생물학, 생명과학, 공무원 시험 등 생물과학 요점 정리 2강. 생명체의 구성물질

제 2 강 생명체의 구성물질

 

 

 

1. 생명현상에 필수적인 원소

가. 생체원소

① ‌자연계에는 92가지의 원소가 존재하며, 그중 생명현상에 필수적인 것은 약 25종으로 이것을 생체원소라고 한다.

② ‌‌생체원소는 생명체 내에서 생산되지 않으므로 외부로부터 공급되어야 한다.

③ ‌‌생체원소 가운데 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 등 4가지 원소가 생명체의 99% 이상을 차지하며, 이들을 다량원소라고 한다.

④ ‌다량원소 외의 생체원소들은 생명체에 함유된 양이 매우 적어서 소량원소·미량원소로 부르며, 적은 양이지만 생명현상에 중요한 역할을 한다.

 

나. 분자

① ‌자연계에는 순수한 원소보다 화합물(compound)이 훨씬 더 많다.

② ‌‌화합물은 2가지 이상의 원소가 일정한 비율로 구성된 물질을 말하며, 이는 그 구성원소와 다른 화학적 성질을 갖는다.

③ ‌화합물의 최소단위를 분자(molecule)라고 하며, 원소의 원자들이 이온결합, 공유결합, 수소결합 등 화학결합을 통해 분자를 형성한다.

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2. 생명체에 중요한 무기물

가. 물(H2O)

① ‌물분자는 다른 많은 종류의 분자와 쉽게 수소결합을 하는 부착능력이 뛰어나며, 이는 물질이 물을 흡수하여 팽창하는 원인이 된다.

② ‌물을 흡수한 종자는 팽창하여 그 껍질을 터뜨리고 발아(germination)한다.

③ ‌물분자들은 수소결합 때문에 강한 응집력을 가지며, 이는 식물의 뿌리에서 잎으로 물이 이동할 때 물기둥이 끊어지지 않게 하는 원동력이 된다.

④ ‌물은 분자들이 수소결합으로 강하게 결합되어 있어서 천천히 뜨거워지고 서서히 식으며 쉽게 증발하지 않는다.

 

나. 이산화탄소(CO2)

① ‌이산화탄소는 생명체에 탄소(C)를 공급한다.

② ‌탄소는 4개의 공유결합을 가지며 이중결합과 삼중결합도 형성하므로 다른 원소와 결합하여 다양한 분자를 만들 수 있고, 그 자신이 다른 탄소와 결합하여 긴 사슬이나 고리를 만들기 때문에 단백질·핵산·탄수화물·지질 등 중요한 유기물의 탄소골격(carbon skeleton)을 이룬다.

 

다. 산소(O2)

① ‌지구의 대기조성 중 약 21%는 산소이다.

② ‌생명체가 유기물로부터 에너지를 얻는 데 산소가 있어야 효율적이다.

③ ‌무산소호흡(발효)에서는 1분자의 포도당으로부터 2분자의 ATP(아데노신-3-인산, 화학에너지를 저장하고 있는 고 에너지인산화합물)를 얻는 데 불과하지만, 유산소호흡의 경우는 최대 32분자의 APT를 생산할 수 있다.

④ ‌한 분자의 ATP가 가수분해될 때 7.3kcal/몰(mol)의 에너지가 방출된다.

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3. 생명체를 구성하는 유기물

가. 단백질

1) ‌기능 : 단백질(protein)은 생명체의 구조와 기능을 결정하는 데 필수적이며 모든 생명현상을 조절한다. 구조단백질은 형태를 만들고, 수축단백질은 운동을 가능하게 하며, 저장단백질은 아미노산의 원료를 제공한다. 방어단백질은 체내에 침입하는 감염체에 대항하고, 수송단백질은 물질을 수송하며, 신호단백질은 세포와 세포 사이에 메시지를 전달한다. 효소단백질은 체내 화학반응을 일어나게 한다.

2) ‌종류 : 단백질은 20가지 아미노산(amino acid)의 결합형태와 수에 따라 다양한 종류가 만들어진다.

