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  • 주제분류
    자연과학 >생물ㆍ화학ㆍ환경 >생명과학
  • 강의학기
    2020년 1학기
  • 조회수
    10,056
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강의계획서
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학부학생들에게 생물학의 기본 개념을 강의함
생명의 화학적 기초
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1. 비디오 생명의 화학적 기초 기초적 화학 화학결합 화학반응 (chemical reaction): 공유결합의 변동 물 (water) 산, 염기, pH URL
2. 비디오 생명체의 유기분자: 거대 분자들 유기분자 생명체의 거대분자들 탄수화물 (carbohydrates) 지질 (lipids): 비수용성 분자 단백질 (proteins): amino acid의 중합체 핵산 (nucleic acids): 정보 고분자 URL
3. 비디오 energy, 대사, 수송 energy: 일을 할 수 있는 능력. 에너지보존의 법칙: 에너지 총량은 불변 (에너지를 파괴하거나 생성할 수 없음, 그러나 에너지 형태는 변환 가능). ATP: 세포의 에너지 화폐. Enzymes 효소 활성의 조절. 비가역적 억제: DIPF (diisopropylphosphorofluoridate, serine의 수산기에 공유. transport: 세포막의 기능 (물질수송, 신호전달, 광합성, 산화적인산화, 세포간 결합, 화학 반응의 체계화). diffusion: along the concentration gradient (고농도에서 저농도로, 세포 내외의 농도가 같아질 때까지). facilitated diffusion - small hydrophilic molecules, 에너지 필요 없음. active transport: against concentration gradient, energy required, 막단백질. 내포운동 (endocytosis): macromolecules, endocytic vesicle. 외포운동 (exocytosis): secretion (소화효소, 식균 작용의 노폐물, neurotransmitter, 식물 세포벽의 구성 물질. URL
4. 비디오 세포의 구성 세포: 생명의 기본 단위. 세포설: 세포는 생물의 기능적 단위, 모든 생물은 세포로 구성. 원핵세포 (prokaryotes): Bacteria (bacteria) and Archaea (archaebacteria). 핵 없음 (대신 핵양체 nucleoid) 진핵세포 (eukaryotes): 세포벽(식물), 세포막, 세포질 세포막 (plasma menbrane): phospholipid bilayer + 막단백질 세포의 바깥 구조 (extracellular structures) 동물세포의 cell junctions (1) tight junctions: 상피세포, (a) 물질이 세포사이를 통해 조직 안으로 들어가는 것을 차단 (2) adhering junctions: 상피세포, 한 세포의 미세섬유다발과 이웃 세포의 미세섬유다발을 연결, (3) gap junctions: connexon, ion/small molecule 이동, 식물세포의 원형질연락사에 해당 nucleus (유전정보 저장, 처리: DNA 복제, RNA 전사), ribosome (단백질 번역) 내막계 (endomembrane system): ER (endoplasmic reticulum), Golgi apparatus, lysosome, vacuole 에너지를 생산하는 organelles: mitochodria, chloroplasts cytoskeleton * microtubules: 25 nm, alpha tubulin과 beta tubulin이 나선형으로 중합 * intermediate filaments: 10 nm, 다세포생물, (a) 핵이나 organelle의 위치/구조 * actin filaments (or microfilaments): actin, 7 nm, (a) 세포 모양을 안정화. URL
