생화학을 공부하다 보면, 분자식들이 교과서마다 다르게 표현되어 있어 기억하기가 무척 어렵고 핵심적 생화학 작용의 상호 관계를 이해하기가 쉽지 않다. 그래서 관련 정보가 한 장에 모여 있어 상호 관계가 확연히 드러나는 책의 필요성을 오랫동안 느껴왔다. 이 책을 쓰게 된 직접적인 동기다.
#생물학
생명은 어떻게 작동하는가
박문호 박사의 생명 현상 특강
박문호 저자
- 2019년 01월 15일
- 978-89-349-8468-9 03470
생명은 어떻게 작동하는가
박문호 박사의 생명 현상 특강
저자 박문호
2019.01.15
호흡과 광합성에서 후성유전학까지, 그림으로 이해하는 생명 현상의 모든 것
10년간 수천 명의 수강생을 열광시킨 통합과학 특강,
3부작 ‘137억 년 우주의 진화’ 첫 번째 마당!
10년간 수천 명의 수강생을 열광시킨 통합과학 특강,
3부작 ‘137억 년 우주의 진화’ 첫 번째 마당!
‘박문호의 자연과학 세상’에서 10년 넘게 이어지고 있는 ‘137억 년 우주의 진화’ 강의를 담은 생물학·지질학·우주론 3부작 중 첫 번째 책. 저자가 직접 수십 차례 노트에 그려가며 종합·변형했거나 창안해낸 236컷의 그림과 ‘결정적 지식’을 제시하면서 호흡과 대사, 글루코스 분자의 분해와 합성, ATP 합성, 미토콘드리아의 TCA 회로, 세포질의 해당 작용, 생명의 출현에서 성장·노화·죽음과 유전까지, 생명 현상의 중요한 메커니즘을 분자 수준에서 서술한다.
P.5
생화학을 공부하다 보면, 분자식들이 교과서마다 다르게 표현되어 있어 기억하기가 무척 어렵고 핵심적 생화학 작용의 상호 관계를 이해하기가 쉽지 않다. 그래서 관련 정보가 한 장에 모여 있어 상호 관계가 확연히 드러나는 책의 필요성을 오랫동안 느껴왔다. 이 책을 쓰게 된 직접적인 동기다. 그래서 분자식들을 기억하기 쉬운 구조로 일관되게 표시했고, 상호 관련된 정보는 최대한 한 장에 모았다.
P.7
생물학은 전자, 양성자, 광자를 통해 암석학과 지구과학을 만나고, 결국 우주론을 만난다. 생명 현상은 C, H, N, O, P, S 원소가 공유결합으로 만드는 분자들의 이야기이다. 이 원소들은 어디에서 왔는가? 빅뱅에서 수소가 생성되었고, 수소는 별이 되었으며, 별 속 핵융합으로 이 원소들이 생겨났다. 우리는 모두 별과 우주의 자손이다.
P.39
무의식적으로 자동 출력되는 운동이 ‘습관의 힘’이라면 의식적으로 자신이 원하는 방향으로 세상을 바라보게 하는 힘은 ‘개념의 힘’이다. 습관의 관성력에 대응하려면 의식의 원심력이 필요하다. 개념은 의식을 집중하여 지속하게 하는 힘이 있다. 항상 주의를 집중하여 의식적으로 사건과 사물을 관찰하려는 힘이 곧 개념의 힘이다.
P.75
행성에서 생명이 진화하려면 우선 액체 상태의 물이 존재해야 한다. 액체 상태의 물이 생명의 출현에 필수 조건인 이유는 물이 다양한 유기 분자들을 녹이는 용매 역할을 하고, 이온화된 물이 양성자와 전자를 방출할 수 있기 때문이다. 세포는 70%가 물로 되어 있고, 물은 분해되어 양성자와 수산이온이 된다. 생명 현상은 전자와 양성자의 제어된 이동에 의한 산화 환원 과정이다. 물이 광자에 의해 분해되어 전자와 양성자 그리고 산소 분자를 생성하는 현상이 바로 광합성이며, 반대로 태양 에너지로 흥분된 전자를 산소 분자가 회수하여 물 분자로 바뀌는 과정이 호흡이다.