3) ‌구조 : 각 아미노산은 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)를 가지고 있으며 곁사슬(측쇄, side group)을 이루는 R그룹에 의하여 성질이 결정된다. 아미노산과 아미노산은 탈수합성(dehydration synthesis) 반응에 의하여 연결되며, 두 아미노산 사이에 형성된 결합을 펩티드결합(peptide bond)이라 한다. 많은 아미노산이 펩티드결합으로 연결된 아미노산 사슬을 폴리펩티드(polypeptide)라 한다. 폴리펩티드가 독특한 형태를 가지고 생물학적 기능을 나타낼 때 이를 단백질이라 하며, 단백질의 종류에 따라 3차 또는 4차 구조를 갖는다.

① ‌1차구조 : 폴리펩티드를 구성하는 아미노산 서열을 1차구조라 하며, 이것은 유전자에 의해 결정된다.

② ‌2차구조 : 1차구조를 이룬 폴리펩티드는 아미노산들 사이의 수소결합에 의하여 자동적으로 꼬이고 접혀서 2차구조로 되어 α-나선구조 또는 β-병풍구조를 만든다.

③ ‌3차·4차 구조 : 2차구조를 이룬 폴리펩티드는 소수성 R그룹 사이의 상호인력에 의해서 다시 구부러지거나 접히면서 둥근 모양이나 섬유 모양의 3차구조를 이룬다. 효소는 둥근 모양의 단백질이 대부분이다. 3차구조의 단백질 중에는 상호결합하여 4차구조를 형성하기도 한다. 산소를 운반하는 헤모글로빈은 3차구조의 α-글로빈 폴리펩티드와 β-글로빈 폴리펩티드가 2개씩 모여서 만들어진 것이다.

4) ‌특징 : 단백질은 1차구조가 2차·3차·4차 등 입체구조로 되는 것은 구조형성을 도와주는 여러 가지 보조단백질이 있기 때문이며, 이를 샤페론단백질(chaperone protein)이라 한다. 단백질은 온도가 60℃ 이상이거나, 동결, 자외선 조사 또는 산이나 염기를 처리하면 입체구조가 파괴되어 정상적인 기능을 상실하는데, 이를 단백질의 변성(denaturation)이라 한다.

 

나. 효소

1) ‌기능 : 효소(enzyme)는 세포 내에서 일어나는 화학반응을 촉매(catalyze, 화학반응을 촉진시키는 작용)하는 단백질이다.

2) 특징

① ‌효소가 화학반응을 촉매할 때는 기질(substrate, 반응에 첨가하는 화합물)과 결합하여 효소·기질복합체(enzyme-substrate complex)를 형성하고 기질의 활성화에너지(energy of activation, EA, 화학반응에 참여하기 위해 기질이 가져야 하는 에너지)를 낮추어줌으로써 쉽게 반응이 일어난다.

② ‌효소는 종류에 따라 1가지 반응만을 촉매하는 특이성이 있으며, 이 특이성은 효소의 활성부위(active site) 때문에 나타난다. 효소의 활성부위가 기질의 특정한 구조에 화학변화를 일으키게 하는 촉매작용을 수행하며, 이를 효소의 기질특이성(substrate specificity)이라 한다.

③ ‌효소는 2개의 기질과 결합하여 하나의 생성물을 만들거나(합성), 하나의 기질과 결합하여 2개의 생성물을 만든다(분해).

④ ‌효소는 단백질이므로 종류에 따라 특정한 온도와 pH조건에서 촉매작용을 한다. 온도와 pH가 적합하지 않으면 효소는 촉매작용을 하지 않는다. 대부분의 효소는 40∼45℃ 이상이거나 5℃ 이하에서는 활성이 매우 낮아지거나 촉매활성을 완전히 잃게 된다.

 

다. 핵산

1) 기능 : 유전자의 기능을 가진 물질, 생체내의 유기물 가운데 가장 큰 분자

2) 종류 : DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)의 2종류가 있다.

① ‌DNA : 부모로부터 물려받는 유전물질(유전자)이며, DNA의 염기서열은 3개의 염기가 특정한 하나의 아미노산을 지정하는 암호로 쓰이고, 이를 유전암호(genetic code)라 한다. 유전자(gene)는 DNA가닥에서 하나의 폴리펩티드를 만드는 유전암호의 서열을 가리키는 것이며, 이 유전암호 서열을 유전정보라 부른다.

