19
생명의 기원 화학진화/ 원시생명체의 탄생 생명과학의 이해
생명의 기원
화학진화/ 원시생명체의 탄생
생명과학의 이해
1. 생명의 공통적 특성
구조
•자기조직화
•정교하고 복잡한 체제
에너지대사 •엔트로피를 낮춤
•획득한 에너지를 유용한 형태로 전환
•에너지의 흐름, 물질의 순환
반응 능력
•외부 환경 자극에 대한 감수성
•획득 정보에 대한 대응 및 활용 능력
이동과 분산
•자원 확보
•경쟁 회피
항상성 유지
•Feed back 조절
•생물체 내의 환경을 일정하게 유지
성장과 발생
•DNA 정보의 발현
•RNA에 의한 세포의 성장과 발달과정 조절
유전과 생식
•정보 복제
•정보 전달
진화
•적응과 도태
•생명의 다양성 확보
생명과학의 이해
2
2. 생명 기원설
1. 자연발생설: 생물이 무생물로부터 자연적으로 발생
2. 생물속생설: 파스퇴르(1864), 생물은 반드시 생물로부터 유래
3. 천체비래설: 우주의 다른 천체에 존재하는 생명체가 운석에 실려서 지구
에 도래하였다는 가설. 운석을 관찰 하면 운석 안에 생명체를 이루는 유기
물이 존재하고, 우주에 무한이 많은 행성들의 존재를 볼 때 지구와 같은
생명체가 존재할 행성이 있은 확률이 높다고 주장
생명과학의 이해
3
NASA Scientist Claims Evidence of Alien Life on Meteorite : 운석에서 외계생명체 화석 발견 [NASA, 2011 03, 07]
2. (Cont.)
4. 화학진화설: 화학반응을 일으키게 하는 열, 태양광선, 물 등의 환경이 있
으면 간단한 무기화합물에서 유기화합물이 생성된다. 저분자 유기화합물
은 단백질이나 핵산 등의 고분자 유기화합물로 조금씩 중합체로 합성되는
다. 이러한 화학적 진화가 먼저 이루어진 후, 이 고분자 유기화합물로부터
생명현상을 보이는 원시적 생명체가 형성되었다는 가설
생명과학의 이해
4
원시대기 원시대양 간단한
유기물
복잡한
유기물
원시
생명체
수증기
질소
메탄
수소 등
원시대양
아미노산
유기염기
당
지방산 등
단백질
RNA DNA
탄수화물
지질 등
막으로 둘러싸인 구조체
자기복제능력
에너지회득능력
3. 화학진화
생명과학의 이해
5
원시지구의 지각형성
3-1. 저분자 유기화합물
세포가 물, 탄소, 질소화합물로 되어 있지만 이러한 생명을 만드는 복
잡한 화학분자는 원시지구에는 존재하지 않았다. 그렇다면 어떻게 세
포의 바탕이 되는 간단한 유기물질(monomers)이 생성된 것일까?
생명과학의 이해
6
☞ 원시해양에 대기의 성분 등이 녹아서 축적된 유기물 속에는 단백질의 바탕이
되는 아미노산과 핵산을 만드는 염기나
당류 등의 작은 분자가 물, 이산화탄소, 질소 등의 무기 화합물로부터 열이나
태양광선 등의 에너지에 의해 생명을
구성하는 바탕 물질이 생성 되었다고 추측
CH4 + C02 + H20 → Sugars + Glycerol + Fatty Acids
CH4 + HCN + NH3 + H20 → Purines + Pyrimidines
CH4 + NH3 + C02 + H20 → Amino Acids
© 2014 YourArticleLibrary.com
3-1. (Cont.)
생명과학의 이해
7
밀러의 모델 실험 무기화합물에서 저분자 유기화합물 생성 실험
원시대기(1차 대기) 가스 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 수증기(H2O) 및 수소(H2)의 혼합가스(무기물)로부터 전기방전(전극 - +)을 통하여 여러 가지 아미노산과 유기산(유기물) 등 유기화합물을 합성하는데 성공
전극(+) 전극(-)
수증기
끓는 물 →물 →물
←물
순환냉각수
원시대기가스
생성된 유기물
www.ib.bioninja.com.au
생명과학의 이해
8
• Sugar + Sugar → Polysaccharides
• Fatty Acides + Glycerol → Fats
• Aminoacids- + Aminoacids —→ Proteins
• Nitrogenous Bases + Pentose Sugars + Phosphates → Nucleotides
• Nucleotides + Nucleotides → Nucleic Acids
3-2. 고분자 유기화합물
© 2014 YourArticleLibrary.com
센트럴도그마(central dogma) 가설
생명과학의 이해
9
mRNA
tRNA
rRNA
DNA
RNA
단백질
전사
번역
복제
분자생물학의 중심원리로「DNA의 유전정보는
RNA를 거쳐 단백질로 전달되며, 그 반대
방향으로는 전달되지 않는다 」는 가설(크릭, 1958)
3-3. RNA와 단백질의 출현순서는?
Which came First RNA or Protein?
외피단백질
RNA
3-3. (Cont.)
