chapter 2. an overview of biological...

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Bioprocess Engineering

Chapter 2. An Overview of Biological Basics

2.2. CELL CONSTRUCTION

2.3. CELL NUTRIENTS

http://dory.mncast.com/mncHMovie.swf?movieID=10005432520071104231111&skinNum=1

2008 Spring, Hanbat Univ.

Hanbat National University

Dept. Chem. Eng.

정재철

특허청 생명공학심사과 심사관한밭대학교 화학공학과 겸임교수

본 자료는 윤영상 교수 (전북대학교 환경화학공학부 ), 우승한 교수 (한밭대학교 화학공학과 )의 강의자료를 참고하여 제작되었습니다.

2008 Spring

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세포의 주요 유기물질

?단백질(protein) L-아미노산 (20종류)

?탄수화물(carbohydrate) D-당(sugar)

?핵산(nucleic acid=DNA + RNA) 뉴클레오타이드(nucleotide)

?지질(lipid) 지방산(fatty acid)

생체 구성 물질: 물=50-90%, 무기물(Na+, K+ 등)=~1%, 나머지=유기분자

생체 유기분자의 구성 원자: C, H, O, N, P, S (숫자 순)

C(50%), O(20%), N(14%), H(8%), P(3%), S(1%) (무게 순)

유기 생체분자는 탄화수소에 작용기가 결합되어 있는 형태

2.2. 세포 구조

단백질 아미노산

단백질은 세포건조무게 중 40~70%

단백질의 분자량: 6,000 ~ 수십만

생체 내에 존재하는 아미노산은 주로 L 형이다.Cf. 생체 내에 존재하는 당은 주로 D 형이다.

-carbon

aminoGroup(염기성)

carboxylgroup

R-group

아미노산과 같이(-)전하와 (+) 전하가 동시에존재하는 중성분자를쯔비터이온(zwitterion)이라 한다.

아미노산은 산으로서, 동시에 염기로서작용할 수 있으므로양쪽성 이온(amphoteric ion)이다.

알짜 전하가 0이 되는 pH (음이온과 양이온 수가 같은 pH)를 등전점(isoelectric point = pI)라고 한다.

2.2.2. 아미노산(amino acid)과 단백질(protein)

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?R=무극성 무극성 아미노산

?R=극성(수소결합 site가 있는 R: -OH or -NH)

극성 아미노산

?R=음이온 ( □ COO-) 산성 아미노산

?R=양이온 ( □ NH3+) 염기성 아미노산


가장 간단한 glycine폐쇄형 고리 proline 단백질을 견고하게S 가지는 methionine, cysteine (S-S bond 형성)

Neutral Nonpolar Amino Acids (전하가 없는 무극성 아미노산)


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Neutral Polar Amino Acids (전하가 없지만 극성인 아미노산)

aspartate (아스파라긴산): 숙취제거

대상(주): glutamate MSG (monosodium glutamate)

한국BASF: lysine

histidine: 중금속과 친화적 단백질 정제시 affinity chromatography 사용가능

Acidic or Basic Amino Acids (전하가 없지만 극성인 아미노산)


아미노산과 아미노산의 결합 (peptide bond)

* - carboxyl group과 - amino group이 결합하여Peptide bond가 형성

* 물 분자가 떨어진다.

* H2O: OH from carboxyl group H from amino group


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펩티드 기술법: N-terminal은 왼쪽, C-terminal은 오른쪽에 cf. mRNA로부터 peptide의 합성 순서도 N-terminal에서 C-terminal 순서로 합성됨

예) Met ? Gly ? Glu ? ---- ? Val 이라면 Met의 N말단이 free, Val의 C말단이 free, 합성은 Met부터 Val 까지 순서로

N terminal (N 말단)

Ala의 amino기

C terminal (C 말단)

R기는 교대로 반대편에 위치한다


단백질의 구조* 단백질은 amino acid가 200개 이상 결합한 고분자

?1차구조(primary structure):

아미노산의 서열

?2차구조(secondary structure):

polypeptide의 국부적 접힘 구조

(-helix, -sheet)

?3차구조(tertiary structure):

polypeptide의 3차원 구조

?4차구조(quaternary structure):

2개 이상의 polypeptide 들이

결합해서 단백질을 만드는 구조


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< 네 가지 수준의 단백질 구조 >


수소결합

-helix -sheet


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3차 구조 (3-D Structure)


1. 촉매작용: 모든 생화학 반응을 촉진 예) Enzyme

2. 구조적 기능: 생체의 구조체 예) 콜라겐, 피브로인(fibroin: 실크단백질), elastin (혈관,피부조직)

