고등학교 생명과학 II 교과서

교육부 검정 2017. 9. 8. 고등학교 생명과학Ⅱ 권혁빈 | 김승수 | 김학현 | 손희도 | 이일규 | 정효철 Ⅰ. 생명 과학의 역사 ●●●● 이일규 Ⅱ. 세포의 특성 ●●●● 김학현 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 ●●●● 권혁빈 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 ●●●● 손희도 단원별 집필진 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 ●●●● 김승수 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 ●●●● 정효철 교과서 물려주기 기록표 연도 교과서 사용자 학년 반 번호 이름 상태 ※ 상태 표기 예시: 매우 좋음, 좋음, 보통, 나쁨 고등학교 생명과학Ⅱ 권혁빈 | 김승수 | 김학현 | 손희도 | 이일규 | 정효철 머리말 생명과학 II는 생명 과학과 관련된 진로를 계획하는 학생들에게 생명 현상 전반에 대한 깊이 있는 내용과 핵심 개념을 이해하고, 이를 바탕으 로 학문적 호기심과 흥미를 갖고 생명 과학 관련 전공으로 진학하는 데 필요한 기초 소양을 함양하기 위한 과목이다. 궁극적으로 생명 과학 II는 학생들이 생명 과학과 관련된 개인과 사회의 문제를 창의적으로 해결하 는 역량을 높일 수 있도록 함을 목표로 하고 있다. 생명 과학 II는 생명 과학 I의 심화과정이며, 통합과학, 과학탐구실험 과도 연계선상에 있으며, 전 학년에 포함된 생명 과학 개념과 긴밀한 연 계성을 가지고 있다. 생명 과학 II의 내용을 살펴보면, 과학의 중요 발견 과 탐구 방법, 생물권을 구성하는 생물들의 특성을 미시적 관점과 거시 적 관점, 그리고 일상생활 분야 등을 포함하여 전반적으로 심도 있게 다 룬다. 미시적 관점으로는 생명의 기본 단위인 세포와 세포 수준에서 세 포막을 통한 물질 수송, 유전 물질의 복제와 정보 전달 시스템, 유전자 발현 조절과 발생, 생체 에너지 생산을 위한 세포 호흡과 광합성 등을 다 루며, 거시적 관점으로는 생물 상호 간의 진화적 분류, 생물 다양성 등을 체계적이고 종합적으로 다룬다. 그리고 생명 공학 기술의 발달과 생명 공학의 발달 과정에서 나타나는 사회적 문제점도 학생들에게 제시함으로 써 생명 공학 발달의 명암을 생각해 보도록 하고 있다. 이 책을 통해서 여러분들이 과학적 기본 개념의 이해는 물론 다양한 탐구 중심의 학습을 함으로써 사고력, 탐구 능력, 문제 해결력, 의사소 통 능력, 참여와 평생학습 능력 등 과학적 핵심 역량을 갖추고, 현대 사 회가 요구하는 창의적이고 타 분야와 연계된 융합적인 사고력을 기르고 문제를 해결하면서 앞으로 다가올 미래 세계에 발맞춰 나가며, 인공 지 능으로 대표되는 4차 산업 혁명 시대에 학생들이 미래를 통찰하고 생명 과학 분야와 관련된 진로를 선택하는 데 도움이 되길 진심으로 바란다. 지은이 씀 구 성 과 특 징 단원 소개 끈끈이주걱, 파리지옥, 벌레잡이통풀(네펜데스)은 스스로 광합 생 각 열 기 Ⅴ 성을 하는 식물이지만 곤충 등의 작은 동물을 잡아먹기도 하는 벌 레잡이 식물이다. 이들은 다양한 형태의 발달된 벌레잡이 기관을 가지고 있다. 끈끈이주걱은 주걱 모양으로 변형된 잎의 돌기에서 분비된 이 슬방울 모양의 점액에 달라붙는 곤충을 잡고, 파리지옥은 감각모 다양한 형태의 벌레잡이 식물들 와 돌기가 발달한 넓적한 잎에서 분비되는 달콤한 점액에 이끌려 다가오는 곤충을 잡으며, 벌레잡이통풀은 벌레잡이통의 입구에서 꿀 등의 달콤한 점액을 분비하여 통 속으로 유인된 동물을 잡는다. 심지어 어떤 벌레잡이 식물들은 도마뱀이나 쥐 등을 잡아먹기도 한다. 벌레잡이 식물들은 광합성을 하는 데도 불구하고 동물을 잡아먹는 생물로 진화한 이유는 무엇일까? 생물의 진화와 다양성 이 단원에서는 지구상에서 최초의 생명체가 탄생한 과정과 원핵생물에서 진핵생물로, 단세 포 생물에서 다세포 생물로 진화한 과정을 알아본다. 또한, 3역 6계를 토대로 식물과 동물을 분류해 보고 진화의 원리와 종의 분화 과정을 알아본다. 중학 과학 통합과학 생물의 다양성, 생물 분류 방법과 목적, 생명 과학Ⅰ 화석, 대멸종, 진화와 생물의 다양성 생태계와 상호 작용, 개체군과 군집 생물 다양성과 유지 생태계와 상호 작용 생명의 기원과 진화, 3역 6계 분류 체계, 식물과 동물의 분류, 진화의 원리, 종분화 종의 개념과 분류 체계 생물의 다양성 점 검 내 용 확 인 하 기 ● 분류 계급은 역, 계, 문, ❶ , 목, ❷ , 속, ● 종으로 이루어져 있다. ● 물 ❹ 5계 분류 체계에서는 생물을 원핵생물계, 원생생물 계, 균계, ❸ 끊임없는 지구 환경 변화에 적응하는 과정에서 생 ● ● 생물은 ❺ 와 ❻ 생물의 진화와 다양성 생물 다양성은 유전적 다양성, ❼ 다양성, 생태계 다양성을 포함한다. 이 형성되었다. 의 과정을 통해 진화 ● 한다. , 동물계로 분류한다. 1 생명의 기원 2 생명체의 진화 3 생물의 분류 체계 4 식물과 동물의 분류 5 진화의 원리 6 종의 분화 생명 과학Ⅱ 같은 종에서 형태나 지리적 분포가 다른 무리를 ❽ 이라고 한다 답 ❶ 강 ❷ 과 ❸ 식물계 ❹ 다양성 ❺ 변이 ❻ 자연 선택 ❼ 종 ❽ 아종 136 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 이 단원에서 배울 내용을 간략하게 설명하여 전체적인 흐름을 파 소단원 학습 개념과 관련된 흥미 악하도록 하였다. 이전 교육 과정에서 배운 기본 개념을 다시 생 로운 자연 현상이나 소단원에서 각해 보도록 하여 효율적인 학습이 되도록 하였으며, 중학 과학에 배울 내용과 관련된 질문을 제시 서 생명 과학Ⅰ까지 연계된 학습 요소를 제시하여 체계적으로 학습 하여 흥미를 유발하고 스스로 답 하도록 하였다. 을 찾게 함으로써 자기 주도적인 학습이 가능하도록 하였다. 본문 학습 1 학습 목표 다음 활동에서 원시 지구에서 무기물로부터 저분자 유기물이 어떻게 생성될 수 있었는 생명의 기원 다음 활동에서 진화의 증거 사례로 어떤 것이 있는지 조사해 보자. 3역 6계의 분류 체계 지 알아보자. 1 세기 초에 린네는 생물을 식물과 동물로 분류하는 계 분류 체계를 확립하였다. 그 탐구 활동 • 화학적 진화를 통한 원시 세포의 탄생 과정을 설명할 수 있다. • 원시 세포 탄생 과정에서 막 형성의 중요성을 설명할 수 있다. 해 보기 조사•발표 후 생물학의 발달에 따라 분류 체계는 3계, 계, 5계, 계 체계로 점차 발전해 왔다. 진화의 증거 사례 조사하기 자료 해석 과학적 참여와 평생 학습 밀러의 실험 알아보기 과학적 사고력 활화산의 분화구 내부와 마찬가지로 원시 지구는 뜨거워서 생명체가 살 수 없었다. 그 과학적 사고력 세기 후반에 우즈( 모둠별로 여러 가지 진화 증거 사례들이 진화의 증거가 되는 이유를 조사하여 발표해 과학적 문제 해결력 다음은 밀러의 실험을 나타낸 것이다. 림과 같은 실험 장치에 메테인 (CH¢), 암모니아(NH£), 수소 (Hª), 수증기(HªO)의 혼합 기체 표면이 매우 뜨겁고 녹아 있는 상태였다. 물은 증발하여 두꺼운 구름층을 형성하고 있었 진공 펌프로 감압 화학적 진화 마이크로스피어 원시 세포 증기를 공급하면서 고전압의 전 코아세르베이트 리포솜 자기 복제 체계 기 방전을 일주일 동안 계속한 후 실험 장치의 아래쪽 U자관에 고, 대기 성분은 화산 분출물로 뿜어져 나온 질소, 이산화 탄소, 수증기가 대부분이었다. 모인 혼합물을 분석하였다. •Ⅴ- 2 진화의 증거 사례 물 유기물 정리하기 ❶ 유기물 합성에 이용된 에너지는 무엇인가? 저분자 유기물 ❷ U자관은 원시 지구의 무엇에 해당하는가? 아미노산, 유기산, 단당류 등 화산 폭발 ❸ 위 실험 장치에서 암모니아와 아미노산의 양은 각각 시간에 따라 어떻게 변하는지 설명해 보자. C 원시 지구의 대기가 수소, 메테인, 암모니 아, 수증기 등의 환원성 대기로 이루어져 있었다는 학설이다. 