5. 비디오 세포막 세포막: phospholipid bilayer + 막단백질, 유동성 (fluid), 그러나 전도 불능 (no flip-flop), 세포간 결합, 화학 반응의 체계화, cholestrol 함유하는 경우도 있음 (동물세포의 세포막 강화), lipoprotein도 있음 (lipid 부분이 세포막에 삽입) 세포의 바깥 구조 (extracellular structures) * plant cell wall: cellulose 섬유소 + hemicellulose + lignin + pectin 지지, 삼투압으로부터 보호, barriers to infection 조직의 각 세포는 원형질연락사 plasmodesmata로 연결 * animal cells (a) 조직 세포 지지, (b) 뼈/연골/피부의 물리적 특성에 기여 (c) 서로 다른 조직으로 이동하는 물질의 여과, (d) 배가 발생하는 도중 또는 조직을 수선할 때 세포 이동 방향을 조정, (e) 세포 사이의 신호 전달에 관여 동물세포의 cell junctions (1) tight junctions: 상피세포, (a) 물질이 세포사이를 통해 조직 안으로 들어가는 것을 차단 (물질이 상피세포를 통해서만 이동), (b) 막단백질과 인지질의 이동 제한 (장 상피 세포의 lumen 쪽 막단백질/인지질의 조성이 측면과 기저면의 막단백질/인지질 조성과 다름) (2) adhering junctions: 상피세포, 한 세포의 미세섬유다발과 이웃 세포의 미세섬유다발을 연결, cf: desmosome (한세포의 keratin 중간섬유다발과 이웃 세포의 keratin 중 간섬유다발을 연결) (3) gap junctions: connexon, ion/small molecule 이동, 식물세포의 원형질연락사에 해당 URL
6. 비디오 세포 호흡, 발효 생물권에서의 에너지 흐름 독립영양생물 또는 자가영양생물: autotroph, 무기물에서 유기물 합성, 종속영양생물 또는 타가영양생물: heterotroph, 유기물에서 유기물 합성 세포호흡 * C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O + ADP + Pi →→→ 6 CO2 + 12 H2O + ATP * redox reaction: reduction (전자/수소원자의 첨가), oxidation (전자/수소원자의 소실) 포도당의 호기적 산화 * glycolysis (glycolytic pathway, 해당경로): glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvic acid + 2 ATP + 2 NADH + 2H+ (1) 에너지 투자: 2 ATP 소모 (Glc to G6P by hexokinase, F6P to FBP (2) 에너지 수확: 2 G3P + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 BPG + 2NADH + H+ 2 BPG + 4 ADP → 2 pyruvate + 4 ATP citric acid cycle: 2 acetyl CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi → 2 coenzyme A + 4 CO2 + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP * NADH와 FADH2는 호흡 사슬이라 불리는 일련의 전자전달체에 전자를 전달 (최종전자수용체는 O2) ⇒ NAD+/FAD + H2O, Fig. 6.11 (NADH → CoQ → cyt c reductase → cytochrome c → cyt c oxidase → O2) 포도당의 혐기적 산화 (fermentation): 최종전자수용체가 외래성 산소가 아니고 반응경로 내부 물질 ⇒ 최초 기질과 최종 생성 물의 산화-환원 상태가 같음. URL
7. 비디오 광합성 광합성의 개요 * 식물, 조류, 광합성세균 (남세균, 녹세균, 자황세균 등), photoautotrophs * 수분 흡수 (뿌리), CO2 in (기공), 엽록체에서 light → carbohydrate + O2 (기공), 빛, 광합성 색소, 광의존반응 (명반응) * light → antenna system의 광합성 색소 → reaction center의 chlorophyll a로 에너지 전달 → 들뜬 전자가 전자전달계로 흘러 감 (산화된 chlorophyll a는 물이 분해되어 생 긴 전자에 의해 다시 환원, H2O → O2 + 2H+ + 2 e <산화된 chlorophyll a로 전달>) 