생물의 특성

  생물의 특성

 

1. 생명 과학에 대하여

(1) On the edge of life and death

On a bright winter day a few years ago, young Jimmy Tontlewicz raced his sled onto the brittle surface of barely frozen Lake Michigan, plunging into its icy waters. Twenty minutes later, he was rescued. With no detectable heartbeat, pulse, or breathing, he appeared to be dead. But Jimmy received emergency care as he was rushed to the hospital, and within an hour, the characteristics of life began to reappear. The initial blast of cold water had apparently so shocked his body that his heart and lungs stopped functioning, while his other vital organs continued to function at undetectable levels. Fortunately, this was enough to keep him alive until his heartbeat and breathing were restored. Jimmy was saved by a protective biological response called the mammalian diving reflex, seen only in children and other young mammals.

☞ 위의 글을 읽고 삶과 죽음에 대해 토의해 보자.

 

(2) 생명 과학이란?

① 생명 과학의 정의 : 생명의 신비를 추구하여 생명의 신비를 밝히는 학문

② 생명 과학의 분야

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(3) 생명 과학의 탐구 과정

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탐구 과정 연습 : 전자파가 인체에 미치는 영향을 알아보기 위한 탐구 과정을 설정해 보자.

 

2. 생물과 무생물

(1) 생명의 특성

① 세포로 구성되어 있다.

② 물질 대사를 한다. (예) 동화 작용(광합성), 이화 작용(호흡)

③ 생장하며 생식과 유전을 통해 종족을 유지한다.

④ 자극에 대해 반응하며 항상성을 유지한다. (예) 체온 조절, 혈당량 조절

⑤ 환경의 변화에 적응하며 진화한다.

 

(2) 바이러스의 특징

① 생물적 특징 : 살아 있는 세포내에서 증식하고 돌연변이를 일으킨다.

② 무생물적 특징 : 단백질의 결정체로 물질 대사 능력이 없다.

 

 

3. 세포의 구조와 기능

(1) 세포설

① 모든 생물체는 세포로 구성되어 있다.

② 세포는 생명체의 구조적․기능적 단위이다.

③ 세포는 살아있는 세포로부터 만들어진다.

 

※ 세포 연구의 역사

① 얀센(네덜란드, 1590년) : 현미경 발견

② 로버트 훅(영국, 1665년) : 세포 발견

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③ 레벤후크(네덜란드, 1683년) : 세균, 적혈구 발견

④ 로버트 브라운(영국, 1831년) : 핵 발견

⑤ 슐라이덴(독일, 1838년) : 식물 세포설

⑥ 슈반(독일, 1839년) : 동물 세포설

⑦ 피르호(독일, 1840년) : 백혈구 발견

⑧ 폰 몰(독일, 1846년) : 원형질 명명, 세포의 미세 구조 연구

 

(2) 세포 연구 방법

① 전자 현미경 : TM, SM, Freeze-fracture method

② Image Analyser

③ 세포 분획법 : 세포 내에 있는 기관을 크기와 밀도 차이를 이용하여 분리하는 방법

Density gradient centrifugation

침강 계수

식물 세포에서 침강 순서 = 세포벽>핵>엽록체>미토콘드리아>소포체>리보솜>기질

④ Cell Sorter

⑤ 단일 클론 항체 – 형광 물질

 

(3) 세포의 구조와 기능

(가) 원형질

① 핵 : 염색사, 인, 핵액이 핵막에 의해 둘러싸여 있으며 세포 생명 활동의 중심이다.

㉠ 핵막 – 이중막

㉡ 염색사

㉢ 인

㉣ 핵의 기능

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<삿갓말의 재생 실험>

② 세포막

㉠ 구성 성분 : 단백질 + 인지질

㉡ 단위막 구조 : 지질 이중층을 단백질이 싸고 있다는 학설로 현재 부정되고 있다.

㉢ 유동 모자이크막 구조 : 지질 이중층에 구형의 단백질이 붙어있거나 관통하고 있는 구조

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<단위막 구조>

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<유동모자이크막 구조>

 

③ 미토콘드리아

㉠ 이중막(외막 + 내막), 크리스타

㉡ 산화 환원 효소

㉢ 미토콘드리아의 기능

㉣ DNA 보유 → 자기 복제 가능

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④ 엽록체

㉠ 이중막

㉡ 라멜라 구조

㉢ 그라나(명반응)+스트로마(암반응)

㉣ DNA 보유 → 자기 복제 가능

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⑤ 소포체

㉠ 핵막과 연결

㉡ 조면 소포체 : 리보솜과 결합 → 폴리펩티드 합성에 관여

㉢ 활면 소포체 : 리보솜 없음 → 지질(지방, 인지질, 스테로이드)의 합성에 관여

 