② ‌RNA : DNA로부터 합성(전사)된다. DNA의 유전자(유전정보)는 RNA로 전사되어 단백질로 번역된다. RNA는 1가닥의 폴리뉴클레오티드로 존재하며, 여러 다른 모양을 형성할 수 있어서 다양한 기능을 한다.

3) ‌구성 : 핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)가 중합된 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)이다. 뉴클레오티드는 인산, 5탄당(리보오스, 디옥시리보오스), 염기(A, G, C, T, U)로 구성된다. A(adenine, 아데닌), G(guanine, 구아닌), C(cytosine, 시토신), T(thymine, 티민), U(uracil, 우라실)는 경우에 따라 각각의 염기 자체를 나타내거나 염기를 포함하는 뉴클레오티드를 가리킨다. 염기 중에 T는 DNA에만 있고 U는 RNA에만 있다. DNA는 2가닥의 폴리뉴클레오티드가 감겨 2중 나선(double helix) 구조를 이루는데 A=T, C≡G 결합을 상보적 염기쌍(complementary base pair)이라고 하며, 이 상보성 때문에 유전자인 DNA의 안정성이 유지되고, DNA의 복제와 수선을 가능하게 만든다.

 

라. 탄수화물

1) ‌기능 : 탄수화물(carbohydrate)은 생명체의 에너지원과 구조화합물로서 중요하다.

2) ‌구성 : 단당류가 기본구조물로 되어 있으며, 대표적인 단당류는 6탄당으로서, 포도당(glucose)·과당(fructose)·갈락토오스(galactose) 등이 있으며, 이들은 같은 분자식(C6H12O6)을 가지고 있으나 화학구조가 서로 다르다. 2개의 단당이 결합하면 이당류가 된다. 두 분자의 포도당이 결합된 엿당(maltose), 포도당과 과당이 결합한 설탕(sucrose), 젖당(lactose)은 포도당과 갈락토오스가 결합하여 형성된다.

3) ‌특징 : 여러 개의 단당류가 연결된 중합체를 다당류라고 한다. 녹말(전분)·글리코겐·셀룰로오스·키틴 등은 모두 수많은 포도당이 글리코시드결합으로 중합된 다당류이다. 식물세포는 녹말분자가 나선형으로 감겨 있는 녹말과립을 저장하고 있으며, 녹말(starch)은 포도당으로 가수분해되어 에너지와 다른 분자의 구성재료가 된다. 동물은 사용하고 남은 당을 글리코겐(glycogen)으로 저장하며, 셀룰로오스(cellulose)는 지구상에서 가장 풍부한 유기물이며, 가지가 없는 기다란 섬유소로 되어 있어 식물 세포벽의 구성물질로 쓰인다. 키틴(chitin)은 곤충과 거미의 유연한 외골격을 이루고 많은 곰팡이의 세포벽을 형성한다.

 

마. 지질

1) ‌기능 : 에너지저장·생체막의 구성성분·신호전달 등의 기능을 담당하며, 필수지방산(인체 내에서 만들 수 없는 지방산, 리놀렌산 등)과 지용성 비타민의 공급원이 중요하다.

2) ‌종류 : 지질(lipid)에는 지방·기름·인지질·왁스·스테로이드 등이 있으며, 생명체에서 지질은 식물은 지방을 종자에 저장하며, 동물은 피하와 내부기관에 저장한다.

3) ‌구조 : 지방(fat)과 기름(oil)은 1분자의 글리세롤(glycerol)과 3분자의 지방산(fatty acid)이 에스테르결합으로 형성된 지질이며, 트리글리세리드(triglyceride, 중성지방)라고 한다. 기름은 지방의 한 형태로 실온에서 액체 상태이고, 지방은 고체 상태이다.

① ‌지방산에서 탄소 사이에 이중결합이 없는 것을 포화지방산(saturated fatty acid), 이중결합이 있는 것은 불포화지방산(unsaturated fatty acid)이라고 한다.

