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호흡과 광합성에서 후성유전학까지, 그림으로 이해하는 생명 현상의 모든 것
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.
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.
저자: 박문호
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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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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