유기물 복합체 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 세기 초에 오파린(O , . ., 1 9 19 )과 홀데인(H •오리너구리와 유대류의 특징 •단백질의 아미노산 서열의 유 과 분포 사성 • 조사한 자료를 미리 준비하며 발표 한다. • 다른 모둠의 발표를 경청한다. • 발표 내용이 잘 전달될 수 있도록 시 각적 자료를 활용한다. 과정을 말한다. 살아 있는 세포 그림Ⅴ- 2 오파린의 가설에 따른 화학적 진화의 과정 1. 생명의 기원 •낫 모양 적혈구 유전자의 분포 •Ⅴ- 1 5계와 3역 계의 분류 체계 137 그림Ⅴ- 3 심해 열수구 수백 ùC의 뜨 거운 가스와 물이 분출된다. (1) 모둠별로 참고 자료 [Ⅴ- 1. 5계와 3역 계의 분류 체계]를 내려받아 확인한다. ( ) 제시된 5계 분류 체계와 3역 계 분류 체계 중 하나를 선택한다. 진핵생물역 고세균역 식물계 동물계 1. 모둠별로 정리한 내용을 발표해 보자. 오파린은 환원성 대기 성분으로부터 간단한 유기물이 생성되었다고 주장하였다. 그런 고세균계 식물계 동물계 원생생물계 되는 이유를 설명해 보자. 원생생물계 원핵생물계 5계 분류 체계 •발표한 진화의 증거 사례를 정확하게 이해한 모둠은 어떤 모둠인가? 3역 계 분류 체계 (3) 다음 내용에 주안점을 두고 조사한다. •발표 내용을 충분히 잘 전달한 모둠은 어떤 모둠인가? 탄소 및 수증기가 주성분이었다. 이와 같은 대기 성분에서는 유기물이 생성되어 축적되 균계 세균역 진정세균계 2. 다른 모둠에서 발표한 내용을 종합하여 다음 표에 정리하고, 각 사례가 진화의 증거가 평가하기 데 최근의 연구에 따르면 원시 지구의 대기 성분은 환원성 대기가 아니라 질소, 이산화 과학적 사고력 명 5명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 1. 조사하기 자료 내려받기 발표 및 토의하기 발표 시 유의점 •발표 자료가 잘 준비되어 있는 모둠은 어떤 모둠인가? •5계 분류 체계와 3역 계 분류 체계의 주요 차이점 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 산 분화구 속이나 심해 열수구가 더 유력하다고 주장한다. 특히 심해 열수구는 환원성 상 원시 생명체 는 가설을 발표하였다. 화학적 진화란 그림 Ⅴ- 2 와 같이 원시 지구에서 무기물로부터 저 분자 유기물, 고분자 유기물, 유기물 복합체 단계를 거쳐 원시 생명체가 탄생하기까지의 현재 진행 중인 진화의 사례 균계 기 어려우므로 과학자들은 유기물 합성이 일어난 곳이 원시 대기가 아니라 물에 잠긴 화 , . . ., 1 9 ~19 )은 원시 지구에서 생명체가 화학적 진화의 과정을 거쳐 자연적으로 발생하였다 과학적 탐구 능력 미리 알아보기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. 환원 대기설 단백질, 핵산, 지질 등 원시 바다 분자 진화학적 증거 모둠별로 5계와 3역 계 분류 체계를 비교해 보고 주요 차이점에 대해 발표해 보자. 우리 모둠이 선택한 진화의 증거 사례 유형을 조사하고 정리해 보자. 고분자 유기물 그림Ⅴ- 1 원시 지구 표면의 상상도 조사•토의 5계와 3역 계의 분류 체계 비교하기 비교 해부학적 증거 •상동 기관과 상사 기관 2. 조사 내용 정리하기 물이 생성된 것을 확인하였다. 환원성 대기 성분 진화 발생학적 증거 •혹스 유전자와 몸 체제의 발생 U자관 CH¢, NH£, Hª, HªO 공중 방전 화석상의 증거 생물 지리학적 증거 하였으며, 이후 여러 차례의 실험에서는 몇 종의 아미노산과 유기산, 당류 등의 저분자 유기 초의 생명체가 어떻게 생겨났을까? 탐구 활동 (1) 모둠별로 참고 자료 [Ⅴ- 2. 진화의 증거 사례]를 내려받아 확인한다. •고래와 말의 화석 방전에 의해 생성된 유기물이 혼합된 물 끓는 물 다음 활동에서 3역 계의 분류 체계를 알아보자. 1. 조사하기 도움말 •다양한 증거 사례를 찾아보도록 한다. 드(CHªO)가 생성된 것을 확인 을 형성하였고, 수증기가 비로 내려 원시 바다를 이루었다. 이와 같은 원시 지구에서 최 명 5명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. ( ) 다음의 제시된 진화의 증거 사례 유형 중 한 가지를 선택한다. 물 냉각 장치 안화 수소(HCN)와 폼알데하이 터 공중 방전이 끊임없이 일어나고 있었다. 시간이 지남에 따라 지표면은 냉각되어 지각 방전 CH¢,`H™ H™O,`NH£ 그는 첫 번째 실험에서 사이 또한, 지표에는 태양으로부터 막대한 양의 에너지가 유입되었고, 두꺼운 구름층으로부 자료 내려받기 고전압 전류 수 증 기 를 넣고 한쪽으로는 뜨거운 수 핵심 용어 억 년 전에 처음 생성된 원시 지구는 운석의 빈번한 충돌과 활발한 화산 활동으로 미리 알아보기 1953년에 밀러는 오른쪽 그 탄생하였다는 가설을 제시하였다. 생명체는 어떤 과정을 통해 생겨났을까? 화학적 진화를 통한 생명체의 탄생 과정 )는 생물을 기존의 5계 분류 체계 대신 계 개념을 도입하여 3역 계 분류 체계를 제창하였다. 런데 지구상에 어떻게 생명체가 나타나게 되었을까? 20세기 초에 지구 생성의 비밀이 보 다 상세히 밝혀지면서 과학자들은 원시 지구에서 화학적 진화의 과정을 거쳐 생명체가 C 19 로 분류할 것을 제안하였고, 더 나아가 계보다 더 큰 범주의 분류군인 역이라는 새로운 보자. 평가 기준 태일 가능성이 크며, 압력이 높고 화학 물질과 에너지가 풍부하여 환원성 대기에서 보다 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 더 많은 유기물이 합성되어 축적될 수 있었을 것이다. 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 원시 지구에 축적된 다양한 유기물들은 상호 작용을 통해 원시 생명체가 탄생하는 토 •기존의 5계 대신 계 분류 체계가 제안된 이유 평가 •3역이라는 새로운 분류 단계가 제안된 이유 각 사례가 진화의 증거가 되는 이유를 이해하였는가? 대를 이루었다. 138 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 164 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 148 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 소단원 도입 해 보기, 필수 탐구 활동 토론형 탐구 활동 소단원 내용과 관련된 실생활 사 해 보기나 탐구 활동을 통해 과학과 핵심역량을 기를 수 있도록 다 ‘자료 내려받기’의 자료를 ㈜ 교학 례를 제시하여 본문 학습에 앞서 양한 활동을 제시하였다. 또한, 탐구 활동을 한 후 활동 내용을 스 사 누리집 › 교과서 › 학생용 자 학습 동기를 유발하였다. 스로 평가하도록 하여 활동에 적극적으로 참여할 수 있도록 유도 료실에서 다운 받아 배울 내용을 핵심 용어 하였다. 미리 학습한 후 토론이나 토의식 소단원에서 배우게 될 핵심 용어 수업을 통해 학생 스스로 활동의 를 스스로 확인해 보도록 하였다. 주체가 될 수 있도록 하였다. 본문 학습 원시 세포의 형성 과정에서 막 구조의 형성이 중요한 이유는 무엇일까? 세포막처럼 막 자기 복제 체계와 유전 물질은 어떤 관계가 있을까? 원핵생물은 최초의 생명체가 탄생한 이후 약 1 억 년 동안 지구상에 유 아니라 막은 물질대사가 일어날 수 있는 확률을 높여 준다. 생명체의 구성 분자들이 아 일한 형태의 거주자였다. 그런데 약 1억 년 전쯤에 원핵생물이 진화하여 무리 많아도 막으로 싸여 있지 않으면 분산되어 지속적으로 화학 반응이 일어나기 어려 훨씬 더 크고 복잡한 새로운 형태의 세포 구조를 가진 진핵생물이 출현하 운데 이들 분자들이 막 구조에 의해 둘러싸이면 분자들이 확산되지 않고 높은 농도로 유 였다. 