광비의존반응 (dark reaction, Calvin-Benson cycle) * 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 6 CO2 +18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ → glucose + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ 광호흡 (photorespiration) C3 plant: 엽육세포(mesophyll)에서 Calvin cycle 또는 photorespiration, 유관속초세포는 광합성 안함 C4 plant: 옥수수/사탕수수 등 열대초본, 엽육세포에서 PEP carboxylase에 의해 CO2를 PEP에 고정하여 OAA로, OAA는 원형질연락사를 통해 유관속초세포로 확산되어 다시 PEP와 CO2로 (PEP는 엽육세포로, CO2는 유관속초세포의 Rubisco에 의해 Calvin cycle로 유입) * CAM (crassulacean acid metabolism) plant: 선인장, 파인애플, 알로에, 돌나물, 밤에 기공을 열고 엽육세포에서 CO2를 PEP에 고정하여 OAA (to malic acid)로, 낮에 기공닫고 malic acid를 C3와 CO2로 전환하여 Calvin cycle 가동 URL
9. 비디오 세포주기와 감수분열 세포주기 (cell division cycle, cell cycle) * 간기(interphase): 세포분열 (M기, mitosis 유사분열기)이 일어난 직후부터 다음 세포분 열이 일어날 때까지의 기간, G1(단백질/RNA 생성, 생장), S (DNA 복제), G2 (세포분열 준비) 유사분열 (mitosis, 2n → 2 x 2n) * chromatin (염색질): 간기 (탈응축, S기에 복제된 두 자매염색분체는 cohesin에 의해 결 합), M기 (응축 by condensins) * 전기 (prophase), 중기 (metaphase), 후기 (anaphase), 말기 (telophase), 세포질분열 * 세포질분열 (cytokinesis): 동물세포는 세포질 함입, 식물세포는 Golgi body로부터 세포판 형성 (새로운 세포막 형성) 세포주기의 조절 * check point (DNA 상해 여부 확인, DNA 복제 완료 확인, M기에서 염색체 배열 상태 확인) 감수분열 (meiosis): 2n → 4 x n * meiosis I, S기에서 DNA 복제 <각 염색체는 두개의 sister chromatid로 구성>; 전기 - 상동염색체끼리 짝짐 <염색체접합 synapsis, 네 개의 염색분체, tetrad>, 염색분체 사이에 교차 <염색체교차 chiasmata 형성>; prometaphase - 핵막과 인이 사라짐, 방추사 발달, 방추사가 kinetochore에 부착; 중기, 후기를 거치며 짝진 상동염색체가 양극으로 분리됨, 유사분열과는 다르게 centromere의 분리가 아직 안 일어났음, 즉 하나의 상동염색체에 하나의 kinetochore, 말기, 세포질 분열 * meiosis II 새로운 DNA 합성은 없음, 후기에 centromere가 분리되면서 네 개의 반수체 세포 생김 URL
10. 비디오 고전 유전학 Mendel의 유전 법칙 (분리의 법칙, 독립의 법칙) * 단성교배실험 (monohybrid cross), F1에서 dominant만 나옴, recessive는 F2에서 분리됨 (dominant: recessive = 3:1) ⇒ no blending! 주어진 형질의 발현에는 두 개의 인자가 관여하며 이는 어버이로부터 하나씩 유래, 이 인자 쌍은 gamete가 만들어질 때 입자상으로 하나씩 성세포에 무작위 분리 * 검정교배 (test cross): 우성으로 표현된 F2의 유전자형을 알기 위하여, F2와 순종의 열성 어버이를 교배. 