왜 선원, 탐험가, 대학생들은 싱싱한 과일과 야채를 먹어야 하나? 126
구단백질의 구조적 다양성은 기능적 다양성을 반영한다 129
마이오글로빈은 구단백질 구조의 복잡성에 대한 초기 단서를 제공한다 129
별도설명 4-4 단백질 자료 은행 (The Protein Data Bank) 129
구단백질은 다양한 삼차구조를 갖는다 131
별도설명 4-5 실험방법: 단백질의 3차원 구조를 결정하기 위한 방법 132
단백질 모티프는 단백질 구조를 분류하는 기초가 된다 136
단백질 사차구조는 간단한 이합체에서 거대한 복합체까지 매우 다양하다 138
4.4 단백질의 변성과 접힘 140
단백질 구조의 상실은 기능 상실을 초래한다 140
아미노산 서열이 삼차구조를 결정한다 141
폴리펩타이드는 단계적으로 재빨리 접혀진다 142
몇 가지 단백질은 도움을 받아 접힌다 143
단백질 접힘의 결함은 광범위한 사람의 유전질환에서 분자적 기전이 될 수 있다 145
별도설명 4-6 의학: 잘못된 단백질 접힘에 의한 죽음: 프리온 병 (Prion Disease) 147
5 단백질의 기능 153
5.1 단백질과 리간드의 가역적 결합 : 산소 결합 단백질 154
산소는 헴 보조단(prosthetic group)에 결합할 수 있다 154
마이오글로빈은 산소에 대한 하나의 결합 자리를 갖고 있다 155
단백질-리간드 상호작용은 정량적으로 표현할 수 있다 155
단백질 구조는 리간드가 결합하는 방식에 영향을 준다 158
산소는 헤모글로빈에 의하여 혈액에서 운반된다 158
헤모글로빈 소단위는 구조적으로 마이오글로빈과 유사하다 159
헤모글로빈은 산소와 결합할 때 구조의 변화를 일으킨다 160
헤모글로빈은 산소와 협동적으로 결합한다 160
협동적 리간드 결합은 정량적으로 기술할 수 있다 162
별도설명 5-1 일산화탄소: 비밀 암살자 163
두 가지 모형이 협동적 결합의 기전을 제시한다 165
헤모글로빈도 또한 H+와 CO2를 운반한다 165
헤모글로빈과 산소의 결합은 2,3-양인산글리세르산에 의하여 조절된다 167
낫적혈구 빈혈증은 헤모글로빈의 분자 질환이다 168
5.2 단백질과 리간드 사이의 상보적 상호작용: 면역계와 면역글로불린 170
면역 반응은 특별한 계통의 세포와 단백질의 특징이 된다 170
항체는 두 개의 동일한 항원 결합 자리를 가진다 171
항체는 단단하게 또한 특이적으로 항원과 결합한다 173
항원-항체 상호작용은 여러 가지 중요한 분석과정의 기초가 된다 173
5.3 화학에너지에 의하여 조절되는 단백질의 상호작용: 액틴, 마이오신, 분자 모터 175
근육의 주 단백질은 마이오신과 액틴이다 175
그 밖의 다른 단백질들이 가는 잔섬유와 굵은 잔섬유를 질서정연한 구조로 만든다 176
마이오신의 두꺼운 잔섬유는 액틴의 가는 잔섬유를 따라 미끌어진다 178
6 효소 183
6.1 효소의 개요 183
대부분의 효소는 단백질이다 184
효소는 촉매하는 반응에 따라 분류된다 184
6.2 효소의 작용 186
효소는 반응의 평형에는 영향을 주지 않고 반응 속도에 영향 준다 186
반응 속도와 평형은 정확한 열역학적 정의를 가진다 188
몇 가지 기본 원리가 효소의 촉매능과 특이성을 설명한다 188
효소와 기질 사이의 약