P.97-98
숙주세포와 미토콘드리아의 공생 관계에서 숙주세포는 미토콘드리아에게 생존 공간과 단백질을 제공하고 미토콘드리아는 숙주세포의 생명 활동 에너지인 ATP 분자를 대규모로 제공한다. 즉, 미토콘드리아는 숙주세포의 에너지 생산 공장이 되었다. 세포가 에너지를 만드는 호흡 작용은 광합성 생성 분자인 글루코스에 갇힌 태양 에너지를 방출하는 과정이다. 태양 에너지가 광합성 세균에 의해 포도당으로 전환되고, 이 포도당과 지질이 다시 이산화탄소와 물로 분해되는 과정에서 유리된 전자의 에너지를 이용하여 미토콘드리아는 ATP 분자를 만든다. ATP를 합성하는 역할과 더불어 미토콘드리아는 세포 자살을 촉발한다. 숙주세포의 돌연변이로 숙주세포가 만드는 단백질의 불량이 많아지면 세포의 분열 증식 속도가 떨어진다. 따라서 숙주세포에 갇힌 ‘미토콘드리아’라는 박테리아도 분열이 제한된다. 미토콘드리아는 박테리아처럼 이분법으로 분열 증식한다. 어떤 측면으로 보아도 미토콘드리아는 큰 숙주세포에 잡아먹힌 원핵세포 박테리아로 보인다.
P.127
세포 속에서 전자는 대부분 원자와 원자 사이의 공유결합을 형성하는 데 사용되기에 혼자서 방황하는 전자는 드물다. 하이드록실라디칼이 결국 공유결합에 가담한 전자를 훔쳐 와서 물이 되면 전자를 빼앗긴 분자는 분해된다. 하이드록실라디칼은 지질 분자와 DNA 분자에서 전자를 탈취하고, 그 결과 DNA에 돌연변이가 생긴다. 하이드록실라디칼이 물로 바뀌며 주위 분자를 산화하는 과정에서 노화의 주요한 원인 물질인 활성산소가 생성된다.
P.151
미토콘드리아의 DNA는 박테리아 DNA 크기의 대략 10% 정도이며, 대부분의 유전자가 핵의 유전자로 편입되었다고 추정된다. 그래서 미토콘드리아는 자신의 핵심 유전자 37개만 유지한다. 자신의 유전 정보의 대부분을 숙주세포 DNA로 이동시킨 미토콘드리아는 생명의 독자성을 포기하고 숙주세포에 공생하게 된다. 자신의 독자성을 포기한 미토콘드리아는 더 많은 ATP 분자를 숙주세포에 제공하여 다세포 생명체를 진화시킨 원동력이 된다.
P.236
이러한 양성자 확산 과정을 이용하여 발전기 터빈처럼 ATP 합성효소가 회전하면서 ADP+Pi→ATP 반응으로 생명의 에너지인 ATP 분자가 생겨난다. ATP 분자가 ‘유전 정보이면서 에너지 분자이다’라는 사실은 이 분자가 일으키는 놀라움의 일부이다. 왜냐하면 ATP→ADP→AMP로 바뀌는 과정에서 방출되는 인산기는 단백질과 결합하여 단백질을 활성화시켜 세포내 단백질의 상호작용을 일으키기 때문이다. 그리고 AMP의 분자 구조가 바뀌어 인산기가 아데노신과 고리 형태로 결합하여 사이클릭cyclic AMP인 사이클릭아데노신1인산cyclic adenosine monophosphate(cAMP)을 형성한다. cAMP 분자는 세포내 생화학 작용의 메신저로 활동한다. cAMP 분자에 대한 연구는 노벨상을 받을 만큼 중요하다. 생명 현상을 물질과 에너지의 상호작용으로 본다면, 물질의 배열, 즉 분자의 배열 순서가 바로 정보이며, 정보와 에너지를 동시에 담당하는 분자가 바로 ATP이다. 동물학자 리처드 도킨스가 “생명의 드라마에서 DNA와 ATP 합성효소가 공동 주연이다”라고 표현한 이유는 바로 이러한 ATP 분자 합성의 중요성을 강조한 것이다.
P.279
탄소 원자가 형성하는 입체 구조의 분자가 생명체의 몸을 만든다. 실리콘도 결합손이 4개여서 산소 원자 4개와 결합하여 정사면체의 산화규소 분자를 만든다. 산화규소(SiOx) 분자가 무한히 반복되어 결정 구조를 형성하면 지구 맨틀과 1,500종류나 되는 규산염 광물이 된다. 행성 지구의 표층에 노출된 탄소 원자가 생명 현상을 만들었고, 결정 구조로 형성된 실리콘 원자가 산소와 결합하여 지구의 맨틀이 되었다. 결국 지구와 생명은 결합손이 4개인 탄소와 실리콘이 바탕 구조를 만들었다. 공유결합이 광물과 생물의 구조를 만든다.