멘델의 법칙은 인간 가계 분석에도 적용됨 인간의 유전병 * 상염색체 열성 유전병 albinism, Tay-Sachs 병, cystic fibrosis (낭포성섬유증), phenylketonuria, sickle-cell anemia * 상염색체 우성 유전병 Marfan syndrome, 헌팅톤무도병, achondroplasia 대립인자 사이의 상호작용 * 불완전 우성: F1은 모두 분홍 (Rr), F2 (적:분홍:백 = 1:2:1) * 공동우성 (codominance): 두 대립인자가 모두 표현됨. ABO 혈액형 * 다면발현 (pleiotrophic allele): 한 대립인자가 여러 표현형을 결정 * 다인자유전: polygenic inheritance, 연속적 또는 정량적 형질 (키, 피부색) 유전자의 상호작용 * epistasis (상위억제): 두개의 유전자가 한 형질의 발현을 지배할 때 한 유전자의 이상이 다른 유전자의 발현을 억제하는 현상. genes on a chromosome * 감수분열중의 유전인자 분리 동태와 염색체 배분 양상이 동일 (Fig. 9.24), 따라서 유전자는 염색체 상에 존재할지도 모름, 양성교배의 결과 독립의 법칙에 어긋나는 실험 결과 속출 ⇒ Sutton의 염색체설, T. Morgan이 증명 (초파리, GgLl x ggll, 즉 검정교배, 1:1:1:1이 안나옴. 두 유전자가 연관. 성의 결정, 반성유전 (sex-linked inheritance) cf: 사람의 경우: Y 염색체가 존재하면 남성, X (Turner syndrome, 여성), XXY (Klinefelter syndrome, 남성) SRY (sex-determining region Y), SRY에 돌연변이 일어나면 XY라도 여성, XX라도 SRY 부분이 translocation되면 남성 * X-linkage: 초파리의 눈색깔 , 사람의 적녹색맹/혈우병 /muscular dystrophy URL
11. 비디오 핵산과 유전자 발현 * 생식을 통하여 유전적으로 거의 동일한 자손이 태어날 수 있는 것은 유전정보를 함유한 DNA가 복제되어 딸세포에 배분되기 때문 DNA: the genetic material * 염색체는 DNA와 단백질로 구성. 그렇다면 유전물질은 단백질? DNA? * Frederick Griffith, 1928, Streptococcus pneumoniae, R (비병원성), S (병원성), 죽은 S균과 산 R균을 섞어 mice에 주사 → 폐렴 걸림 (페렴 걸린 조직에서 S균 분리), 죽은 S 균에서 나온 transforming principle이 R균을 S균으로 형질전환 The structure of DNA * nucleic acid: 네 종류의 nucleotide가 직쇄상으로 결합한 polynucleotide nucleotide = 오탄당 + 염기 + 인산기, * Erwin Chargaff, 1950, (1) DNA의 염기조성은 종마다 틀림, (2) 같은 종의 서로 다른 조직에서 분리한 DNA의 염기조성은 동일, (3) 주어진 종의 염기조성은 그 종의 나이, 영양상태, 주위환경과 무관하게 일정, (4) [A] = [T], [G] = [C], but not [A] = [T] = [G] = [C], (5) 체세포의 DNA 함량은 성세포의 DNA 함량의 두 배 DNA replication * Matthew Meselson and Franklin Stahl, 1958, semiconservative replication! (대장균 → 최소배지 + 15NH4Cl → 최소배지 + 14NH4Cl → 0/40 min/80 min <0/1/2 세대>에 sampling → DNA 분리 → CsCl 농도 구배에서 초원심분리) 유전자 (Gene) 발현: 전사 + 번역 * 유전자: 전사되어 mRNA 또는 tRNA 또는 rRNA가 만들어 질 수 있는 DNA 지역 Neurospora crassa prototroph → X-ray → auxotrophs ⇒ one gene - one enzyme (나중에 one gene - one polypeptide로 수정, 최근에는 one gene - one RNA) * central dogma: DNA → RNA → protein (핵 안에서 DNA가 전사되어 mRNA, mRNA가 세포질로 나와 번역, 번역시 tRNA를 adaptor로 사용) (1) transcription (DNA → RNA) * RNA (ribonucleic acid): 단선의 polyribonucleotide, ribose, thymine 대신 uracil +F34 (a) 개시: promoter (RNA polymerase가 붙어 전사를 시작하는 DNA 지역)에 RNA polymease 부착 → closed complex (loose) → open complex (tight) → 전사 개시 (no primer required), (b) 신장: 전사 bubble을 이동하면서 5‘에서 3’ 쪽으로 