⑥ 리보솜

㉠ 가장 작은 세포기관

㉡ 단백질 합성 장소

㉢ rRNA + 단백질

㉣ 소포체에 결합된 리보솜 :

세포질에 분산된 리보솜 :

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⑦ 골지체

㉠ 분비 기능이 왕성한 세포에 발달

㉡ 물질의 저장, 농축, 분비

㉢ 단백질과 탄수화물의 결합

㉣ 다당류, 셀룰로오스 합성

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⑧ 리소좀

㉡ 가수분해 효소 함유

㉠ 골지체로부터 분리

㉢ 세포내 물질의 자가 분해(suicide sacs)

㉣ 백혈구의 식균작용

※ Tay-Sachs disease

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⑨ 퍼옥시좀

㉠ Microbody → Peroxysome(카탈라아제 함유)

㉡ 동물(간, 신장), 식물(잎)

㉢ 퍼옥시좀의 세포막 : 40 여개의 효소 함유

– 담즙산 합성 : 지방 분해 작용

– 지방산 분해

– 독성 물질 분해

※ ALD(adrenoleukodystrophy) : Lorenzo’s Oil

 

⑩ 중심체

㉠ 동물 세포

㉡ 2개의 중심립

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(나) 후형질

① 세포벽

㉠ 1차벽(펙틴 + 셀룰로오스)

㉡ 2차벽(리그닌)

㉢ 전투과성

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② 액포

㉠ 주로 식물세포

㉡ 당, 유기산, 무기염류 함유 → 삼투압 유지

㉢ 안토시아닌

 

③ 세포내 함유물 : 녹말립, 지방립, 색소, 탄산칼슘, 옥살산칼슘

 

☞ 동물 세포와 식물 세포의 차이 : 식물 세포에는 세포벽과 엽록체가 있으며 동물 세포에는 중심체가 있다.

 

(4) 세포막을 통한 물질의 출입

① 확산 : 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상. 예 : 폐포에서의 가스 교환

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<확산의 개념>

② 삼투 : 반투과성 막을 경계로 용매가 저농도에서 고농도로 확산되는 현상

③ 삼투압 : 삼투 현상에서 용매 분자가 반투과성막을 통과해 들어가려는 압력

P = cRT P : 삼투압, c : 용액의 몰 농도

R : 기체 상수(0.082), T : 절대 온도(273+t℃)

 

예제. 다음 그림과 같이 U자관에 방광막을 끼우고 A쪽에는 0.2M의 소금물을 넣고 B쪽에는 0.3M의 설탕물을 넣었다. 양쪽 수면의 높이를 같게 유지하려면 어느 쪽에 어느 정도의 압력을 가해야 하는가? (단, 소금은 100% 해리하고, 용액의 온도는 27℃, 기체 상수는 0.08이다.)

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해설 :

A에서의 삼투압 = 2 X 0.2 X 0.082 X (273 + 27) = 9.84 기압

B에서의 삼투압 = 0.3 X 0.082 X (273 + 27) = 7.38 기압

따라서 B쪽에 9.84 – 7.38 = 2.46 기압을 가해야 양쪽의 삼투압이 같아져 수면의 높이가 같게 유지된다.

 

④ 식물 세포의 삼투

․팽압 : 저장액에서 세포내로 들어온 물이 세포벽을 바깥쪽으로 밀어내는 압력.

․원형질 분리 : 고장액에서 세포내의 물이 빠져나와 세포막과 세포벽이 분리되는 현상.

․흡수력 = 삼투압 – 팽압

⑤ 능동 수송 : 세포막이 에너지를 사용해서 농도에 역행하여 물질을 수송하는 것

(예) 뉴런에서 Na, K 이온의 불균등 분포, 신장에서 물질의 재흡수

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4. 생물체의 유기적 구성 : 세포 – 조직 – 기관 – 개체

(1) 식물의 조직

① 분열 조직 : 세포 분열 능력이 있는 조직.(예) 생장점, 형성층

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② 영구 조직 : 표피 조직, 유조직, 기계 조직, 통도 조직

 

(2) 동물의 조직 : 상피 조직, 결합 조직, 근육 조직, 신경 조직

(3) 식물의 기관 : 영양 기관(뿌리, 줄기, 잎), 생식 기관(꽃, 열매)

(4) 동물의 기관 : 입, 폐, 심장, 혈액, 뇌 등

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5. 핵과 세포질의 특성

(1) 핵과 세포질의 구성 화합물

① 물

․생물 무게의 약 50~95%를 차지한다.