3. 운동기능: 운동에 관여 예) 세포골격(cytoskelaton)단백질:actin,tubulin

4. 방어기능: 세포보호 능력 예) fibrinogen(혈액응고), immunoglobin(=antibody=항체)

5. 조절기능: 조절능력 예) 호르몬(ex, insulin), 성장인자(growth factor)

6. 운반기능: 수송능력 예) 이온/포도당 운송 세포막단백질, 헤모글로빈(산소수송)

7. 저장기능: 필수영양소 저장 예) ovalbumin(계란의 알부민), casein(포유동물의 유기질소 공급원)

8. 스트레스 반응: 내 스트레스 기능 예) heat shock protein(hsp, 열손상 단백질의 분해 촉진), metallothionein(Cys가 풍부한 단백질로 Cd, Hg와 결합 무독화)

단백질의 기능

<촉매작용의 예>


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? 건조균체량의 40~70%

? 구조

? 단백질의 모양: 섬유상, 구상 (그림 참조)

? 단백질의 분류 (기능상)

? 구조단백질: 당단백질, 콜라겐, 케라틴

? 촉매단백질: 효소

? 운반단백질: 헤모글로빈, 혈청 알부민

? 조절단백질: 호르몬(인슐린, 성장호르몬)

? 면역단백질: 항체, 트롬빈

? 효소: active site (활성 부위), 광학적 활성-이성체 존재 (단백질은 L-amino acid만)

? 아미노산: 20개, 산성기(-COOH), 염기(-NH2)

? 양쪽성(zwitterion)

? 등전점(isoelectric point): 알짜전하가 ¡ 0¡이 되는 pH, R에 따라 다름 단백질의 정제

? 펩타이드 결합: 아미노산+아미노산, 단백질: 50개 이상,

? 접합단백질: 보결분자단(prosthetic group) 포함, 예) 헤모글로빈: 4 heme + 철


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탄수화물 당세포의 주요 유기물질

?단백질(protein) L-아미노산 (20종류) ?탄수화물(carbohydrate) D-당(sugar)?핵산(nucleic acid=DNA + RNA) 뉴클레오타이드(nucleotide)?지질(lipid) 지방산(fatty acid)

탄수화물 (carbohydrate):- 탄소의 수화물- 광합성에 의해 CO2로부터 합성

탄수화물의 기능:- 에너지원 (ex, glucose)- 구조적 성분 (ex, cellulose, kitin)- 다른 생체물질의 전구물질 (아미노산, 지질, 퓨린, 피리미딘 등)- 당접합체 (ex, 당단백질, 당지질)- 핵산의 구성성분 (ex, ribose RNA, deoxyribose DNA)

탄수화물의 기본단위: 당

당 수에 따라 단당류, 이당류, 다당류로 구분

2.2.3. 탄수화물(carbohydrate) : 단당류와 다당류

단당류(monosaccharide)

*단당류의 구분

- 기능기: aldose와 ketose- 탄소수: 3탄당(triose), 4탄당(tetrose), 5탄당(pentose), 6탄당(hexose)- 당은 대부분 D form이다.Ex) glucose(포도당): an aldohexose

Aldehyde

ketone

수중에서 당은 cyclic form(환형)으로 존재한다


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Cyclic sugar 표기법(Fisher법)

D-glucose(주로 pyranose)

1. O가 있는 5각형 or 6각형을 그린다.

2. O의 오른쪽부터 탄소번호 부여

3. OH기를 적는다. (평면 위/아래 구분)

D-fructose(주로 furanose)

아래 있으면 알파

Furanose 형 Pyranose 형


중요한 단당류들

포도당(glucose)

예) -D-glucose

과당(fructose) 예) -D-fructose

갈락토오스(galactose)

OH가 아래로 가면 glucose

예) -D-galactose


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이당류(disaccharide)

맥아당(maltose)= -glucose + -glucose -1,4 glycosidic linkage

수크로우스(sucrose)= -glucose + -fructose ,-1,2 glycosidic linkage

유당(lactose)= -glucose + -galactose -1,4 glycosidic linkage


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다당류(polysaccharide=oligosaccharide)

아밀로오스 (amylose)= -glucose의 -1,4 glycosidic linkage

아밀로펙틴(amylopectin)= -glucose 의 -1,4 (주가닥) 및 -1,6 (분지) glycosidic linkage

글리코겐(glycogen)= -glucose 의 -1,4 (주가닥) 및 -1,6 (분지) glycosidic linkage

셀룰로오스(cellulose)= -glucose 의 -1,4 glycosidic linkage

Cf. 글리코겐은 척추동물의 탄수화물 저장형태

Cf. 식물 중량의 약 1/3, 인간은 셀룰로오스 분해효소 없다. 특정 미생물(소 위 서식)만 분해효소 갖는다


지질 지방산 세포의 주요 유기물질


?Lipid는 종류가 워낙 다양하고 성질이 다르므로, 구조적 명칭이 아니고 기능적 명칭이다.