② ‌버터(butter)나 라드(lard) 같은 동물성 지방은 포화지방산이 대부분이고, 옥수수기름·땅콩기름·올리브기름 등 식물성 기름에는 불포화지방산이 많다.

③ ‌고체의 마가린(margarine)은 식물성 불포화지방산에 수소를 첨가시킨 것이며, 이 과정에서 트랜스지방(trans fat)이 생성된다. 트랜스지방은 혈액에 LDL-콜레스테롤을 높이고 HDL-콜레스테롤을 낮추는 작용을 하여 심혈관질환과 관련이 있는 것으로 알려졌다.

④ ‌인지질(phospholipid)은 글리세롤의 탄소 3개 중 2개가 지방산과 결합하고 세 번째 탄소에 인산화합물이 결합된 것이다. 인지질은 인산기가 친수성이고 지방산은 소수성을 나타내기 때문에 세포막과 생체막의 구성성분으로 적합하다.

⑤ ‌왁스(wax)는 지방산과 알코올이 에스테르결합을 한 지질이다. 왁스는 지방보다 훨씬 단단하고 소수성이 강하여 식물의 잎과 사과·배 등 과일의 표면에 방수막을 만드는 등 보호작용을 한다.

⑥ ‌스테로이드(steroid)는 4개의 탄소 고리가 연결된 구조를 가지는 지질이며 라놀린(lanolin)·콜레스테롤(cholesterol) 등이 있다. 동물세포는 콜레스테롤을 변화시켜 성 호르몬인 테스토스테론(testosterone)과 에스트로겐(estrogen) 등을 만든다.

 

 

 

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■ 확인문제

 

1. 헤모글로빈은 혈액에서 산소를 운반하는(         ) 이다.

① ‌수송단백질 ② ‌방어단백질

③ ‌신호단백질 ④ 효소단백질

 

2. 단백질의 구조는 1차·2차·3차·4차 구조가 있다. (         ) 인 α-나선구조와 β-병풍구조는 단백질의 성질과 밀접한 관련이 있다.

① ‌1차구조 ② ‌2차구조

③ ‌3차구조 ④ 4차구조

 

3. DNA와 RNA를 비교하면  (         ) .

① ‌DNA의 당은 디옥시리보오스이고, RNA의 당은 리보오스이다

② ‌DNA에는 우라실이 없고, RNA에는 티민이 없다

③ ‌DNA는 RNA로부터 합성되고, RNA는 자율적으로 복제된다

④ ①과 ②가 맞다

 

4. 탄수화물은 생명체의 에너지원과 구조화합물로 중요하다.  (         ) 은(는) 동물의 에너지원으로 쓰이는 저장탄수화물이다.

① ‌셀룰로오스 ② ‌녹말(전분)

③ ‌글리코겐 ④ 키틴

 

5. 지질은 물에 녹지 않고 에테르와 같은 유기용매에 잘 녹는다. 인산화합물이 결합된 인지질이 생체막의 구성성분으로 적합한 이유는 .

① ‌인지질 한 분자 내에 친수성 부분과 소수성 부분을 함께 가지고 있기 때문이다

② ‌인지질은 탄수화물을 함께 가지고 있기 때문이다

③ ‌인지질은 핵산의 기능도 수행하기 때문이다

④ 인지질은 단백질을 분해할 수 있기 때문이다

 

 

6. 생명체 내에서 물의 기능을 바르게 설명한 것은?

① ‌DNA는 물에서 그 형태가 유지된다.

② ‌효소는 물이 없는 조건에서 반응이 이루어진다.

③ ‌지질은 물이 있어야 녹는다.

④ 물은 아미노산과 아미노산을 결합시킨다.

 

7. 단백질, 핵산, 탄수화물 등 유기물질의 골격을 이루는 무기성분은?

① ‌산소 ② ‌탄소

③ ‌질소 ④ 수소

 

8. 지방과 인지질에 대한 설명으로 바른 것은?

① ‌지방은 근세포에서 중요하고, 인지질은 신경세포에서 중요하다.

② ‌지방은 에너지원이고, 인지질은 생체막의 구성물질이다.