․대부분의 물질을 녹여 화학 반응이 쉽게 일어나게 한다.

․비열이나 기화열이 커서 체온 유지를 쉽게 한다.

․물분자는 극성을 띠고 있어 수소 결합을 하며 강한 응집력을 갖는다.

② 단백질

․탄소, 수소, 산소, 질소, 황 등의 원소로 구성되어 있다.

․단백질은 아미노산이 펩티드 결합에 의해 만들어진 고분자 물질이다.

․핵과 세포질의 구성 물질이며 효소나 호르몬의 성분으로 물질 대사와 생리 작용을 조절.

․단백질의 구조 :

1차 구조 : 아미노산의 종류와 배열 순서

2차 구조 : 아미노산이 일정한 각도를 이루며 결합하여 생기는 구조

α 구조 : 폴리펩티드 사슬이 일정한 각도로 꼬인 나선 구조

β 구조 : 폴리펩티드 사슬이 병풍 모양을 이루는 구조

3차 구조 : 단백질의 2차 구조가 다시 구부러지고 겹쳐진 입체 구조

4차 구조 : 폴리펩티드 사슬이 모여 이룬 복잡한 입체 구조

<단백질의 1차 구조>

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<단백질의 2차 구조>

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<단백질의 3차 구조>

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<단백질의 4차 구조>

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③ 핵산

․유전 정보를 가지고 있는 고분자 화합물로 DNA와 RNA가 있다.

․핵산의 기본 구조

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④ 탄수화물

․탄소, 수소, 산소가 1 : 2 : 1의 비율로 결합, 에너지원

․단당류 : 탄소의 수에 따라 3탄당, 4탄당, 5탄당(리보오스, 데옥시리보오스), 6탄당(포도당, 과당, 갈락토오스)이 있다.

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․이당류 : 엿당, 설탕, 젖당

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․다당류 : 셀룰로오스, 녹말, 글리코겐 등

⑤ 지질

․탄소, 수소, 산소로 구성, 에너지원, 세포막의 구성 성분

․중성 지방 : 글리세롤 1분자와 지방산 3 분자로 구성

․인지질 : 생체막의 주성분

․스테로이드 : 비타민, 호르몬의 구성 성분

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⑥ 무기 염류 : 세포를 구성하거나 생리 작용을 조절한다.

무기염류 작 용
Na 삼투압 조절, 신경 전도
K 삼투압 조절, 신경 전도
P 뼈․이․핵산․ATP의 성분
Cl 혈장․위산의 성분, 삼투압 조절
Ca 뼈․이․혈장의 성분, 혈액 응고, 근육의 수축 이완
Mg 뼈․혈장․조효소의 성분, 효소의 활성화
I 갑상선 호르몬(티록신)의 성분
Fe 헤모글로빈․시토크롬의 성분
S 단백질의 성분, 효소의 활성화

(2) 핵과 세포질의 물리․화학적 특성

① 핵과 세포질의 상태

․투명한 액체에 작은 입자들이 분산되어 있는 상태를 콜로이드라고 하며 유동적인 졸 상태와 반유동적인 겔 상태가 가역적으로 변한다.

․콜로이드 용액의 변화 : 물의 함량, 온도, pH 등에 의해 영향을 받는다.

② 핵과 세포질의 유동 : 세포내에서 원형질이 일정한 방향으로 이동하는 현상으로 온도와 pH에 영향을 받는다.

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6. 효소

(1) 생물체와 에너지

․동화 작용 : 저분자 물질로부터 고분자 물질이 합성되는 과정으로 에너지가 흡수된다.

․이화 작용 : 고분자 물질이 저분자 물질로 분해되는 과정으로 에너지가 방출된다.

(2) 에너지와 화학 반응 : 물질이 화학 반응을 일으키기 위해 필요로 하는 최소의 에너지를 활성화 에너지라고 하며효소는 활성화 에너지를 감소시켜 반응을 촉진시킨다.

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(3) 효소

① 특성 : 특정 기질에만 작용하는 기질 특이성이 있고, 온도와 pH에 따라 활성이 변한다.

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<효소의 기질 특이성>

② 효소의 구성 : 전효소 = 주효소(단백질) + 조효소(비타민, 금속 이온 등)

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③ 효소의 종류

․가수 분해 효소 : 물의 도움을 받아 기질을 분해 (예)소화 효소

․산화 환원 효소 : 물질의 산화 환원을 촉진 (예) 호흡 효소

․전이 효소 : 기질의 원자단을 다른 기질에 옮김 (예) 아미노기 전이 효소

․합성 효소 : ATP를 사용한 물질의 합성 (예) 글루탐산 합성 효소

 

조상환

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