생명과학의 이해
10
mRNA
tRNA
rRNA
DNA
RNA
단백질
전사
번역
복제
역전사
역전사
RNA cDNA
조립 번역 방출
숙주 DNA
전사
※ Provirus : Retrovirus가 세포 내로 들어가 그 유전물질이 RNA에서 DNA로 바뀐 상태의 바이러스
Provirus
센트럴 도그마 반증: Retrovirus(RNA Virus)
외피단백질
역전사 효소
The RNA first Hypothesis
생명과학의 이해
11
3-3. (Cont.)
1. RNA can self-replicate
RNA is able to store information in a
sequence of four nucleotides (similar to
DNA)
Short sequences of RNA have been able to
duplicate other molecules of RNA
accurately
2. RNA can act as a catalyst
Modern cells use RNA catalysts (called
ribozymes) to remove introns from mRNA
and help synthesise new RNA molecules
In ribosomes, rRNA is found in the catalytic
site and plays a role in peptide bond
formation www.ib.bioninja.com.au
(Cont.)
1980년 초 3명의 과학자 Leslia orgel, Francis Crick and Carl Woese은
화학진화가 어느 정도 진행되어 복잡한 화합물이 생기면, 그 물질은 새로운
화학반응을 효율적으로 진행하는 촉매의 역할을 하는 데 이러한 촉매작용
을 하는 것이 자발적으로 자기조직화 하는 RNA이었다 주장하였다. 1989
년 Thomas Ceck과 Sidney Altman RNA가 기질과 효소(촉매작용)로 작
용하는 것을 발견하고 공동 노벨상을 수상하여 The RNA first Hypothesis
를 입증하였다.
The RNA first Hypothesis에 따르면 RNA는 아미노산을 결합시켜 아미노
산 중합반응을 진행시켜 단백질이 생성하였고, 이후 출현한 단백질들은 다
양하고 효율적인 촉매작용을 수행하는 효소로서 핵산의 복제와 생명 유지
활동을 담당하였다.
생명과학의 이해
12
3-3. (Cont.)
4. 생물학적 진화(Biogeny)
Conditions for the Origin of Life
① There must have been a supply of replicators, i.e., self-
producing molecules.
② Copying of these replicators must have been subject to
error through mutation.
③ The system of replicators must have required a
continuous supply of free energy and partial isolation
from the general environment.
※ The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation.
생명과학의 이해
13
4. (Cont.)
생명과학의 이해
14
폭스의 모델실험 유기화합물에서 생명현상을 보이는 마이크로스페어 형성
마이크로스페어(microsphere)
구조: 크기와 그람염색성이 세균과 유사
물질의 이동: 저장액에서 팽창하고 이중막을
형성하는현상은 생명체에서 일어나는
세포의 삼투압과 2중막 구조와 유사
생식: 출아 형태로 분열하는 모습은
세균과 균류의 출아법 무성생식과 유사
유전자 발현: 핵산을 넣어주면 RNA나
단백질을 만드는 현상은 생명체가 유전
정보에 따라 단백질을 합성하는 것과 유사
4. (Cont.)
코아세르베이트설
생명과학의 이해
15
오파린(1924, 소련 생화학자),
무기화합물⇒ 유기화합물 ⇒ 원시생명체(코아세르베이트)
오파린은 「생명의 기원」에서 원시 대양에 축적된
유기물들이 최초의 생명체 전 단계인 코아세르베이트를
형성하여 생명체로 발전하였다고 주장함.
4. (Cont.)
생명과학의 이해
16
오파린의 모델실험 고분자 유기화합물에서 생명현상을 보이는 코아세르베이트
코아세르베이트(coacervate) 구조: 콜로이드입자가 서로 결합하여
간단한 막으로 둘러싸인 작은 액체방울
형성. 주위와 독립된 내부 구조를 지님
생식: 어느 정도 커지면 분열한다. 세균
의 생식과 유사한 현상
물질의 이동: 주위 물질 흡착, 지질을 흡수
하면 선택적 투과성을 지닌 단백질, 지방 이
중층 형성. 생명체의 세포막과 유사
물질 및 에너지대사: 핵산, 효소, ATP 등이
존재할 때 물질흡수, 생장, 분열 등이 나타
남. 미생물 세포생리 현상과 유사
물분자층
탄수화물, 단백질, 지질,
핵산 등의 고분자
유기화합물 덩어리 코아세르베이트
☞ 코아세르베이트: 두 종류의 균질 수용액이
혼합되었을 때 생기는 균질하지 않는 다수
액체 방울
물분자
원시생명체
비세포성 생명체(생명현상을 보이는 비세포성 물질)
약 40억 ~ 38억 년 전, 무수히 많은 코아세르베이트 중에서 우수한
자기복제력과 물질대사 능력을 획득한 비세포성 물질 출현
산소가 없는 상태에서 원시 대양에 축적된 주변의 유기물을 이용하여
(발효 또는 무기호흡) 에너지를 획득하는 최초의 종속영양 미생물
생명과학의 이해
17
4. (Cont.)
에너지 획득의 진화(Evolution of Modes of Nutrition)
생명과학의 이해
18
4. (Cont.)
혐기성
종속영양생물
화학합성
독립영양생물
광합성
독립영양생물
호기성
종속영양생물
원시대양
무기호흡
유기물 산화
유기물 고갈
무기물 산화
유기물 합성
광 에너지고정
유기물 합성
O2 발생
유기호흡
유기물산화
www.shinhan.ac.kr