③ ‌지방은 친수성기만으로 되어 있고, 인지질은 소수성기만으로 되어 있다.

④ 지방은 알코올기만으로 되어 있고, 인지질은 알데히드기만으로 되어 있다.

 

9. 생명체가 유기물로부터 에너지를 얻는 데 필요한 무기물은?

① ‌O2 ② ‌H2O

③ ‌CO2 ④ PO4

 

10. 녹말에 대한 설명으로 바른 것은?

① ‌동물의 저장탄수화물이다. ② ‌식물의 저장탄수화물이다.

③ ‌동물의 저장단백질이다. ④ 식물의 저장단백질이다.

 

 

■ 정답 및 해설

 

1. ① 단백질은 생명체의 구조와 기능을 결정하며 모든 생명현상을 조절하는데, 기능에 따라 구조단백질(콜라겐), 수축단백질(액틴), 저장단백질(알부민), 방어단백질(항체), 수송단백질(헤모글로빈), 신호단백질(호르몬단백질), 효소단백질(아밀라아제) 등으로 구분한다.(교과서 29쪽)

 

2. ② 단백질은 아미노산들이 펩티드결합으로 연결되어 1차구조를 형성하면, 아미노산 간의 수소결합에 의해 2차구조인 α-나선구조와 β-병풍구조가 만들어진다. α-나선구조는 양모, β-병풍구조는 실크의 단백질에서 볼 수 있다.(교과서 31쪽)

 

3. ④ DNA와 RNA는 핵산으로 유전물질이며, 핵산은 뉴클레오티드가 중합된 폴리뉴클레오티드이다. 뉴클레오티드는 인산과 당 및 염기가 결합된 것이다. DNA의 당은 디옥시리보오스이고 RNA의 당은 리보오스이며, DNA의 염기는 A(아데닌), G(구아닌), C(시토신), T(티민)이고, RNA의 염기는 A, G, C, U(우라실)이다. DNA는 자율적으로 복제되고 RNA는 DNA로부터 전사(합성)된다.(교과서 35~36쪽)

 

4. ③ 식물의 저장탄수화물은 녹말이고 동물세포의 저장탄수화물은 글리코겐이다. 녹말과 글리코겐 모두 포도당의 중합체인데, 글리코겐은 녹말보다 가지가 더 많다.(교과서 37~38쪽)

 

5. ① 인지질은 1분자의 글리세롤에 2분자의 지방산과 인산화합물이 결합된 것으로, 인산기가 친수성이고 지방산은 소수성을 나타내기 때문에 세포막과 생체막의 구성성분으로 적합하다. 2층의 인지질이 세포막을 형성할 때 친수성 부위가 바깥쪽에 배열한다.(교과서 39~40쪽)

 

6. ① 생명체의 50~80%는 물이다. 체내에서 물은 DNA, 단백질 등 유기물의 형태를 유지하고, 물질을 용해하고, 각종 화학반응의 장이 되며, 온도변화를 완화시켜 생명체의 안정한 환경을 유지해 준다.(교과서 28쪽)

 

7. ② 탄소(C)는 다른 탄소와 결합하여 긴 사슬이나 고리를 만드는데, 이것이 단백질·핵산·탄수화물·지질 등 중요한 유기물의 골격을 이루며, 이를 탄소골격이라고 한다.(교과서 28쪽)

 

8. ② 지방은 에너지 함량이 커서 지방 1g은 같은 양의 탄수화물보다 2배 이상의 에너지를 저장할 수 있다.(교과서 38쪽). 인지질은 친수성과 소수성을 모두 나타내므로 생체막의 구성성분이 된다.(교과서 40쪽)

 

9. ① 산소호흡을 하는 호기성 생물(aerobe)은 유기물로부터 에너지(ATP)를 얻을 때 전자와 수소가 나오는데, 산소가 이들을 수용함으로써 많은 에너지를 이용할 수 있다.(교과서 29, 116쪽)

 

10. ② 녹말(전분)은 수많은 포도당이 글리코시드결합으로 중합된 다당류로 식물의 저장 탄수화물이다.(교과서 38쪽)

 

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