생명의 화학

핵심 개념 4 — 시스템 상호작용: 생물학적 시스템은 상호작용하며, 이러한 시스템과 그 상호작용은 복잡한 성질을 나타냅니다.

학습 목표 1.1.A: 물의 극성과 수소 결합으로 인해 발생하는 성질이 생물학적 기능에 미치는 영향을 설명하십시오.

• 1.1.A.1 생명 시스템은 생명을 유지하기 위해 물의 성질에 의존합니다.
  • 1.1.A.1.i 물은 분자 내 수소와 산소 사이의 극성 공유 결합 형성으로 인해 극성을 띱니다. 이 극성은 생물학적 분자 사이 및 내부의 수소 결합에 기여합니다.
  • 1.1.A.1.ii 물은 높은 비열을 가지고 있어, 생물체 내에서 항상 체온을 유지할 수 있게 합니다.
  • 1.1.A.1.iii 물은 높은 증발열을 가지고 있어 주변 환경의 증발 냉각을 가능하게 합니다. 생물체에서는 이 성질로 인해 체온을 유지할 수 있습니다.
• 1.1.A.2 인접한 극성 물 분자 사이의 수소 결합은 응집력, 흡착력, 표면 장력을 유발합니다.

핵심 개념 2 — 에너지학: 생물학적 시스템은 성장, 번식, 동적 항내성 유지를 위해 에너지를 사용하고 분자 조립 단계를 활용합니다.

학습 목표 1.2.A: 생명체가 필요한 거대분자의 구성을 서술하십시오.

• 1.2.A.1 새로운 분자를 만들기 위해 환경으로부터 원자와 분자가 필요합니다. 탄素, 수소, 산소는 당류, 단백질, 지질, 핵산과 같은 생물학적 분자를 구성하는 데 가장 널리 사용되는 원소입니다. 또한:
  • 1.2.A.1.i 황은 단백질 합성에 사용됩니다.
  • 1.2.A.1.ii 인은 인지질(지질의 일종) 및 핵산 합성에 사용됩니다.
  • 1.2.A.1.iii 질소는 핵산 합성에 사용됩니다.

핵심 개념 4 — 시스템 상호작용: 생물학적 시스템은 상호작용하며, 이러한 시스템과 그 상호작용은 복잡한 성질을 나타냅니다.

학습 목표 1.3.A: 생물학적 거대분자를 합성하고 분해하는 화학 반응을 서술하십시오.

• 1.3.A.1 가수분해(hydrolysis)는 공유 결합의 절단을 수반하는 화학 반응입니다. 이类型的 반응은 분자를 더 작은 분자로 분해합니다. 고분자(monomer) 사이의 결합에 물이 추가되면 결합이 끊어집니다. 물 분자의 수소 이온(H+)은 하나의 모노머에, 물 분자의 하이드록실 기(-OH)는 다른 하나의 모노머에 첨가되어 반응이 완료됩니다.
• 1.3.A.2 탈수중합(dehydration synthesis)은 두 개의 작은 분자가 공유 결합으로 연결될 때 발생합니다. 하나의 모노머에서 수소 이온이 제거되고 다른 하나의 모노머에서 하이드록실 기가 제거됩니다. 이로 인해 반응물에서 물 분자에 해당하는 부분이 소실되고 남은 두 모노머가 연결됩니다. 많은 수의 모노머가 연결되는 것을 중합(polymerization)이라고 합니다.

핵심 개념 4 — 시스템 상호작용: 생물학적 시스템은 상호작용하며, 이러한 시스템과 그 상호작용은 복잡한 성질을 나타냅니다.

학습 목표 1.4.A: 탄수화물의 구조와 기능을 설명한다.

• 1.4.A.1 단당류(단순 당)는 다당류(복합 탄수화물)의 단량체이다. 이러한 단량체는 공유 결합으로 연결되어 복합 탄수화물과 같은 고분자를 형성하며, 이 고분자는 직선형이거나 가지형일 수 있다.
  • 1.4.A.1의 예시:
    • 셀룰로즈
    • 전분
    • 글리코겐
  • 제외 사항: 특정 탄수화물 고분자의 분자 구조는 AP 시험 범위를 벗어난다.

핵심 개념 4 — 시스템 상호작용: 생물학적 시스템은 상호작용하며, 이러한 시스템과 그 상호작용은 복잡한 성질을 나타냅니다.

학습 목표 1.5.A: 지질의 구조와 기능을 설명한다.