원핵세포가 진핵세포로 진화하는 과정은 크게 두 가지 가설로 구분 지되어 화학 반응이 더 활발하게 일어날 수 있게 된다. 하여 설명된다. 인지질로 된 막 구조는 단백질 등이 포함되면서 외부 경계로서의 기능뿐만 아니라 선 그림Ⅴ- 9 엽록체를 가진 진핵생물의 화석 와 같은 단일막으로 된 세포 소기관들이 생겨났고, 함입된 막의 일부가 유전 물질을 둘 러싸서 핵막을 형성하였다고 설명한다. 서 필요한 물질과 에너지를 이용하며, 유전 물질을 가지고 지속적으로 자기 복제를 통해 동물 동물 C 특징 동물 생물명 동물 문 삼각통 주 세포에 삼켜진 뒤 분해되지 않고 살아남아 숙주 세포와 공생 관계를 형성하며 살아가 삼각자 돋보기 C 다가 각각 미토콘드리아와 엽록체로 전환된 것이다. 를 생산하여 숙주 세포에 세포내 공생 과정에서 산소 호흡 생물은 효율적으로 스스로 정리 하기 원핵세포 동물 채집 및 관찰 도구 5. 각 동물들의 유연관계와 계통을 알아보고 계통수를 그려 보자. 고, 숙주 세포가 이산화 탄소, 물, 무기염류 등의 필요 세포질 독병 •막 진화설: 로 광합성 세균과 숙주 세포 사이에는 광합성 세균이 유기물을 합성해 주 •세포내 공생설: 한 물질을 제공하는 공생 관계가 형성될 수 있었다. DNA 생물학적 진화 포충망 핀셋 공급하고, 숙주 세포는 영양분을 제공함으로써 공생 관계가 형성될 수 있었다. 마찬가지 번식할 수 있었던 것이 최초의 생명체로 진화했을 것이다. 화학적 진화 동물 동물 진핵세포와 원핵세포의 차이점은 무엇일까? 둘째, 세포내 공생설은 원래 단독 생활을 하던 세균이 숙주 세포 내에서 공생하다가 미 토콘드리아와 엽록체가 되었다고 설명한다. 즉, 산소 호흡 세균과 광합성 세균이 큰 숙 화학적 진화의 마지막 단계에서는 다양한 형태의 원시 세포가 형성되었을 것이다. 그 중에서 막 구조를 가지고 외부와 물질 교환을 충분히 하고 다양한 효소들을 가지고 있어 게 구별하나요? 이용하여 생물명과 문의 명칭을 알아보자. 적인 다양한 기능들을 수행할 수 있도록 점차 진화하였을 것이다. 이와 같이 막 구조가 포는 어느 정도 외부와 구조적 · 기능적으로 독립된 단위가 될 수 있었다. 이것이 궁금해요 첫째, 막 진화설은 세포막이 안으로 함입되어 겹쳐지면서 소포체, 골지체 4. 다음은 주변에 서식하는 5종의 동물 사진이다. 각 동물의 특징을 정리하고 동물도감을 택적 투과성을 나타내고, 삼투압에 반응하여 물질 출입을 조절하는 등 생명 활동에 필수 형성되고 생명 현상을 나타내는 데 필요한 주요 물질 분자들을 둘러싸게 되면서 원시 세 화학적 진화와 생물학적 진화는 어떻 진핵생물의 출현 구조는 외부와 경계를 이루어 내부 환경을 독립적이고 안정적으로 만들어 준다. 그뿐만 세포막 안으로 접혀 들어간 세포막 체계 형성, DNA 생성 의 막 핵 지속적인 자기 복제 체계 진 원시 세포 미토콘드리아 종속 영양 진핵생물의 조상 소포체 화 고분자 유기물 정리하기 산소 호흡 세균을 삼킴 과 체막 소포 RNA-단백질 유기물 핵막 원시 생명체 ❶ 식물 와 유연관계가 가장 가까운 식물은 식물 ~식물 중 어느 것인가? ❷ 동물 와 유연관계가 가장 가까운 동물은 동물 ~동물 중 어느 것인가? ❸ 위 활동에서 미처 조사하지 못한 식물과 동물의 문과 그 문에 해당하는 생물을 찾아보자. 핵 스스로 평가하기 저분자 유기물 정교한 효소계 (에너지 대사 능력 획득) 조사한 생물의 특징을 고려하여 해당하는 문을 찾았는가? 식물도감과 동물도감 등을 이용하여 생물들을 검색할 수 있는가? 채집 및 관찰 도구를 알맞게 사용할 수 있는가? 세포내 공생에 의한 미토콘드리아와 엽록체의 진화 구형의 지질막 형성 친구와 묻고 답하기 핵과 내막계가 있는 진핵세포 무기물 광합성 세균을 삼킴 막 진화설 원시 지구에서 무기물로부터 생성된 다양한 유기물들은 코아세르베이트와 같은 복합체를 형성하였고. 이 복합체들은 지질 막 구조를 가지고 자기 복제가 가능하며 물질대사가 일어나는 원시 세포를 형성하였다. 그리고 원시 세포는 진화하여 유전 물 질을 가지고 자기 복제를 통해 번식이 가능하며 보다 정교한 효소계를 가지고 에너지 획득을 위한 물질대사를 하는 원시 생 명체로 발전하게 되었을 것이다. 엽록체 1. 계통수를 작성하는 방법을 이야기해 보자. 2. 식물의 분류 기준과 주요 특징을 이야기해 보자. 3. 동물의 분류 기준과 주요 특징을 이야기해 보자. 미토콘드리아 독립 영양 진핵생물의 조상 그림Ⅴ- 6 원시 생명체의 탄생 과정 그림Ⅴ- 10 진핵세포의 진화 모델 교과서 153쪽 교과서 154쪽~155쪽 교과서 156쪽~159쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 세포내 공생설 140 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 2. 생명체의 진화 143 4. 식물과 동물의 분류 161 이것이 궁금해요 스스로 정리하기 친구와 묻고 답하기 학생들이 궁금해 할 만한 내용을 본문 내용을 학습한 후 배운 내 소단원 학습이 끝난 후 배운 내 제시하여 학생 스스로 확인해 보 용을 학생 스스로 정리해 볼 수 용을 친구와 서로 질문해 봄으로 도록 하였다. 있도록 하였다. 써 개념이나 내용을 명확하게 알 선생님 심화 질문 고, 스스로 문제를 만들어 봄으로 선생님 질문을 통해 배운 내용을 써 핵심 내용이 무엇인지 파악할 바탕으로 심화된 내용을 이해하 수 있도록 하였다. 도록 하였다. 읽기 자료 N 와 분류 체계의 혁명 더 알아 보기 19 N 가 당시에 마땅한 분류 기준이 ~ )와 올트먼( ., N 뉴클레오타이드 )’이 여 짧은 주형 N 로부터 상보 라는 새로운 분류 단계를 도입하여 3역 계 분류 체계를 제안하는 논문을 적으로 새로운 N 가닥을 합 ... ... ... ... ... ... 소 없이도 스스로 효소로 작용하 논문에 관심을 가지게 되었다. 나아가 199 년에 우즈는 ‘역( N 2ATP 2피루브산 2에탄올 중합 효소로 작용하여 주형 N 로부터 상보적 2NADH 2NAD± 리보자임(RNA 분자) 리보자임의 구조 입체구조를 가진 리보자임이 기질 수준 인산화 해당 과정 탈수소 반응 •알코올 발효와 젖산 발효의 차이점 : ... ... 나 그의 주장을 뒷받침하는 관련 자료가 계속 나오면서 사람들은 점점 이 2ADP 스스로 정리 하기 ... ... ... ... 레오타이드가 공급되면 다른 효 ... 인 내용이 담긴 논문이었지만 발표 당시에는 별다른 반향이 없었다. 그러 ... ... 을 만든 것은 메테인 생성 세균의 생존 환경이 3 억~ 억 년 전 지구의 산소가 없는 환경과 비슷하다고 생각했기 때문이다. 혁신적 로 재생되고 아세트알데하이 분자가 생성된다. 포도당 5' ... ... ... 의 뉴클레오타이드 사슬로 되어 있고 자기 복제가 가능하며, 뉴클 ... ... ... ... 19 년에 우즈는 원핵생물인 세균을 진정세균계와 고세균계로 나눠야 한다고 주장하는 논문을 발표하였다. 그가 고세균이란 이름 H는 아세트알데하이드에 전자를 전해 주어 N 통해 에탄올 분자와 이산화 탄소 분자로 분해되며, 이 과정에서 기질 수준 인산화로 ... ... ... ... ... ... 5' 주형 RNA ... 중합 효소 기능을 갖는 리보자임은 매우 짧은 단일 가닥 이했던 것이다. 분자를 생성한다. 드는 최종 산물인 에탄올(CªH OH)이 된다. 결국 포도당 1분자는 알코올 발효 과정을 3' 상보적 RNA 복사본 ... 로 리보자임이라고 명명하였다. N 효소라는 뜻으 N ... 세균에 대한 연구 논문을 뒤지기 시작했고, 이들이 세균이나 동식물과는 다른 독특한 특성을 많이 지니고 있다는 것을 알게 되었다. 즉, 모든 세균의 세포벽에 존재한다는 펩티도글리칸이 메테인 생성 세균의 세포벽에는 없었고, 메테인 생성에 관여하는 조효소도 특 ... ... ... N 를 발견 하고 이를 ... 