즉 지질은 물에 잘 안 녹는 생체분자(지방, 기름, 인지질, 스테로이드, 카로테노이드 등)를

총칭한다.

?지질의 종류

(1) 지방산(fatty acid)과 그 유도체

(2) 트리아실글리세롤(triacylglycerol)

(3) 왁스 에스테르(wax ester)

(4) 인지질(phospholipid)(포스포글리세리드와 스핑고미엘린)

(5) 스핑고지질(아미노 알코올 스핑고신을 갖는 스핑고미엘린 외 다른분자)

(6) 이소프레노이드

2.2.4. 지질(Lipids), 지방 (Fats), 스테로이드 (Steroids)

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지방산(fatty acid): carboxylic acid(친수성)를 가진 탄화수소(소수성)

?지방산은 지질의 구성 성분

?불포화지방산: 이중결합 포함?포화지방산: 모두 단일결합

?자연계의 지방산은 대부분 cis 형 경직된 꺽임 구조 분자가 인력 감소 녹는 점 감소Cf. 포화지방산 보다 불포화 지방산의 녹는 점은 낮다.

~~~~~~COOH (탄소가 12-20개)

불포화지방산 예)



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Table 11.1

*총 탄소수=16*이중결합수=1*Carboxyl기로부터9~10 탄소 중간에이중결합 존재

이중결합이 2개 이상이면다중불포화지방산


지방(fat): glycerol과 지방산의 ester

지방의 대표 사례: Triacylglyceride: 3개 지방산과 glycerol의 ester

*불포화지방산이 많아서 실온에서 액체인 triacylglycerol 기름(oil)

*포화지방산이 많아서 실온에서 고체인 triacylglycerol 지방(fat)

Cf. Phosphoglyceride: carboxyl group이 인산으로 대체된 것 세포막의 주요 구성성분 인지질(phospholipid)이라고 부름


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Phosphoglyceride

인지질의 종류


스테로이드(steroid)? 호르몬으로 작용? 물에 안 녹으니까 지질? 항균제 등으로 사용


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핵산(DNA, RNA) 뉴클레오타이드

세포의 주요 유기물질


뉴클레오타이드(Nucleotides)

*DNA를 구성하는 nucleotide: deoxyribose + base(A,T,G,C) + 인산*RNA를 구성하는 nucleotide: ribose + base(A,U,G,C) + 인산

*Base의 종류 DNA: A=T, G≡CRNA: A=U, G≡C

Fig. 2.15

2.2.5. 핵산(Nucleic acids), RNA, and DNA

Cf. 핵산의 구성성분으로 사용되는 5탄당류 (Ribose RNA, Deoxyribose DNA)

뉴클레오티드의 일종인Adenosine-3-phosphate (ATP)의 구조

뉴클레오타이드의 구조

5탄당(ribose 또는 deoxyribose)+Base+phosphate

3번탄소: 3¡

5번탄소: 5¡


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뉴클레오티드의 일종인Adenosine-3-phosphate (ATP)의 구조

3번탄소: 3¡

5번탄소: 5¡

ATP = Adenosine triphosphate: 특별한 뉴클레오타이드(Nucleotide), 에너지 전달자 역할

Cf. Energy carrier: ATPCf. Electron carrier: NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) NADP (nicotinamide adenosine dinucleotide phosphate)



*DNA의 Nucleotide는3¡-5¡-phosphodiester bond로 연결

*쓸 때는 5¡을 왼쪽, 3¡을 오른쪽에 쓴다 (예) 5¡-ATGC-3¡ cf. DNA가 복제될 때, 5¡부터 복제된다. cf. 단백질은 N말단 C말단

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*DNA는 이중 나선 구조로 존재(한가닥은 5¡3¡, 다른 가닥은 3¡5¡)*이중나선을 이루는 힘=수소결합 수소결합 개수: A=T, G≡C

*Base는 안쪽에, 친수성 인산기는 바깥쪽에 존재


Central dogma (생물정보의 흐름에 대한 중심원리)

복제Replication

전사 (복사)Transcription

번역 Translation


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복제(replication)

복제분기점

* 세포분열: 분열 전에 DNA가 복제(replication)되어 유전정보를 자손에 물려줌