• 1.5.A.1 지질은 일반적으로 극성이 없고 소수성인 분자이며, 그 구조와 기능은 구성 성분이 조립되는 방식에서 유래한다. 지방산은 포화 지방산 또는 불포화 지방산으로 기술할 수 있다.
  • 1.5.A.1.i 포화 지방산은 탄소 원자 간에 단일 결합만 포함한다.
  • 1.5.A.1.ii 불포화 지방산은 탄소 원자 간에 최소 하나의 이중 결합을 포함하여 탄소 사슬이 굽게 된다.
  • 1.5.A.1.iii 지방산 꼬리에 있는 이중 결합이 많을수록 지질이 더 불포화 상태가 된다.
  • 1.5.A.1.iv 지질이 더 불포화될수록 상온에서 액체 상태가 된다.
• 1.5.A.2 지질은 생명체에게 다양한 기능을 제공한다. 지질의 일부 예로는 지방, 콜레스테롤을 포함한 스테로이드, 인지질 등이 있다.
  • 1.5.A.2.i 지방은 에너지 저장 및 세포 기능 지원을 제공한다. 어떤 경우에는 포유류를 따뜻하게 유지하는 데 필요한 보온 역할을 할 수도 있다.
  • 1.5.A.2.ii 스테로이드는 성장 및 발달, 에너지 대사, 호메오스타시스 등 생리적 기능을 지원하는 호르몬이다.
  • 1.5.A.2.iii 콜레스테롤은 동물 세포막에 필수적인 구조적 안정성을 제공한다.
  • 1.5.A.2.iv 인지질은 플라즈마 및 세포막에 존재하는 지질 이중층을 형성하기 위해 모이는다.
  • 제외 사항: 특정 지질의 분자 구조는 AP 시험 범위를 벗어난다.

핵심 개념 3 — 정보 저장 및 전송: 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 1.6.A: DNA와 RNA의 구조와 기능을 설명한다.

• 1.6.A.1 핵산(DNA 및 RNA)에서 생물학적 정보는 뉴클레오타이드 단량체의 서열에 의해 부호화된다. 각 뉴클레오타이드는 다음 구조적 구성 요소를 가진다: 5개 탄소 설탕(데옥시리보스 또는 리보스), 인산기, 그리고 질소 염기(아데닌, 티민, 구안신, 시토신, 또는 우라실).
• 1.6.A.2 핵산은 뉴클레오타이드의 선형 서열을 가지며, 이는 뉴클레오타이드 설탕의 3'(쓰리 프라임) 하이드록시기와 5'(파이프 프라임) 인산기에 의해 정의된 끝을 가진다. 핵산 합성 중, 뉴클레오타이드는 성장 중인 가닥의 3' 말단에 추가되어 뉴클레오타이드 간의 공유 결합 형성을 유도한다.
  • 제외 사항: 특정 뉴클레오타이드의 분자 구조는 AP 시험 범위를 벗어난다.
• 1.6.A.3 DNA는 두 개의 뉴클레오타이드 가닥이 반대 방향인 5'부터 3' 방향으로 흐르는 반평행 이중 나사형 구조를 가진다. DNA에서 아데닌 뉴클레오타이드는 수소 결합(A-T)을 통해 티민 뉴클레오타이드와 쌍을 이루고, 시토신 뉴클레오타이드는 수소 결합(C-G)을 통해 구안신 뉴클레오타이드와 쌍을 이룬다. RNA에서는 아데닌이 우라실과 쌍을 이룬다(A-U).
• 1.6.A.4 DNA와 RNA 사이의 구조적 차이점은 다음과 같다:
  • 1.6.A.4.i DNA는 설탕 데옥시리보스를 포함하고, RNA는 설탕 리보스를 포함한다.
  • 1.6.A.4.ii DNA는 질소 염기인 티민을 포함하고, RNA는 질소 염기인 우라실을 포함한다.
  • 1.6.A.4.iii DNA는 일반적으로 이중 가닥이고, RNA는 일반적으로 단일 가닥이다.

핵심 개념 3 — 정보 저장 및 전송: 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 1.7.A: 단백질의 구조와 기능을 설명한다.

• 1.7.A.1 단백질은 공유 결합(펩타이드 결합)이 형성됨으로써 한 아미노산의 카복시기($-\text{COOH}$)와 다음 아미노산의 아민기($-\text{NH}_2$) 사이에서 연결된 아미노산의 선형 사슬로 구성되며, 이로 인해 펩타이드 사슬이 성장한다.
• 1.7.A.2 아미노산은 중심 탄소 원자에 수소 원자, 카복시기, 아민기, 그리고 공유 결합된 가변 R 그룹으로 구성되어 있다. 아미노산의 R 그룹은 세 가지 가능한 화학적 성질로 분류할 수 있다: 소수성/비극성, 친수성/극성, 또는 이온성. 이러한 R 그룹 간의 상호작용은 해당 단백질 영역의 구조와 기능을 결정한다.
• 1.7.A.3 단백질 내 아미노산의 특정 서열은 폴리펩타이드의 일차 구조뿐만 아니라 단백질의 전체 형태를 결정한다.
  • 제외 사항: 아미노산의 분자 구조는 AP 시험 범위를 벗어난다.
• 1.7.A.4 단백질의 이차 구조는 아미노산 사슬의 폴리펩타이드 골격의 원자 간 상호작용에서 발생하는 국소 접힘을 통해 형성된다. 수소 결합은 알파-헬릭 및 베타-플랫 시트와 같은 형태를 만든다.
• 1.7.A.5 단백질의 삼차 구조의 입체 형태는 수소 결합, 소수성 상호작용, 이온 상호작용, 또는 디설파이드 브리지의 형성에 의해 발생한다.
• 1.7.A.6 4차 구조는 여러 폴리펩타이드 간의 상호작용에서 기인한다. 단백질 구조의 네 가지 수준 모두 단백질의 기능을 결정한다.