소처럼 작용하는 염기 서열을 다른 세균이나 동식물의 해당 서열과 비교해 보고는 세균이나 동식물과는 뚜렷한 차이가 있다는 것을 발견하였다. 당시 지식으로 메테인 생성 세균은 당연히 다른 세균 무리에 함께 묶여야 했다. 놀란 우즈는 H 분자 및 이후 피루브산은 COª를 방출하고 아세트알데하이드(CH£CHO)로 된다. 이어 그림Ⅲ- 13 효모 ., 1939~ )은 한 원생생물에서 효 없던 미생물의 분류에 도움이 될 수 있을 것이라는 생각을 하였다. N . 를 얻는다. 알코올 발효도 젖산 발효와 마찬가지로 그림 Ⅲ- 1 와 같이 해당 과정을 거쳐 피루브산 분자, N , 를 얻지만, 산소가 없으면 포도당을 에탄올과 이산화 탄소 로 분해하는 알코올 발효를 통해 1 ... ... 하던 중에 리보솜을 구성하는 메테인 생성 세균 N 를 거쳐 단백질로 번역됨으로써 형질로 발현된다. 그리고 생명체 내 질이다. 미국의 체크(C 술이나 빵을 만드는 데 이용되는 효모는 산소가 있으면 산소 호흡을 통 해 생명 활동에 필요한 N 에 저장되어 있는 유전 정보는 에서 효소는 화학 반응에 대한 촉매 작용을 하여 물질대사가 일어나게 하며, 이러한 효소 기능을 수행하는 것은 대부분 단백 N 의 형질 발현 원리 규명에 관심을 가지고 생 명 과학자의 길을 걸었다. 우즈는 단백질 합성 공장인 리보솜을 연구 그는 메테인 생성 세균 종의 특정 알코올 발효 최초의 유전 물질 생명체에서 3역 계 분류 체계는 어떻게 등장하게 되었을까? 물리학도였던 우즈는 3 세가 되어서야 당시 과학계의 가장 큰 도전 과제 중 하나였던 ... ... ... 자료실 전체 반응식: 탈탄산 반응 2CO™ 2아세트알데하이드 NAD±의 재생 N 복사본이 합성되고 있다. + 2H± C§H¡™O§ 2C™H∞OH + 2CO™ + 2ATP (포도당) (에탄올) 성한다. 발표하였고, 이는 큰 파장을 몰고 왔다. 이후 여러 종의 리보자임이 추가로 발견되고 있다. 리보자임의 발견에 따라 생명의 초기 단계에서 우즈의 혁명적인 주장에 대해 당시의 저명한 학자들조차도 격렬한 비판 을 하였지만 결국 오늘날 우즈의 3역 계 분류 체계는 정설로 받아들여지 유전 물질로서 자기 복제 체계의 중심 역할을 수행하였으며 효소 기능까지도 수행하였다는 ‘ N 고 있다. 설)’이 등장하게 되었다. 생각해 보기 N 보다는 N 가 우선 가설( N 세계 가 그림Ⅲ- 14 알코올 발효의 과정과 반응식 생활 속 과학 이야기 1. 최초의 유전 물질이 무엇인지 추정해 보고, 그렇게 생각한 이유를 설명해 보자. 김치는 어떤 효능이 있을까? 우리가 익숙히 아는 배추김치, 깍두기, 총각김치 외에도 열무김치, 파김치, 동치 미, 고들빼기, 갓김치, 오이소박이 등 무려 여 가지의 김치가 있다. 김치가 익어 감에 따라 늘어난 젖산균은 사람의 장에 존재하는 유해 세균의 작용을 억제하는 항 친구와 묻고 답하기 친구와 묻고 답하기 균 작용을 한다. 김치에는 항암 성분과 다양한 생리 활성 물질이 들어 있어, 비만, 고혈압, 당뇨병 등 성인병 예방에도 도움을 주며 소화기 계통의 암 예방에도 효과 1. 5계와 3역 계 분류 체계의 차이점을 이야기해 보자. 2. 고세균역과 진핵생물역의 유사한 특징과 다른 특징을 이야기해 보자. 3. 진핵생물 역에서 동물계, 균계, 식물계의 유연관계를 이야기해 보자. 1. 화학적 진화 과정을 이야기해 보자. 2. 원시 세포 형성 과정에서 막 형성이 중요한 이유를 이야기해 보자. 3. 현존하는 세포에서 세포막이 수행하는 다양한 기능을 이야기해 보자. 교과서 148쪽~150쪽 교과서 150쪽~151쪽 교과서 151쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 교과서 139쪽~140쪽 가 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 김치에는 각종 무기질과 비타민, 아미노산, 유 기산 등이 들어 있어 맛도 좋을 뿐만 아니라 영양도 풍부하다. 교과서 140쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 152 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 고등생명과학2-5(134~177).indd 152 교과서 137쪽~138쪽 1. 생명의 기원 141 78 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 17. 7. 25. 오후 1:41 자료실 더 알아보기 생활 속 과학 이야기 본문 학습과 관련된 자료를 제시 본문 학습과 관련된 심화 내용 본문 학습과 관련된 실생활의 예 하여 생명 과학의 다양한 현상을 으로 구성하여 본문 학습을 좀 를 제시하여 과학에 흥미와 호기 폭넓게 이해할 수 있도록 하였다. 더 심도 있게 이해할 수 있도록 심을 기를 수 있도록 하였다. 하였다. 읽기 자료 읽기 자료 과학 . 기술 . 사회 인류는 야생 겨자를 약 년 전부터 개량하기 시작하여 그림과 같이 우리 의 다양한 지역에서 인위적으로 개의 품종을 개량하여 다양한 품종을 만들어 냈다. 인 위 선 택 과 품 종 개 량 직업의 세계 년 이전부터 전 세계 의 식탁을 풍부하게 하는 다양한 품종을 만들어 냈다. 또한, 1 다양한 품종 양배추 콜리플라워 브로콜리 브뤼셀 콜라비 케일 야생 겨자 생명 공학 연구원 생 명 과 학 과 함 께 하 는 직 업 의 세 계 야생 겨자로부터 개량된 불독 •직업 개요: 생물학, 의약, 식품, 농업 등 생명 과학 분야의 이론과 응용에 관한 연구를 수행하며 생명 공학과 관련한 여러 연구 부서와 협력하여 연구 개발 과제를 기획, 관리, 실행한다. •직업 전망: 정부 기관, 정부 출연 연구소, 기업 부설 연구소, 의약품 제조업체, 식품 제조업체, 화학제 품 제조업체, 생명 기술 회사 등으로 진출할 수 있고, 대학교수가 되어 교육과 연구를 병행할 수도 있다. 생물 정보학자 및 생물 정보 엔지니어 •직업 개요: N 등 유전 정보를 분석하고, 관련 데이터를 체계적으로 수집, 처리, 가공, 연구 개발 한다. 대량 전산 장비, 네트워크 장비를 관리하고 소프트웨어 개발 및 정보 처리 시스템을 운영한다. •직업 전망: 를 전공한 생물 정보학자 및 생물 정보 엔지니어는 산업체나 전산업계 쪽으로 진출하고 생물학을 전공한 사람들은 생명 공학 연구원, 생물 통계학자로 활동할 수 있다. 생명 과학 관련 지적 재산권 전문가 •직업 개요: 생명 과학과 관련된 특허 신청, 무역 기밀, 저작권, 출판물과 같은 지적 재산권 등의 업무 를 한다, 또한, 경쟁사의 특허를 검증하고, 자사 제품에 대한 잠재적 특허 침해에 대한 내용을 감시, 감독, 분석, 평가하며, 회사 관련 특허 검증을 위한 법적 조언을 하기도 한다. 그레이하운드 진돗개 개의 다양한 품종 •직업 전망: 특허 관련 컨설턴트, 연구 기획자, 기술 가치 평 시베리안허스키 삽살개 가사 등이 있으며, 변리사 자격증을 소지한 경우 변리사로서 법률 사무소나 오늘날에는 훨씬 진보된 기술로 광범위하게 다양한 생물의 품종 개량이 이루어지고 기업 등으로 진출할 있다. 이와 같은 품종 개량은 인위적으로 자손에게 전달될 형질이 결정되는 것으로, 인 수 있다. 위 선택이라고 한다. 여러 가지 인위 선택에 대해 잘 알고 있던 다윈은 인위 선택과 유 사한 원리인 자연 선택에 의해 진화가 일어난다고 주장하였다. 1. 인위 선택과 자연 선택의 과정에서는 각각 어떤 형질이 자손에게 전달되는지 토의해 보자. 2. 인위 선택을 통한 품종 개량의 또 다른 예를 조사해 보자. 생각해 보기 5. 진화의 원리 169 고등생명과학2-5(134~177).indd 1 5. 생명 공학의 전망과 과제 205 17. 7. 25. 오후 1:42 읽기 자료 생명 과학과 관련된 다양한 읽을거리를 단원의 특성에 맞게 구성 하였다(과학과 생활, 재미있는 과학 이야기, 생명 과학 관련 직업 의 세계, 과학·기술·사회 등). 