P.289
거의 모든 생체 분자의 부모는 포도당이며, 포도당의 중요한 두 아들이 바로 리불로스와 리보스5탄당이다. 포도당의 부모는 물과 이산화탄소 분자이다. 물과 이산화탄소가 광합성을 통해 결혼해서 만든 자식들은 모두 수소와 탄소, 산소만으로 구성된다. 포도당은 빛의 가문이다. 태양의 자손인 포도당 분자에는 암모니아 냄새를 풍기는 질소의 흔적이 없다. 질소 원자는 아미노산 분자를 통해 생명 현상에 등장한다. 리불로스5탄당에 인산기 2개가 탄소 원자에 결합하여 리불로스2인산(RuBP) 분자가 된다. RuBP 분자는 이산화탄소와 결혼한다. 광합성 암반응 과정이 바로 이산화탄소가 생명권에 유입되는 결혼식이다. 신랑은 물 분자이고 신부는 이산화탄소다. 이 결혼식의 중매쟁이는 루비스코rubisco라는 단백질인데, 지구상에 가장 많은 단백질 분자이다.
서문│분자와 생명 현상
1. 생물학을 공부하는 방법
자연 세계를 일상 용어로 묘사하기는 어렵다 | 결정적 지식이 새로운 세계를 열어준다 | 사실을 모르기 때문에 의견을 말한다 | 생각은 꺼내 보아야 한다 | 분자식, 화학반응식, 생화학 회로를 기억하는 형상화 훈련을 하자 | 학습은 용어 단계, 구조 단계, 작용 단계로 구분된다 | 정보는 한 페이지에 통합되어야 한다 | 생물학은 분자학이다 | 사물은 분류되고 생물은 분화된다 | 창의성은 머릿속 이미지를 문자와 수식과 도형으로 표현하는 과정이다 | 개념의 힘 | 학습 욕망은 훈련으로 자란다 | 기억 생성, 기억 활용, 기억 편집 | 멘탈 이미징 훈련 | 패턴 인식과 패턴 생성 | 생명의 분자는 대부분 포도당 분자와 관련된다
2. 생명 진화의 단계
생명은 전자, 양성자, 광자 상호작용의 중첩된 현상이다 | 수소 원자핵은 빅뱅에서 생성된다 | 생명의 원자들은 별의 핵융합에서 만들어진다 | 생명 진화의 10단계 | 생화학의 결정적 지식은 주기율표와 최외각 전자수이다 | 탄수화물, 지질, 단백질 | 생명의 출현을 보는 8개의 프레임 | 생화학 분자식 50개를 기억하면 생명이 보인다 | 한 장에 정보를 모으면 상호 관계가 드러난다 | 원핵세포에서 진핵세포가 출현한다
3. 광합성과 호흡
미토콘드리아의 산소 호흡이 다세포 생물을 만들었다 | 시아노박테리아의 물 분해형 광합성이 대기 중 산소의 기원이다 | 혐기성 박테리아는 무산소 호흡으로 에너지를 얻는다 | 물과 이산화탄소 그리고 수소만으로 생명은 가능하다 | 광합성과 TCA 회로에 익숙해지면 글루코스가 보이기 시작한다 | 미토콘드리아의 활성산소가 DNA를 손상시킨다 | 활성산소 | 생명 현상은 산화와 환원 과정이며 전자와 양성자의 이동이다 | 호흡은 호흡효소에서 물 분자로 전자가 이동하는 과정이다 | 포르피린의 헴 구조는 동물 헤모글로빈과 식물 엽록소의 핵심 분자 구조이다 | 광합성 캘빈 회로는 해당 과정의 역순이다 | 호흡은 산소가 물로 바뀌는 작용이다 | 생명의 에너지는 ATP 합성효소가 만든다 | 세포내 공생이 미토콘드리아와 엽록체의 기원이다 | 미토콘드리아는 핵의 DNA와 기원이 다른 독립된 DNA를 갖고 있다
4. 지질과 생체막
생체막은 인지질로 구성된다 | 단백질 입체 구조 접힘이 효소 작용의 핵심이다 | 콜레스테롤은 아세틸-CoA로부터 합성된다 | 스테로이드 호르몬은 콜레스테롤로부터 합성된다 | 세포질에서 아세틸-CoA 분자에 의한 지방산 생합성이 일어난다 | 지방산의 베타산화는 에너지 생산 과정이다 | 비타민 | 레티날 | 아이소프렌 분자에는 2만 5,000종의 분자 대가족이 있다 | 효소는 대부분 단백질로 구성된다
5. DNA에서 단백질 합성까지