신장 (c) 종결: terminator (전사 종결 지점)에서 (2) translation (mRNA → polypeptide) * tRNAs: aminoacyl-tRNA를 이루어 특정 아미노산을 특정 코돈으로 운반 (adaptor molecule in translation, mRNA와 amino acid의 연결고리) 유전자발현 요약: (a) 원핵: 전사, 번역, 번역후가공 (b) 진핵: 핵안에서 전사, 전사후가공 (5‘ capping, 3' polyadenylation, pre-mRNA splicing), mRNA가 세포질로 이동, 번역 (세포질에서 또는 조면소포체에서), 번역후 수송/변형. URL
12. 비디오 진화 다원의 진화론 * Darwin. 1831년, Beagle호, 세계일주, 관찰/표본 수집, 종은 시간에 따라 자연선택에 의해 적응하며 변화한다. 자연선택 (개체변이, 개체마다 생존 및 생식 잠재력이 다름, “동일한 개체군에 속하는 다양한 개체가 다음 세대의 자 손 수에 서로 다르게 기여”)에 의한 진화, 개체가 아닌 개체군이 진화, Darwin은 인공선택에 의해 다양한 비둘기가 만들어진 사실에서 자연선택의 힌트를 얻었음, * 개체군 안에서의 유전적 다양성: 유전자는 다양한 alleles로 구성, 서로 다른 유전자형을 갖는 개체가 서로 다른 속도로 생존/생식할 때 개체군은 진화함 (야생 겨자의 인공 선택 → 다양한 채소) 진화의 증거 * 고생물학적 증거 약 30만 종의 화석 (과거 생물의 유해)이 중요 단서: 지질시대의 독특한 생물상 biota (식물상 flora, 동물상 fauna)을 나타냄 (1) 특별한 형태의 생물은 특정 지층에서만 발견 (2) 오랜 지층일수록 화석의 종류/수가 적으며 구조가 덜 복잡한 생물의 화석이 많이 발견 (3) 새로운 생물은 연속적으로 새로운 지층에서 발견 (계통의 점진적 변화) (4) 새로운 지층의 화석 생물은 현생종과 유사 (5) 중간 유형 (시조새, 양서류와 어류의 중간형, 네발 달린 수중포유류) * 생물지리학적 증거 지리적으로 격리된 지역에는 비슷한 환경이라도 다른 생물상을 보임 (남미대륙에는 토끼가 없음, 아프리카 사막지역에는 선인장이 없는 대신 유포비아 존재, 호주의 유대류 * 해부학적 증거 상동기관 (흔적기관 (타조의 날개, 사람의 맹장꼬리, 뱀의 퇴화된 골반뼈/다리뼈) * 발생학적 증거 척추동물인 어류, 양서류, 파충류, 조류, 포유류는 배 발생이 초기(인두낭이 형성될 때) 에는 동일하게 진행되나 후기에는 특징적으로 진행, 개체 발생은 계통발생을 반복 * 분자생물학적 증거 DNA가 유전 물질, ATP가 에너지 분자, 20종의 아미노산, 유전암호가 거의 동일, 유연관계가 가까울수록 효소및 유전자의 아미노산 서열 및 염기서열이 높은 상동성을 보임, URL
13. 비디오 계통발생의 재구성 * 계통수: 공동조상으로부터 갈라져 나온 종 (또는 유전자) 의 계통도,
ancestral (조상 특성, 공동 조상 및 그 후손 전부가 공유, 척추동물의 척주, 즉 상동기관) vs derived traits (파생 특성, 특정분류군의 특성, 포유류의 유선)
(파생특성은 한번만 진화, 한번 진화한 파생특성은 소실되지 않음 즉 진화적 복귀는 없다고 가정)
조상형 (다른 계통에서도 발견, 상동기관) vs 파생형 (다른 계통에서는 발견 안됨)
cf: 상사기관: 수렴진화 (새의 날개, 박쥐의 날개, 곤충의 날개), 상사기관을 계통수 작성에 반영하면 안됨. 진화적 복귀 (개구리는 이가 없으나 어떤 개구리 종류는 이가 다시 생겼음)

분기적 계통분류 (cladistic systematics)
(1) parsimony principle (최소추측우선의 원칙): 진화적 변화의 횟수를 최소화하여 해석, (형태적 특성, 발생학적 특성, 고생물학, 행동양식)
(2) maximum likelihood method: 분자적 특성 (핵 DNA, 엽록체 DNA, mitochondrial DNA, 단백질의 아미노산 서열)을 추가하여 분기도의 정확도를 올림
* 조상형의 상태도 재구성 가능: 살아 있는 척주동물들의 opsin 계통분석 → 조상형 opsin의 아미노산 서열 추정 → 실험실에서 조상형 opsin 생산 → 야행성에 적합한 구조적 특성 → 조상형 생물은 야행성이었을 거라고 추정
* 분류군의 계통도는 단계통 (monophyletic)이어야 함

계통수의 용도
* 과거의 재구성: 어떤 특성의 진화가 몇 번 있었나?