대단원 마무리 대단원 마무리 단 원 한 눈 에 보 기 생명의 기원 과학 글쓰기 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 개념 확인하기 1 다음 ( ● ❶ ● 인지질의 막으로 둘러싸이고 자기 복제 체계를 가지며, 기본적인 물질대사가 가능한 존재인 ❷ 는 생명체 탄생의 토대가 된 화학 물질의 변화이다. 단계를 개념 응용하기 ) 안에 들어갈 말을 각각 쓰시오. (1) 오파린은 유기물 복합체인 ( ( ) 미토콘드리아와 엽록체의 기원은 ( 생명체의 진화 진핵생물의 진화는 막 진화설과 ❸ 로 설명된다. 다세포 생물은 단세포 생물의 ❹ 단계를 거쳐 진화하였다. (3) 배 발생 과정에서 원구가 입이 되고 항문이 반대쪽에 생기 는 동물을 ( ● 오늘날에는 ❺ ● 진핵생물은 세균보다 ❻ )에 의해 설명 )→( )이라고 한다. )을 통해 배와 배젖이 형성되어 종자가 만들어진다. 분류 체계로 생물을 분류하고 있다. (5) 한 개체군 내에 존재하는 모든 대립유전자의 총합을 과 유연관계가 가깝다. ( 인공 생명체 탄생 ) → ( C ) → 원시 세포 )(이)라고 한다. 1 년 5월 1일자 미국 의 과학 저널 ‘사이언스’에 미 ~ C에 해당되는 예를 옳게 짝지은 것은? 된다. ● ● ( ) 속씨식물은 ( 생물의 분류 체계 무기물 → ( 탄생하였다고 주장하였다. 거쳐 생명체가 탄생하였다. 다음은 인공 생명체 탄생을 다룬 과학 잡지의 기사 내용이다. 물음에 답하시오. 3 다음은 화학적 진화의 과정을 나타낸 것이다. ) 단계를 거쳐 생명체가 국의 연구팀이 실험실에서 만 C ① 단백질 ② 든 인공 유전체를 이용하여 아미노산 코아세르베이트 다당류 단당류 마이크로스피어 ③ 아미노산 단백질 코아세르베이트 ④ 리포솜 아미노산 단백질 다. 이에 세계 주요 언론들이 ⑤ 핵산 리포솜 뉴클레오타이드 톱뉴스로 이를 보도하면서 과 처음으로 인공 생명체를 탄 생시켰다는 논문이 게재되었 학, 윤리, 정치계가 뜨거운 논 ( ) 두 개체군이 지리적으로 격리된 후 각각에서 변이와 자연 식물과 동물의 분류 ● 동물은 다세포성 ❼ ● 식물은 ❽ 선택이 반복되면 ( 생물이다. 이 있는 세포로 되어 있고, ❾ 란에 휩싸였다. )가 발생하여 종이 분화된다. 크레이그 벤터 연구소는 염소에 피부병을 일으키는 ‘마이코플라스마 마이코이데스’라는 세균의 유전체를 알 ( ) 한 종에 속하는 여러 아종 개체군들이 지리적으로 고리형 을 하는 독립 영양 생물이다. 의 분포를 이루고 있는 것을 ( 려진 염기 서열에 따라 합성한 후, 핵이 제거된 다른 세균 속에 주입하는 방법으로 인공 생명체를 탄생시켰다. )이라고 한다. 이 생명체는 세포질을 제공한 세균의 특성은 거의 없고 인공 유전자의 조절을 받아 생명 활동이 일어난다. 연구팀은 진화의 원리 ● 다윈은 변이와 ❿ ● 이상적인 멘델 집단에서는 대를 거듭하여도 이 진화의 원동력이라고 주장하였다. 이 기술이 앞으로 공해를 제거하거나 나쁜 콜레스테롤을 먹어 치우는 세균처럼 인간에게 유익한 생물을 대량 생산하는 이 일정하게 유지되는데, 이를 이라고 한다. 데 이용되거나 생명의 비밀을 밝히는 데 초석이 될 수 있을 것으로 전망하였다. 과거에도 천연두 바이러스가 이와 같은 4 그림은 단세포 생물로부터 다세포 생물이 진화하는 과정을 나 은 고리의 양 끝에 있는 개체군들 사이에 서로 교배가 불가능한 ● 다. 원시 지구에서의 생명체 탄생과 인공 생명체 탄생은 어떤 관련성이 있을까? 출처: 과학동아, 하디 - 바인베르크 법칙 고리종 생식적 지리적 격리 생식적 격리 ❶ 화학적 진화 ❷ 원시 세포 ❸ 세포내 공생설 ❹ 군체 형성 ❺ 3역 6계 ❻ 고세균 ❼ 종속 영양 ❽ 세포벽 ❾ 광합성 ❿ 자연 선택 유전자풀 어 2 다음 ( 찾 기 이번 사건과 차이가 있다. 문제는 아직 새로운 생명체에 대한 관리 지침이나 규제가 전혀 마련되어 있지 않다는 데 있 가 일어나 종이 분화된다. 정답 가 먼저 일어나고 ● 용 방법으로 제조되어 ‘생명 창조’에 대해 논란이 된 적이 있었으나 바이러스는 진정한 생물로 인정되지 않는다는 데에서 타낸 것이다. 격리 상태가 나타나는 경우이다. 종의 분화 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 고 돌 연 세 자 대 균 포 후 유 동 내 전 물 학 자 생 명 풀 존 종 계 통 수 1. 세포벽에 펩티도글리칸이 없고 진핵생물과 유연관계가 가까운 세균이다. 2. 2 배엽 단계의 동물로 히드라, 해파리 등이 있다. 3. 생물이 진화해 온 경로를 그림으로 나타낸 것이다. 4. 두 개체군이 지리적으로 서로 나뉘어져 살게 되는 상태이다. 5. 한 개체군 내에 존재하는 모든 대립유전자의 총합이다. 변 지 립 구 공 고 자 어 이 리 양 유 동 생 식 류 엽 적 포 서 전 물 물 선 8. 하나의 종이 두 개의 종으로 분리되는 과정이다. 9. 인지질 2중층의 막으로 둘러싸인 구조물이다. 균 격 균 솜 류 자 선 구 사 리 계 종 자 종 분 화 6. 씨를 만들어 번식하는 식물이다. 식물은 셀룰로스로 된 ( )을 가진 진핵세포로 되어 있 고, 엽록체를 가지고 광합성을 하는 ( ) 생물이다. 육상 환경에 적응하면서 건조를 막기 위한 ( C )과 기공, 몸체 를 지지하고 토양에서 필요한 양분을 얻기 위한 ( ), 관 다발을 가진 줄기, 풍부한 빛을 이용하기 위한 넓은 잎 구조, ( 1 . . 95호 ) 안에 들어갈 말을 각각 쓰시오. ) 없이 생식세포를 이동하여 수정하고 배아를 발생시 키기 위한 생식 기구 등의 특성이 발달하였다. C 과학적 의사소통 능력 ① 과학적 문제 해결력 과학적 탐구 능력 3 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 174 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 인공 세균을 탄생시킨 기술을 유용하게 사용할 수 있는 방법과 문제점을 추론하여 설명해 보자. 2 는 생식을 위해 형성된 배우자이다. ⑤ 는 다세포 생물의 체세포이다. 7. 원구가 항문이 되고 나중에 입이 반대쪽에 생기는 동물을 말한다. 자기주도학습노트 다른 점을 설명해 보자. 는 원핵생물이다. ② 는 독립된 개체들의 군체이다. ③ C에서 개체들의 역할이 분업화되었다. ④ 인공 세균을 탄생시킨 기술의 원리를 정리하고 이 기술로 인공 생명체가 탄생한 것이 원시 지구에서 생명체가 탄생한 것과 1 위 그림에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 대단원 마무리 인공 세균 탄생이 생명 창조를 의미하는지 자신의 견해를 밝히고 세균의 합성이 생명 창조를 의미한다면 국가와 사회는 어떤 대책을 세워야 하는지 방안을 제시해 보자. 175 과학 글쓰기 177 단원 한눈에 보기 . 용어 찾기 과학 글쓰기 빈칸 넣기 문제를 통해 단원에서 배운 개념과 핵심 내용을 확인하 과학과 관련된 상식이나 사회적 고, 퍼즐식의 용어를 찾는 활동을 통해 배운 개념을 다시 한 번 정 쟁점에 대한 자료를 읽고, 이를 리할 수 있도록 하였다. 활용한 글쓰기와 토의를 통해 과 학과 핵심역량을 기를 수 있도록 개념 확인하기, 개념 응용하기, 과학과 핵심역량 기르기 이 단원에서 배운 내용을 기본 개념 확인하기, 개념 응용하기, 과 학과 핵심역량 기르기의 3단계로 구성하여 학습 목표에 어느 정 도 도달하였는지 종합적으로 점검할 수 있도록 하였다. 하였다. 