핵산 A, G, C, T 사이의 결합은 인산에 의한 공유결합이다 | DNA와 RNA 구성 단위는 뉴클레오타이드이다 | 수소결합으로 DNA 단일나선들이 이중나선을 만든다 | 분자는 공유결합으로 연결된 원자들의 집합이다 | mRNA의 정보가 아미노산 서열로 되는 과정이 유전 정보의 번역이다 | 아데닌은 티민과 2개의 수소결합, 구아닌은 시토신과 3개의 수소결합을 한다 | ATP는 생물학에서 글루코스 다음으로 중요하다 | DNA 주형가닥의 복제는 3’→5’ 방향으로 진행할 수 없다 | RNA 중합효소 I, II, III의 작용으로 rRNA, mRNA, tRNA가 생성된다 | 리보솜에는 E, P, A 자리가 있다 | 세포질에서 합성된 단백질은 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 퍼옥시솜으로 이동한다
6. 해당 과정, TCA 회로, 캘빈 회로
생명은 C, H, N, O, P, S 원자들이 결합하여 만든 분자들의 이야기다 | 분자식 기억하기는 뇌 인지 훈련의 지름길이다 | 4개의 화학 결합 | 용어에 답이 있다 | 생화학 핵심 분자 10개 | 질소 원자가 생명 현상에 참여하다 | 오르니틴 회로는 아미노산과 TCA 회로의 상호작용이다 | 아미노산의 생합성은 해당 과정과 TCA 회로와 관련된다 | 세린과 글리신의 생합성 | 해당 과정 전반부는 G6P가 분해되어 G3P와 DHAP가 생성되는 과정이다 | 해당 과정 후반부는 G3P에서 피루브산이 생성되는 과정이다 | 글루코스 분해에는 아세틸-CoA, 젖산, 알코올 생성의 3가지 과정이 존재한다 | 아미노산 티로신에서 도파민, 노르에피네피린, 에피네피린이 생성된다 | 코리슴산에서 프리펜산과 안트라닐산이 생성된다 | 안트라닐산은 트립토판을 만들고, 트립토판에서 생성된 세로토닌이 감정을 만든다 | 트립토판이 세로토닌을 만들고, 세로토닌은 수면 물질인 멜라토닌을 만든다 | 고리 분자에 익숙해지면 생화학 공부가 가속된다 | 탄소 원자 고리를 통해 전자가 이동하여 기억과 감정을 만든다 | 모든 생화학 과정은 TCA 회로로 통한다 | 5탄당인산 회로의 분자식에 익숙해지면 생화학 공부가 즐거워진다 | 캘빈 회로의 RuBP 분자가 이산화탄소와 결합한다 | 캘빈 회로의 순환 과정은 Ru5P로 모인다 | NADH 분자에서 분리된 전자에서 30개의 ATP 분자가 생성된다 | 퓨린과 피리미딘의 생합성의 중간 단계는 이노신1인산이다 | 우라실과 티민의 생합성 | 아데닌과 구아닌의 생합성 | DNA 디옥시뉴클레오타이드 분자들의 생성 과정 | DNA와 RNA 분자의 퓨린은 요산으로 분해된다
7. 후성유전학
DNA 복제와 RNA 전사는 5’→3’ 방향으로 진행된다 | 뉴클레오솜 | 메틸화와 아세틸화는 후성유전학의 핵심 내용이다 | 박테리아 리보솜 작은 모듈의 16s rRNA를 분석하여 박테리아, 고세균, 진핵생물의 분류가 생겼다 | DNA가 메틸화되면 복사와 전사를 할 수 없다 | 전사조절인자는 유전자 발현을 조절한다 | miRNA는 mRNA의 번역을 중단시키고 mRNA를 분해한다 | 유전자 발현을 조절하여 환경 변화에 적응한다 | CpG 섬이 메틸화되면 DNA 전사가 억제된다 | 유전 정보는 RNA 분자로부터 보다 안정한 형태인 DNA 분자로 옮겨져 저장된다 | 생명은 단백질 입체 구조가 만든 정교한 분자 기계의 작용이다 | 아데노신 분자가 등장하는 조효소에는 진화의 이력이 새겨져 있다 | DNA 이중나선은 마스터 주형으로 유전 정보를 보관한다 | 유전학은 새로운 ncRNA를 발견하고 기능을 찾아내는 데 주력하고 있다 | 진화가 나아가는 방향은 nc-DNA인 정크유전자의 비율이 커지는 방향이다
8. 바이러스와 박테리아