* 현생종과 화석종의 비교
* 미래의 예측: influenza virus vaccine의 예측
분류의 체계
* Domain Bacteria, Domain Archaea, Domain Eukarya
진핵생물영역: 식물, 동물, 균류, 원생생물 (Kingdom Protista, 조류 및 원생동물)
URL
14. 비디오 소분화와 종분화 종 (species)이란? * 형태적으로 유사, 암수의 형태가 다른 경우도 많음 * 종의 분화 (speciation, 생식적 격리 reproductive isolation)는 점진적으로 일어남 * 종: 실제로/잠재적으로 교배 가능한 자연 개체군 (독립적 유전 단 위), 다른 개체군과 생식적으로 격리, 유성생식하는 생물의 경우에만 적용되는 정의. 생식적 격리의 기작 * prezygotic reproductive barriers: habitat isolation (서식지가 달라 접촉 기회 없음), temporal isolaton (교배 기간이 다름), mechanical isolation (생식기관의 크기와 모양이 다름, 교배 불능), behavioral isolation (행동 양식이 틀린 개체를 배우자로 인지못함), 구조적 격리 mechanical isolation (생식기 구조가 서로 맞지 않음, 패각의 회전방향이 서로 다른 두 달팽이 종), gametic isolation (두 배우자가 화학적으로 incompatible, 수정 불능), * postzygotic reproductive barriers: 접합체 사멸 hybrid zygote abnormality (발생 도중에 죽거나, 비정상적으로 발생), 잡종 불임 hybrid infertility (예를 들어 수나귀와 암말사이에서 태어난 노새), low hybrid viability (연약하고 일찍 죽음) cf: 생식적 격리는 조류/포유류에 비해 식물이나 곤충, 무척추동물에서 잘 일어남. 종 분화 (speciation)의 유형 * allopatric speciation (이지역성 종분화 geographical speciation): (1) 지리적 격리에 의해 개체군 분리(산맥, 지협, 해협, 계곡 형성 등에 의해 격리), 독립적 진화 (서로 다른 gene pool 구성) * sympatric speciation (동지역성 종분화): 같은 지역 안에서의 종 분화, 다양한 진화 속도 * 거의 안 변하는 것도 있음, "living fossils" (투구게, 앵무조개, 은행), 일정한 그리고 열악한 환경에서 사는 생물은 더디게 진화 * 환경이 변하면 빠르게 진화 * 지각변동/빙하기/운석충돌로 대량멸종 * 멸종 속도도 다양 * 인간 간섭에 의해 많은 다른 종들의 진화와 멸종이 영향 받음 (사냥, 남획, 경작, 개간, 개발, 육종, 재조합 DNA 기술) * 종풍부도 (species richness): 유사종이 많으면 많을수록 종 분화가 잘 일어남. * 분산 속도: 작을수록 분화 잘됨 (하와이의 육산 달팽이 종) * 서식 범위가 큰 종보다 좁은 지역에 모여 사는 종이 분화 잘됨 * 충매화가 풍매화보다 종분화 활발 URL

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