차례 생명 과학의 역사 1 생명 과학의 역사 13 대단원 마무리 22 필수 탐구 활동 •인류 복지에 기여한 생명 과학의 발견 사례 및 연구 방법 조사하기 20 세포의 특성 세포 호흡과 광합성 1 생명체의 유기적 구성 29 1 세포 호흡 65 2 세포를 구성하는 탄소 화합물 31 2 발효 74 3 원핵세포와 진핵세포 35 3 광합성 80 4 세포 소기관의 구조와 기능 38 대단원 마무리 92 5 세포막을 통한 물질 출입 46 6 효소 52 대단원 마무리 58 필수 탐구 활동 •세균과 동식물 세포의 차이점 알아보기 •세포 연구 방법 조사 발표하기 •양파 세포의 삼투 현상 관찰하기 •능동 수송의 특성 알아보기 •리포솜의 활용 사례 조사하기 •생활 속 효소 활용 사례 조사하기 •효소의 작용에 영향을 미치는 요인 알아보기 35 38 49 50 51 55 56 필수 탐구 활동 •효모에 의한 발효 알아보기 •광합성과 관련된 과학사 조사하기 •잎의 색소 분리하기 79 80 86 유전자의 발현과 조절 1 유전체의 구성과 유전자의 구조 99 2 의 반보존적 복제 105 3 유전부호와 유전자의 발현 111 4 유전자 발현의 조절 121 5 발생의 유전적 조절 125 대단원 마무리 130 필수 탐구 활동 • N 가 유전 물질임을 증명한 실험 알아보기 •바나나에서 N 추출하여 관찰하기 • N 의 반보존적 복제 증명 실험 알아보기 • N 복제 모의 실험하기 •유전부호의 해독 실험 알아보기 •중심 원리의 정보 흐름을 모의 실험으로 알아보기 •유전자 발현 조절 및 발생과 관련된 최신 연구 자료 조사하기 99 104 106 109 113 120 129 생명 공학 기술과 인간 생활 생물의 진화와 다양성 1 생명의 기원 137 1 2 생명체의 진화 142 2 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 188 3 생물의 분류 체계 146 3 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 194 4 식물과 동물의 분류 153 4 유전자 변형 생명체 199 5 진화의 원리 162 5 생명 공학의 전망과 과제 202 6 종의 분화 170 대단원 마무리 206 대단원 마무리 174 필수 탐구 활동 필수 탐구 활동 •5계와 3역 계 분류 체계 비교하기 •모형 동물의 형질을 이용한 계통수 작성하기 •주변의 식물과 동물의 계통과 유연관계 파악하기 •진화의 증거 사례 조사하기 •모의 실험으로 하디 - 바인베르크 법칙 알아보기 •유전자풀의 변화 요인 및 사례 조사하기 •고리종의 사례를 조사하고 토론하기 148 153 160 164 166 167 173 N 재조합 기술의 활용 O 의 영향 181 •유전자 재조합 모의 실험하기 •세균 콜로니 관찰하기 • N 재조합 기술의 활용 사례 조사하기 •단일 클론 항체 생산 과정 알아보기 •핵치환, 세포 융합, 조직 배양의 활용 사례 조사하기 • O가 우리 생활에 미치는 영향 조사하기 •생명 윤리 쟁점에 대한 의사 결정하기 182 184 186 190 192 200 203 부록 210 중학 과학 배 운 내 용 확 인 하 기 통합과학 생명 과학Ⅰ 과학 기술과 인류 문명, 과학 원리와 공학적 설계 과학의 본성, 과학자의 탐구 방법 생명 과학의 탐구 방법, 생명 과학의 통합적 특성 과학 기술과 인류 문명 역사 속의 과학 탐구 생명 과학의 이해 ● ● ❶ 은 인류 문명과 문화 발달에 많은 영향을 ● 과학은 자연 현상을 설명하려는 인간 노력의 산물 미쳤다. 이며 사회적·문화적 맥락에 따라 끊임없이 변화 과학은 우리 생활을 보다 편리하게 만든다. 한다. ● 과학자는 자연 현상을 설명하기 위해 ❷ 구 방법과 연역적 탐구 방법을 사용한다. 탐 ● 생명 과학의 탐구 방법에는 귀납적 탐구 방법과 ● 생명 과학은 ❹ ❸ 탐구 방법이 있다. 특성을 가지고 있으며 다른 학문 분야와 연계되어 있다. 생명 과학의 역사 이 단원에서는 인류 역사와 함께 발전해 온 생명 과학의 발전 과정과 생명 과학의 발전이 인 간의 삶에 어떤 기여를 했는지 알아본다. 또한, 생명 과학의 발전에 기여한 창 의적이고 혁신적인 실험 기법과 생명 과학자들의 아이디어를 학습함으로써 입체적 시각과 역사적 시각으로 생명 과학의 발전 과정을 인식하도록 한다. 1 생명 과학Ⅱ 생명 과학의 발달 과정, 생명 과학의 연구 방법 생명 과학의 역사 답 ❶ 과학 ❷ 귀납적 ❸ 연역적 ❹ 종합적 생명 과학의 역사 천연두는 사망률이 높은 감염성 질병으로, 생존하더라도 얼 생 각 열 기 굴에 심한 흉터가 남는 무서운 질병이다. 제너( 1 9 1 , , 3)는 우두가 사람에게 전염되면 약간의 붉은 상처가 생 기지만 시간이 지나면 나아지고, 천연두에 또다시 걸리지 않는다 는 것을 알아내었다. 1 9 년에 그는 어린 아이에게 우두를 접종하 질병을 예방하는 백신의 개발 였는데, 아이는 열이 나고 팔에 상처가 생겼으나 곧 회복되었다. 그 후 아이에게 천연두 바이러스를 접종하였더니 천연두 증상이 나타나지 않았다. 19세기에 파스퇴르( 1 1 95)는 다른 전염병 도 제너의 방법대로 예방할 수 있을 것이라고 생각하고 연구하여 광견병 백신을 개발하였다. 이를 계기로 여러 가지 백신 개발 연구 가 활발하게 진행되었으며, 티푸스 백신, 디프테리아 백신, 소아마 비 백신, 홍역 백신 등이 개발되었다. 이러한 백신의 개발로 어린 아이들이 많이 걸리는 소아병이 거의 사라지게 되었다. 생명 과학의 발전이 인류 복지 향상에 기여한 다른 사례로 어떤 것이 있을까? 12 Ⅰ. 생명 과학의 역사 생명 과학의 역사 1 • 생명 과학의 역사와 발달 과정을 알고, 주요 발견을 시기에 따라 나열하고 설명할 수 있다. • 생명 과학 발달에 기여한 주요 발견에 사용된 연구 방법을 조사하여 발표할 수 있다. 학습 목표 생명 과학은 생명 현상이나 생물의 여러 가지 기능을 연구하고, 건강 유지와 의료 기술 발달, 식량 자원 확보, 인구 문제 해결 등 인류 복지 향상을 위해 사용하는 종합 과학이 다. 생명 과학은 인류의 탄생과 함께 시작되었으며, 오랜 역사 속에서 인간 생활과 밀접 한 관계를 맺으며 발전해 왔고, 현대인의 생활 속에도 깊숙이 자리 잡고 있다. 인류 역사 와 함께해 온 생명 과학은 어떤 과정을 거쳐서 발전했을까? 생명 과학의 발달 과정 초기 인류는 동물과 식물을 이용하여 의식주를 해결하였으며, 동식물에 대한 많은 지 식들이 축적되면서 소, 말, 개 등을 가축화하여 농사를 짓고 교통수단으로도 이용하였 핵심 용어 세포설 진화론 유전자설 유전 법칙 유전자 재조합 사람 유전체 사업 다. 또한, 작물을 교배하여 재배 효율이 높고 품질이 좋은 작물로 개량하기도 했다. 그림Ⅰ- 2 해충 저항성 목화 그림Ⅰ- 1 고대 이집트 벽화 가축을 이용해 농사를 짓는 그림이다. 오늘날에는 한 생물의 특정 유전자를 추출하여 다른 생물의 유전자와 결합 하는 유전자 재조합 기술을 이용하여 새로운 유전자 조합을 갖는 생물을 만 들 수 있게 되었다. 이 기술은 인슐린, 인간 생장 호르몬과 같은 의약품을 얻 거나 해충에 저항성이 있는 작물을 만들어 작물의 생산량을 증대시키는 데 사 용되고 있다. 이처럼 오늘날의 생명 과학은 오래전에 비해 눈부신 발전을 하였다. 생명 과학의 발전은 여러 과학자들의 창의적이고 혁신적인 아이디어와 끊임없는 실험 정신으로 도전하였기에 가능했으며 다른 학문 영역이나 사회의 변화에 영향을 미쳤다. 1. 생명 과학의 역사 13 생명 과학의 발전 훅 아리스토텔레스 하비 자연 발생설 확립 혈액 순환의 원리 발견 그리스의 아리스토텔레스( 레이우엔훅 , 하비(H , ., 15 세포와 미생물의 발견 ~1 5 )는 1 5년에 훅(H , ., 1 35~1 3) 종의 어류를 직접 관찰하고 실험을 하여 혈액이 체내 은 렌즈를 직접 깎아서 만든 현미경으로 종 이상의 동물을 관찰하고 를 순환한다는 사실을 알아내었다. 그는 코르크 조각을 관찰하여 식물의 세포 구 분류하였을 뿐만 아니라 많은 동물을 해 심장의 운동을 분석하고, 계산한 결과에 조를 발견하였다. 특히 코르크의 얇은 조 부하였다. 그는 이를 바탕으로 동물의 생 따라 혈액의 양을 추정하여 혈액이 순환 각에서 벌집 모양을 관찰하고, 수도원의 태, 발생 등에 관한 풍부한 지식이 담겨 한다고 생각하였다. 1 ‘작은 방’이라는 뜻의 라틴어인 ‘C 있는 여러 저서를 남겼으며 자연 발생설 윗부분을 묶어 혈액의 흐름을 알아냄으로 을 주장하였다. 