* 복제과정: - 이중나선 구조가 풀리면서 각 single strand에 대한 복제가 진행 따라서 하나의 주형(strand)는 자손대대로 물려짐 이를 반보존적 복제(semiconservative replication)이라 한다.


전사=복사(transcription)

* 전사 방향: 5¡ 3¡

* DNA의 T가 RNA에서는 U로 치환되는 것을 제외하고는 비주형(nontemplate)의 서열과 동일

동영상: transciption


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번역(translation)

* 단백질의 합성: - 핵산(mRNA)속의 유전정보 20개의 아미노산으로 번역Cf. Posttranslational modification (번역후 수정/수식): 번역된 단백질의 화학적 수정Cf. Targeting (표적화): 합성된 단백질을 적당한 장소(세포내, 세포외 등)에 위치시키는 과정

* 단백질 합성은 100개 이상의 분자가 관여하여 이루어지는 복잡한 과정

* 단백질 합성 속도: E. coli의 경우 100 peptide/6 sec (대단히 빠름)

* 단백질 합성 장소: ribosome

* 어떻게 핵산의 염기서열이 단백질의 아미노산 서열로 번역될 수 있는가? 암호

* codon: mRNA의 triplet code(3개의 base)* anticodon: tRNA가 갖는 3개의 base. Cf. tRNA별로 특이한 아미노산 결합

UGC codon

ACG anticodon cystein

동영상: translation2.2.5. 핵산(Nucleic acids), RNA, and DNA

* UUU Phe, CCG Ala, GGG Gly

* UAA, UAG, UGA 암호화하지 않는 종결코돈(termination codon)* AUG Met : AUG는 개시코돈(initiation codon) cf. 따라서 합성되는 단백질의 첫 아미노산은 Metionine cf. 어떤 특별한 종은 GUG ( Val)를 개시코돈으로 이용

* Ser의 codon: UCU, UCC, UCA, UCG 만약 3번째 base가 점 돌연변이 아무 영향 없다.* Trp의 codon: UGG 어떤 base 하나라도 점돌연변이 아미노산이 바뀐다.

* 4종의 base가만들어 낼 수 있는 codon의 숫자 = 43 = 64

* 아미노산의숫자 = 20개

* 따라서,하나의 아미노산을암호화하는Codon은 여러 개 일 것

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1. 다량 영양소(macronutrients): > 10-4 M 예) C, N, O, H, S, P, Mg2+, K+

? 미량 영양소(micronutrients): < 10-4 M Mo2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+ Ca2+, Na+, vitamin, growth hormone, metabolic intermediate

미생물의 화학조성 및 배양농도

2.4. 세포 영양소 (Cell Nutrients)

세포가 성장하기 위한 영양소의 구분

Cell Composition

4-80(10)1-5(3)10-60(50)Algae(Unicellular)

1-64-1040-50Yeast

2-71-310-25Filamentous fungi

10-1513-3440-70Bacteria

< 15-5050-90Viruses

Lipid(% dw.)

Nucleic acid(% dw.)

Protein(% dw.)

Organism

(Table 2.7)

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C-sourceN-sourcee-donor (carbon..)e-acceptor (O2..)¡¡

biomass CO2

H2Oproducts


다량영양소(Macronutrients)


Macronutrients: > 10-4 M, 탄소,질소,산소,수소, 황, 인산, Mg2+, K+

탄소원: 당밀, 전분, 옥수수시럽, 제지폐기액, 메탄올, 에탄올 (50%:세포성장) 질소원: 건조균체의 10-14%, 암모늄염, 질산염, 단백질, 펩타이드, 아미노산, 효모추출물 산소: 호기성(전자수용체), 공기공급 인: 핵산에 존재, 인산염 황: 황산염, 칼륨: enzyme cofactor, (K+, Mg2+: 흡수, Na+, Ca2+ : 방출) 마그네슘: enzyme cofactor, 세포막 및 리보솜에 존재

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질소원(nitrogen source)

?질소는 건조중량의 10~14%

?산업적 질소원: 콩가루(soya meal),

yeast extract, 증류부산물(distillers extract), 건조혈액 등

?실험실용 질소원: NH3, BH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3,

단백질, 펩타이드, 아미노산 등

