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.

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

찾아보기

박문호 (지은이)

호흡과 광합성에서 후성유전학까지,
그림으로 이해하는 생명 현상의 모든 것
대중과 호흡하며 과학학습 운동에 매진하고 있는 박문호 박사가 신간 『생명은 어떻게 작동하는가』로 독자를 찾아왔다. ‘박문호의 자연과학 세상’에서 10년 넘게 이어지고 있는 ‘137억 년 우주의 진화’ 강의를 담아 펴내려고 하는 생물학·지질학·우주론 3부작 중 첫 번째 책이다. 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!
박문호 박사는 과학을 말랑하게 만들어 소개하는 ‘과학의 대중화’가 아닌 ‘대중의 과학화’를 모토로, 엄밀한 과학을 전파하여 대중들의 수준을 높이는 데 몰두해왔다. 단번에 이해하기 어려운 내용일지라도 익숙해질 때까지 반복하면서 학습하면 이해의 순간이 찾아온다는 과학학습 방법론을 주창하면서 어려운 대목을 우회하지 않고 뇌과학과 자연과학의 여러 분야를 파고들었고, 그렇게 얻은 지식과 공부 방법론을 나누는 그의 강의에 많은 이들이 호응했다. 그의 강의에는 과학/의학 관련 전문직 종사자에서부터 학생, 과학과는 담을 쌓고 살아온 일반인에 이르기까지 다양한 사람들이 몰려들어 자연의 이치를 탐구하고 있다.
그동안 뇌과학 분야 저술과 강의를 활발하게 하며 ‘뇌과학 전문가’로 통하던 저자가 『뇌, 생각의 출현』에서부터 『그림으로 읽는 뇌과학의 모든 것』 『박문호 박사의 뇌과학 공부』로 이어지는 뇌과학 3부작을 완결하고, 이제 우주의 장구한 역사를 과학의 눈으로 정리한 빅히스토리 서술에 나선다. 저자가 주도하는 ‘박문호의 자연과학 세상’에서는 10년간 크게 두 가지 배움이 이어졌는데, 하나가 뇌과학, 다른 하나가 ‘137억년 우주의 진화’ 수업이다. 크게 우주, 지구, 생명 편으로 나뉘는 ‘137억 년 우주의 진화’에서 ‘생명’ 편을 정리한 것이 바로 『생명은 어떻게 작동하는가』이다.

종합화한 그림과 결정적 지식으로 이해하는 생명현상
“생물학 작용은 대부분 분자들의 변환 과정이고, 그 과정을 한 페이지에 모아 보면 각각의 생화학 과정을 비교할 수 있다. 해당 작용의 10단계와 TCA 회로, 광합성 명반응, 암반응, 미토콘드리아의 지방산의 베타산화, 핵산의 퓨린과 피리미딘 생합성 과정을 한 장에 그려보자. 50개의 분자식을 한 페이지에 순서대로 적어보면 생화학 작용의 상호 관계가 명확해진다. 생체 분자들이 대부분 글루코스에서 생성되는 과정은 해당 작용과 TCA 회로에서 생성되는 생화학 대사 작용 모두를 연결하여 한 장의 그림으로 표현할 수 있다. 생화학 대사 작용인 탄수화물 대사, 아미노산 대사, 핵산 대사, 지질 대사, 에너지 대사, 비타민 대사 분자들이 모두 해당 작용과 TCA 회로에서 나온다. 그래서 이 책에서는 두 가지 형태의 ‘한 장에 모으기’를 시도하였다. 즉 생화학 회로와 관련된 모든 정보를 한 장에 모으고, 해당 작용과 TCA 회로 관련 대사 작용을 한 장에 모으는 것이 이 책의 핵심 내용이다.”(87쪽)