생명의 본질을 밝히고자 써 동맥과 정맥이 이어져 있음을 확인했 노력한 그의 연구는 후세에 많은 영향을 으며, 심장의 끊임없는 박동으로 혈액이 1 3 ~1 미쳤다. 순환한다는 것을 증명하였다. 경을 제작하였다. 1 .C. 3 ~ .C. 3 포함하여 5 )는 1 년에 그는 팔의 (세 포)’이라는 용어를 최초로 사용하였다. 레이우엔훅( , ., 3)은 성능이 좋은 단렌즈 현미 3년에 그는 자신이 하비가 사용한 실험적 연구 방법은 근 만든 현미경으로 물속에서 원생생물, 조 대 생명 과학을 발전시키는 획기적인 계 류, 세균 등 미생물을 발견하였다. 미생물 기가 되었다. 의 발견은 그 당시 사람들에게 큰 충격을 주었으며, 미생물에 대한 과학계의 관심 을 이끌어 내었다. 훅이 그린 세포 그림 아리스토텔레스의 저서 『동물학』 (라틴어 번역본) 하비의 실험 14 Ⅰ. 생명 과학의 역사 레이우엔훅이 그린 미생물 그림 슐라이덴 피르호 다윈 린네 근대 분류학의 확립 1 53년에 린네( 세포설의 확립 , C. ., 1 진화론의 확립 1 3 년에 슐라이덴( , . 다윈( , C. ., 1 9~1 )은 1)은 현미경으로 다양한 비글호의 자연학자로서 남아메리카와 갈 념을 명확히 하였으며, 이명법을 확립하 식물을 관찰하여 식물체가 세포로 이루 라파고스 군도를 탐사하였다. 그는 이 탐 였다. 어져 있다는 식물 세포설을 제시하였다. 사에서 관찰한 것을 바탕으로 생물이 진 1 39년에 슈반( ., 1 1 화한다고 생각하였으며, 생물은 환경에 )은 동물체도 식물체와 마찬가지 적응하여 진화한다는 자연 선택설을 주장 ~1 )는 분류의 기본 단위인 종의 개 또한, 린네는 새로운 동식물의 분류 체 계를 제시함으로써 년 이상 사용 ., 1 ~1 ~1 , 된 아리스토텔레스의 분류법을 대체하였 로 세포로 이루어져 있다는 동물 세포설 다. 그는 제자들과 함께 수집한 방대한 양 을 제시하였다. 1 59년에 발표된 다윈의 진화론은 종 의 자료를 정리하여 당시에 알려져 있던 1 5 년에 피르호( 대부분의 동식물을 분류 체계에 포함시 ., 1 켰다. 하였다. . 이 불변한다고 생각했던 사람들에게 큰 )는 세포는 생명의 특징 충격을 주었다. 그의 진화론은 분류학, 진 을 모두 갖고 있으며, 모든 세포는 세포에 화학, 유전학 등의 생명 과학 분야뿐만 아 서 생성된다고 주장함으로써 세포설을 완 니라 철학, 사회 과학, 인문학 등 다른 학 성하여 일반화하였다. 문에도 영향을 주었다. 1~19 , . 세포설의 확립은 세포의 중요성을 인 정하는 계기가 되었고 생명 과학의 발전 에 큰 영향을 주었다. 린네의 저서 『식물의 종』 피르호가 그린 세포 그림 갈라파고스 핀치 1. 생명 과학의 역사 15 파스퇴르 생물 속생설의 확립 1 년에 파스퇴르( 모건 멘델 유전 법칙의 발견 , ., 1 ~1 95)는 백조목 플라스크로 실험 ~1 5년에 멘델( 유전자설의 확립 , . ., 1 모건( , . H., 1 ~19 5) )은 완두를 교배하였을 때 자손 세 은 실험용으로 연구하던 초파리 중 흰색 을 하여 공기 중에 존재하는 미생물 때문 대에서 나타나는 특정 형질의 발현 빈도 눈을 가진 수컷 초파리를 발견하였다. 그 에 플라스크 안의 고기즙이 상한다는 것 를 조사하고 자손 세대에서 발현 빈도가 는 이 돌연변이 초파리의 교배 실험과 침 을 확인하였다. 이 실험으로 대부분의 사 일정한 비율로 나타난다는 것을 알아내었 샘 염색체를 연구하여 19 람들이 믿었던 자연 발생설이 완전히 부 다. 멘델은 이러한 수학적인 법칙성에 주 설을 발표하였다. 정되고 생물 속생설이 확립되었다. 목하여 유전 법칙을 제시하였으며, 유전 1 또한, 파스퇴르는 사람이나 동물에게 병을 일으키는 요인이 미생물이라는 것을 자의 개념을 정립하였다. 그 당시 멘델의 유전 법칙은 인정받지 확신하고 탄저병 백신, 닭 콜레라 백신, 못했지만 19 광견병 백신을 개발하여 의학 발전에 크 재발견되면서 유전학이 발전할 수 있었다. 모건이 유전자설을 발표함에 따라 유 전 현상을 세포 단위에서 연구하는 세포 유전학이 빠른 속도로 발전하였다. 년에 멘델의 유전 법칙이 게 기여하였다. 파스퇴르가 실험에 사용한 플라스크 16 Ⅰ. 생명 과학의 역사 멘델이 유전 실험에 사용한 완두 년에 유전자 모건이 실험에 사용한 초파리 플레밍 에이버리 페니실린의 발견 19 년에 플레밍( 캘빈 N 가 유전 물질임의 증명 , ., 1 1 ~1955)은 푸른곰팡이가 항균 작용을 한 19 년에 에이버리( 광합성의 캘빈 회로 경로 규명 , O. ., ~1955)는 열처리한 형 폐렴 쌍구 1 19 년에 캘빈(C , 199 )과 벤슨( , ., 1911~ . ., 191 ~ 1 다는 것을 우연히 발견하면서 최초의 항 균 추출물을 단백질 분해 효소, 생제인 페니실린을 발견하였다. 이후 페 해 효소, 니실린이 정제, 추출되고 대량 생산되면 효소로 처리한 후, 형 폐렴 쌍구균과 섞 수한 이산화 탄소로부터 광합성 생성물에 서 많은 사람들의 생명을 구할 수 있었다. 어서 배양하는 실험을 하였다. 이 실험에서 이르기까지 탄소 원자의 경로를 추적하는 분해 효소를 처리했을 때 형 폐렴 데 성공하여 캘빈 회로의 경로를 규명하 페니실린의 발견 이후, 생명 과학자들 N N 분 15)은 방사성 동위 원소인 C와 크로 분해 효소 등 여러 분해 마토그래피법을 이용하여 클로렐라가 흡 N 은 많은 종류의 항생제를 발견하였으며 쌍구균이 형 폐렴 쌍구균으로 형질 전환 세균성 질병에 의한 사망자 수가 줄어들 이 이루어지지 않는 것을 확인하고 고 인간의 수명도 늘어나게 되었다. 가 유전 물질이라는 것을 증명하였다. N 였다. 이후 캘빈은 식물을 이용한 비교 실험 에서 클로렐라와 마찬가지로 식물에서도 광합성의 캘빈 회로가 동일한 과정으로 일어난다는 것을 밝혀내었다. COª 캘빈 회로 포도당 μ 페니실린을 생산하는 푸른곰팡이 폐렴 쌍구균 캘빈 회로 1. 생명 과학의 역사 17 코헨과 보이어 왓슨과 크릭 니런버그 N 의 구조 규명 유전부호의 해독 1953년에 왓슨( 과 크릭(C 이 , , . ., 19 ~) . H. C., 191 ~ 유전자 재조합 기술의 개발 니런버그(N ) ~ N 의 이중 나선 구조를 밝히면서 , . ., 19 1 )와 마테이( , . H., 내에서 인공적으로 합성된 가프의 법칙과 프랭크린( , 단백질을 합성하는 실험을 하였다. ~195 )이 찍은 선 회절 사진을 바탕으로 N 의 ., N N , H. 절편을 플라스미드에 삽입하여 완 다. 이후 그들은 이 재조합 플라스미드를 대장균에 도입하였다. 터 생성되는 단백질의 아미노산을 분석함 기적으로 바꾸는 계기가 되었으며, 인슐 으로써 첫 번째 유전부호를 해독하였다. 린과 같은 의약품을 만들거나 해충에 저 항성이 있는 작물을 만드는 데 사용되고 개의 모든 유전부호가 해독되 었으며, 이를 계기로 유전자가 발현되는 있다. 과정까지 밝혀졌다. 유전부호의 해독은 현대 생명 과학에 서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. U UUU UUC UU C ] 페닐알라닌( ] 류신( ) CUU ) CUC \ } 류신( CU \ CU 0 ) UU C ) UC ¡ 아이소류신( ) U U 메싸이오닌( UCU ) UCC \ } 세린( UC \ UC 0 U U ) U C ) CCU ) CCC \ } 프롤린( CC \ CC 0 UU U ] U C U C C ) C U ) C U U ) U C ] 시스테인(C ) 종결 코돈 U 종결 코돈 종결 코돈 U 트립토판( ) C U ) C C \ } 아르지닌( C \ 0 C ) ] 히스티딘(H ) ] 글루타민( C CU ) CC \ } 트레오닌( C \ C 0 ] 타이로신( ) ] 아스파라진( ] 라이신( ) U C ] 세린( C U ) C U C ] 아르지닌( ) U ) 개시 코돈 UU ) UC \ } 발린( U \ U 0 왓슨과 크릭의 논문에 실린 18 Ⅰ. 