바이러스는 박테리아의 단백질을 이용하여 자신을 번식시킨다 | 바이러스 분류의 양성과 음성은 뉴클레오타이드가 5’→3’으로만 결합되는 방향 선택성에서 나온다 | 레트로바이러스는 RNA 세계 가설을 실증해 생명을 보는 관점을 확장해준다 | 바이러스는 유전 정보만 존재하고 대사 과정은 숙주 세포에 의지하는 반쪽 생명 현상이다 | 크리스퍼 가위는 바이러스 감염에 대항하는 박테리아의 면역 시스템이다 | 바이러스는 식물성 플랑크톤에 감염한다
9. 식물과 셀룰로오스
식물에서 저장당은 녹말이고, 구조당은 셀룰로오스이다 | 식물에서 저장당은 녹말이며, 동물에서 저장당은 글리코겐이다 | 설탕은 잎에서 식물 저장 조직으로 이동한다 | 식물 조직은 세포 분열하는 살아 있는 분열조직에서 만들어진다 | 물관세포벽에 셀룰로오스가 침착되어 세포벽이 두꺼워져 강한 물관이 된다 | 신생대의 낮은 이산화탄소 농도에 대한 적응으로 C4 식물과 CAM 식물이 출현하였다 | 식물의 생리적 반응은 주로 호르몬 분자들이 담당한다 | 식물 호르몬 옥신의 작용으로 식물의 굴광성 작용이 일어난다 | 식물은 관다발과 종자의 존재 여부에 따라 분류된다 | 식물 진화는 수분의 진화 과정에 드러난다
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저자
박문호
과학의 대중화가 아닌 ‘대중의 과학화’를 모토로 시민학습모임인 ‘(사)박문호의 자연과학 세상’(www.mhpark.co.kr)을 꾸려 15년 가까이 이끌어오고 있다. 현재 1만 명이 넘는 회원들이 강의와 공부 모임, 탐사 활동에 참여하고 있다. 특히 매주 4시간씩 8~12주에 걸쳐 진행하는 ‘특별한 뇌과학’, ‘137억 년 우주의 진화’ 특강에는 다양한 직종과 연령대의 회원들이 찾아와 현재 14년째 코스가 진행되고 있다. 공부 모임 회원들과 몽골 고비사막, 하와이 마우나케아산, 서호주, 뉴질랜드, 칠레 아타카마사막 등지를 21차례 탐사하고, 그 내용을 책으로 엮어내기도 했다. 그중 지질 생명 탐사는 EBS 〈세계테마기행〉에 방송되었다.
경북대학교 전자공학과를 졸업하고, 미국 텍사스 A&M대학교에서 석사학위와 박사학위를 받았다. 이후 한국전자통신연구원(ETRI)에 30년간 재직하면서 반도체 레이저, 반도체 통신소자를 연구했다. 자연과학의 세계관을 통합적으로 이해하고 싶다는 열망으로 방대한 양의 자연과학서를 섭렵하면서 삶의 근원을 캐는 공부에 매진했고, 이를 바탕으로 강연과 집필을 이어가며 큰 반향을 일으키고 있다. 2008년 출간한 《뇌, 생각의 출현》은 주요 중앙일간지와 인터넷 서점에서 ‘올해의 책’에 선정되었고, 2013년에는 《그림으로 읽는 뇌과학의 모든 것》으로 한국과학기술도서상 저술상을 받았다. 2017년에는 10년간의 뇌과학 강의를 집대성해 《박문호 박사의 뇌과학 공부》를 출간하면서 뇌과학 3부작을 완결했다. 2019년 출간한 《생명은 어떻게 탄생하는가》는 236컷의 이미지를 통해 생명 현상의 신비를 파헤치고, 통합과학을 향한 한 걸음을 내디뎠다. 2015년 미래창조과학부와 한국과학창의재단이 수여하는 대한민국과학문화상을 수상했다.
과학의 대중화가 아닌 ‘대중의 과학화’를 모토로 시민학습모임인 ‘(사)박문호의 자연과학 세상’(www.mhpark.co.kr)을 꾸려 15년 가까이 이끌어오고 있다. 현재 1만 명이 넘는 회원들이 강의와 공부 모임, 탐사 활동에 참여하고 있다. 특히 매주 4시간씩 8~12주에 걸쳐 진행하는 ‘특별한 뇌과학’, ‘137억 년 우주의 진화’ 특강에는 다양한 직종과 연령대의 회원들이 찾아와 현재 14년째 코스가 진행되고 있다. 공부 모임 회원들과 몽골 고비사막, 하와이 마우나케아산, 서호주, 뉴질랜드, 칠레 아타카마사막 등지를 21차례 탐사하고, 그 내용을 책으로 엮어내기도 했다. 그중 지질 생명 탐사는 EBS 〈세계테마기행〉에 방송되었다.
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