책은 만만치 않다. 분자식과 생화학 회로들이 곧장 제시되고, 이를 기억할 것을 강조한다. 다음과 같은 이유에서다. “생물학의 결정적 지식은 대부분 분자식으로 표현되고, 생화학은 생체 분자들의 변환 과정에 대한 학문이다. 그래서 생물학을 대충 1년 공부하기보다 생화학 관련 분자식 30개를 기억하여 익숙해지는 방식이 더 효과적이다.”(6쪽)
국내외의 거의 모든 생화학 교과서와 전문서적, 논문을 섭렵해, 해당 작용의 10단계, TCA 회로, 광합성 명반응과 암반응, 미토콘드리아의 지방산의 베타산화, 핵산의 퓨린과 피리미딘 생합성 과정 등, 주요한 생화학 메커니즘을 빠짐없이 담았다. 한 번 읽고 이해하기는 쉽지 않다. 하지만 심혈을 기울여 만든 236컷의 일러스트, 책에서 제시하는 ‘종합화한 그림’과 ‘결정적 지식’과 같은 장치로 이해를 돕는다. 정보를 한 페이지에 통합해서 보여줌으로써 서로 상관없는 듯한 생화학 기관과 메커니즘, 이를테면 호흡과 광합성, 미토콘드리아와 엽록체가 서로 대응되는 구조를 지닌, 동전의 양면과 같은 것임을 깨닫게 한다. ‘결정적 지식’은 말 그대로 그것 하나를 이해하면 다른 지식들이 고구마 줄기 딸려오듯 터득하게 되는 지식을 말한다. “이 책에서는 생물학 여러 분야에서 10개의 결정적 지식을 선정했으며, 생물학 최고의 결정적 지식이 글루코스 분자식임을 강조한다. 핵산, 지질, 아미노산이 모두 글루코스 분자에서 시작하기 때문이다. 그림에 ‘결정적 지식’으로 표시했다.”(5쪽)

생명 현상은 분자들의 춤,
그중에서도 글루코스(포도당)가 핵심이다!
“생명은 분자 현상이다. 세포 작용은 분자의 변환 과정이며, 분자식을 기억해서 익숙해져야 생화학 회로가 보인다. 자연은 에너지, 원자, 세포로 그 패턴을 드러낸다. 분자는 공유결합으로 묶인 원자의 집합이다. 원자의 배열 상태에 따라 분자들의 에너지가 다르며, 더 낮은 에너지의 원자 배열로 바뀌려 한다. 해당 작용, TCA 회로, 요소 회로, 캘빈 회로를 이해하려면 20개가 넘는 분자식을 기억해야 한다. 결국 생물학 공부는 분자식 공부이다. 분자식을 기억하지 않는 생화학 공부는 실체를 보지 않고 드러난 형태만 보는 것이다. 물이란 단어는 일상용어로는 통용되지만 그 어떤 과학적 내용도 포함하지 않는다. 물에 대한 분자식 H2O를 H-O-H로 표현하면 물에 대한 많은 과학적 내용을 알 수 있다. 물의 실체는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 공유결합으로 된 분자이며, 이 분자식에서 물에 대한 많은 물리와 화학적 속성을 밝혀낼 수 있다.“(278쪽)

책에서는 분자식을 반복해 강조한다. 분자 구조가 사물의 실체를 보여준다는 입장에서다. “생명 현상은 대사 작용이고, 대사는 산화 환원 반응이며, 산화 환원은 전자의 이동에 의한 분자 변환 과정이다. 그래서 이 책의 핵심 내용은 생화학 분자 변환 과정이다.”(5쪽) 특히 다른 수십 개 분자식의 원천으로서 글루코스에 많은 분량을 할애했다. 핵산, 아미노산, 지질 생성과 관련되는 중요한 분자인 글루코스야말로 이 책의 주인공이라고 할 수 있다.
생명이 출현하는 데는 탄소, 수소, 산소만 있으면 되고, 질소는 생명 출현 후 필요하다는 설명은 다른 책에서 찾아보기 어려운 독특한 이론이다. “생명은 분자들의 춤이다.” 환원주의적 관점으로 보일 수 있으나 생명현상을 규명하자면 이러한 분자 수준의 설명은 피해갈 수 없는 일이다. 생명의 작동 원리에 관심 있는 독자들에게 일독을 권한다. ‘박문호의 자연과학 세상’ 홈페이지(www.mhpark.co.kr)의 동영상 강의도 참고하면 도움이 된다.