?Cf. 일부 미생물(Azotobacter sp., cyanobacteria)은

질소(N2) 고정화

탄소원(carbon source)

?탄소는 건조중량의 ~50%

?탄소원에 따른 분류

-종속영양주(heterotroph): 탄소원으로 유기탄소를 사용

-독립영양주(autotroph): 탄소원으로 무기탄소(이산화탄소)를 사용

-혼합영양주(mixotroph): 유기/무기탄소를 모두 사용

?산업적 탄소원: 당밀(설탕), 전분(포도당, 덱스트린),

옥수수시럽, 제지폐기액 등

?실험실용 탄소원: 포도당, 설탕, 과당

cf. 특정미생물에서는 MeOH, EtOH, CH4 도 사용 가능


산소원(oxygen source)

?산소는 건조중량의 ~20%

?산소원: 주로 공기(산소=~21%)를 폭기 (호기성 미생물은 최종 전자수용체로서 산소 사용)

수소원(oxygen source)

?수소는 건조중량의 ~8%

?수소원: 공급해 주는 탄소원에 존재하는 수소를 사용 cf. 일부 박테리아는 수소를 energy원으로 사용

인 원(phosphorus source)

?인은 건조중량의 ~3%

?인원: KH2PO4, K2HPO4, glycerol phosphate 등

황원(sulfur source)

?황은 건조중량의 ~1%

?인원: (NH4)2SO4, 황을 포함하는 아미노산(Met, Cys)

칼륨 원(potassium source)

?K는 효소의 보조인자(cofactor), 이온의 능동수송에 필요

?칼륨 원: KH2PO4, K2HPO4, 등

마그네슘 원(magnesium source)

?Mg는 효소의 보조인자, Ribosome의 활성에 꼭 필요

?Mg 원: MgSO4¡7H2O, MgCl2 등


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Micronutrients

철(Iron;Fe) : 광합성과 호흡작용의 에너지전환에 관여. 식물 체내에 흡수, 이용이 용이하도록 하기 위하여

ethylene-diamine tetraacetic acid (EDTA)첨가.

ㆍ 배지 : Ferrous sulfate (FeSO4)

붕소(Boron;B) : 식물본내의 당의 이동에 관여하는 것으로 추정된다.

ㆍ 배지 : Boric acid (H3 BO3)

몰리브덴(Molybdenum;Mo) : 질소대사에 관여하며 nitrogen → ammonia 전환에 관계한다.

ㆍ 배지 : Sodium molubdate (Na2 MoO4 2H2 O)

망간(Manganese;Mn) : Chloroplast membrane 의 필수구성요소이다.

코발트(Cobalt;Co) : Vitamin B12(C63H90N14PCo) 의 구성요소이며 질소고정에 필수원소

ㆍ 배지 : Cobalt chloride (CoSO4) 아연(Zinc;Zn) : 일부 enzyme의 필수원소이다.Chlorophyll형성, auxin(IAA)생산에 관여.

ㆍ 배지 : Zinc sulfate (ZnSO4)

구리(Copper;Cu) : energy conversion에 관여(추측). 결핍 시 생육지연, 기형, 뒤틀리고 얼룩진 잎

ㆍ 배지 : Cupric sulfate (CuSO4) 염소(Chlcrine;Cl) : 광합성 촉진에 필수요소. 결핍시 잎이 시들고 황화, 갈변하여 고사.

ㆍ 배지 : Calcium chloride (CoCl2)

요오드(Iodine;I) : 일부 아미노산의 구성요소이나 배지의 필수요소로 생각되지는 않음.

ㆍ 배지 : Potassium Iodide (KI)

Cf. 중금속이 필요하지만 독성이 있다. chelating agent 사용 (예, EDTA)


Microorganics

Vitamin B : ** Inositol (C6H12O6) : 일종의 Vitamin B Complex. Chloroplast membrane 의 구성요소이다. ** Thiamine (Vitamin B1, C12, H17ON4SCl) : functions in a coenzyme to assist the organic acid cycle of respiration (Krebs c.) ** Pantothenic acid (C9H17O5N) : serves as a coenzyme in fat metabolism. ** Folic acid (C19H19N7O6) : functions as a vitamin Bde-monstrating coenzyme activity. ** Riboflavin (C17H20O6N4) : Vitamin B12

Vitamin H (Biotin ,C10H16O3N2S) : active as a coenzyme in fat metabolism.

Cf. 배지(media): 영양소가 녹아있는 액체 또는 젤

-제한배지(defined media): 조성을 아는 배지-복합배지(complex media): 조성을 모르는 배지 (예) 옥수수추출물, 혈청 등을 포함한 배지


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