생명 과학의 역사 N 모형 ., 193 ~)는 전히 새로운 재조합 플라스미드를 만들었 N 로부터 N 를 합성한 후 이 이후 U . N., 1935 이들의 실험 방법은 유전자 연구를 획 중심 원리가 밝혀지 면서 분자 유전학이 급속히 발전하였다. , N 로부 되는 이루고 있다는 것을 알아내었다. 복제 기작과 N 19 1년에 그는 한 종류의 염기가 반복 N 가 이중 나선을 N 의 구조를 발견한 이후 ~)과 보이어( 19 9~)는 유전부호 해독을 위해 시험관 분자 유전학의 시대를 열었다. 그들은 샤 19 19 3년에 코헨(C 코돈표 ) CU ) CC \ } 알라닌( C \ C 0 U ) C ] 아스파트산 ( ) ] 글루탐산( ) U ) C \ } 글리신( \ 0 U ) C 유전자 재조합 기술로 만든 인슐린 멀리스 윌멋 중합 효소 연쇄 반응의 개발 19 3년에 멀리스( 사람 유전체 사업은 사람 유전자의 종 N 의 특정 부분만을 대량 은 암양의 체세포를 핵이 제거된 다른 암 류와 기능을 밝히기 위해 사람 유전체에 으로 증폭시키는 기술인 중합 효소 연쇄 양의 난자와 결합하는 핵치환 기술을 이 있는 약 3 억 개의 뉴클레오타이드 염기 반응을 개발하였다. 처음에는 불편한 점 용하여 복제 양 돌리를 탄생시켰다. 돌리 쌍의 서열을 알아내는 것을 목적으로 한 이 있어 널리 이용되지 않았지만, 19 는 수정란이 아닌 체세포를 이식해서 얻 사업이다. 이 사업은 예상한 것보다 5년 은 최초의 포유동물이다. 앞서 ~)는 . ., 년 에 높은 온도에서도 활성이 없어지지 않 는 N 중합 효소를 발견한 후 중합 효 소 연쇄 반응이 널리 이용되고 있다. 중합 효소 연쇄 반응은 적은 양의 N 199 년에 윌멋( 사람 유전체 사업의 완성 ~) 19 , 복제 양 돌리의 탄생 , ., 19 현재 핵치환 기술을 이용한 동물 복제 는 멸종 위기의 희귀 동물 보존, 세포와 유전자 치료 등에 활용되고 있다. 3년에 완성되었으며, 사업의 결 과 사람 유전자의 N 상의 위치와 염 기 서열을 알게 되었다. 사람 유전체 사업으로 얻은 유전 정보 를 다양한 실험이 가능할 정도의 충분한 는 질병 진단, 난치병 예방, 신약 개발, 개 양으로 증폭함으로써 분자 생물학을 획기 인별 맞춤형 치료 등에 이용되고 있으며, 적으로 발전시키는 계기가 되었다. 또한, 컴퓨터 정보 기술을 활용한 생물 정보학 중합 효소 연쇄 반응은 바이러스 또는 세 의 발전에 기여하였다. 균의 감염 진단, 법의학 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 중합 효소 연쇄 반응( C )의 원리 복제 양 돌리 사람 유전체 사업 1. 생명 과학의 역사 19 조사•발표 탐구 활동 인류의 복지에 기여한 생명 과학의 발견 사례 및 연구 방법 조사하기 모둠별로 인류 복지에 기여한 생명 과학의 발견과 연구 방법을 조사하고 발표해 보자. 미리 알아보기 명 명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 1. 조사하기 자료 내려받기 •Ⅰ- 1. 인류의 복지에 기여한 생명 과학의 발견 사례 및 연구 방법 (1) 참고 자료 [Ⅰ- 1. 인류의 복지에 기여한 생명 과학의 발견 사례 및 연구 방법]을 내 려받아 확인한다. (2) 모둠별로 제시된 발견 사례 중 한 가지를 선택한다. 백신의 개발 소독법의 개발 중합 효소 연쇄 반응법 개발 유전자 재조합 기술의 개발 혈액형의 발견 항생제의 발견 인류 복지에 기여한 생명 과학 발견 사례 2. 조사 내용 정리하기 도움말 •모둠별로 각자의 역할을 정해 활동하도 록 한다. •조사 주제는 모둠별로 협의하여 결정한다. •다른 학문 영역이나 사회의 변화에 영향 을 준 사례도 조사하여 발표한다. •생명 과학자가 연구에 사용한 방법도 함 께 조사하여 발표한다. 우리 모둠이 선택한 사례를 대상으로 다음 내용을 조사하고 정리해 보자. 주제 인류 복지에 끼친 영향 연구 방법 20 Ⅰ. 생명 과학의 역사 과학적 참여와 평생 학습 과학적 사고력 발표 및 토의하기 1. 모둠별로 정리한 내용을 발표하고 다음 문제를 토의해 보자. 주의점 •생명 과학의 발전이 사회나 다른 학문에 미친 영향 • 발표 내용을 충분히 준비한다. • 발표할 때는 스토리텔링 방식으로 한다. • 다른 모둠의 발표를 경청한다. •생명 과학의 연구 과정에서 과학자가 지녀야 할 태도 평가하기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. •생명 과학의 발견 사례가 인류 복지에 미친 영향과 주요 발견에 사용된 연구 방법을 이 해하고 발표한 모둠은 어느 모둠인가? •발표 내용을 충분히 잘 전달한 모둠은 어느 모둠인가? •발표 자료가 짜임새 있고 성의 있게 준비된 모둠은 어느 모둠인가? 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 평가 기준 평가 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 모둠 내에서 나의 역할을 충실히 수행하였는가? 토의를 위한 발표 조사를 충실히 수행하였는가? 친구와 묻고 답하기 1. 생명 과학의 주요 발견 사례를 시기에 따라 이야기해 보자. 2. 인류의 복지에 기여한 생명 과학의 발견 사례를 이야기해 보자. 교과서 14쪽~19쪽 교과서 14쪽~21쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 1. 생명 과학의 역사 21 대단원 마무리 아리스토텔레스는 생물이 저절로 생겨난다는 ❶ ● ❷ ● 훅과 레이우엔훅은 ❸ ● 린네는 ❹ ● ❺ 의 확립은 세포의 중요성을 인정하는 계기가 되었다. ● ❻ 은 진화의 주된 요인으로 자연 선택설을 주장하였다. ● 파스퇴르는 백조목 플라스크 실험으로 ❼ ● 멘델은 ❽ ● 모건은 초파리의 교배 실험을 통해 ❾ 는 혈액 순환의 원리를 발견하여 근대 생명 과학 발전에 큰 영향을 미쳤다. 을 만들어 세포와 미생물을 발견하였다. 의 개념을 명확히 하고, 이명법을 만들었다. 교배 실험으로 유전 법칙을 발견하였다. ● 플레밍은 ❿ ● 캘빈은 클로렐라 실험으로 광합성의 ● 에이버리는 ● 왓슨과 크릭은 ● 니런버그는 ● 코헨과 보이어는 ● 멀리스는 을 확립하였다. 에서 최초의 항생제인 페니실린을 발견하였다. N 가 를 규명하였다. 임을 밝혀내었다. 가 이중 나선 구조를 이루고 있음을 밝혀내었다. 를 해독하였다. 을 개발하여 생명 공학의 발전에 기여하였다. N 를 증폭시킬 수 있는 을 개발하였다. ● 는 세계 최초의 복제 양이다. ● 은 사람 유전체에 있는 약 3 억 개의 뉴클레오타이드 염기쌍의 서열을 밝히는 것을 목적으로 한다. 돌리 사람 유전체 사업 ❶ 자연 발생설 ❷ 하비 ❸ 현미경 ❹ 종 ❺ 세포설 ❻ 다윈 ❼ 생물 속생설 ❽ 완두 ❾ 유전자설 ❿ 푸른곰팡이 캘빈 회로 유전 물질 찾 기 22 Ⅰ. 생명 과학의 역사 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 혈액 순환의 원리를 발견한 과학자이다. 중 나 비 페 다 하 람 쥐 합 무 돌 생 니 증 비 구 효 로 후 리 발 실 폭 멍 4. 파스퇴르의 백조목 플라스크 실험으로 확립된 이론이다. 소 잘 유 전 자 설 린 자 5. 부모의 형질이 자손에게 전해지는 유전 현상에 대한 법칙이다. 연 린 유 전 사 랑 초 연 쇄 행 세 규 법 해 파 선 8. 세계 최초로 체세포 복제로 태어난 복제 양이다. 반 가 명 포 독 칙 리 택 9. 모건이 유전자설을 확립하는 데 사용한 생물이다. 응 생 물 속 생 설 가 설 2. 훅이 현미경으로 관찰하여 발견한 것으로 작은 방이라는 뜻을 가졌다. 3. 다윈이 『종의 기원』에서 주장한 진화의 주된 원리이다. 6. 푸른곰팡이에서 추출한 물질로 세균을 죽이거나 생장을 억제한다. 7. 멀리스가 개발한 기술로 N 를 증폭시킬 수 있다. 정답 중합 효소 연쇄 반응법 어 을 확립하였다. 유전자 재조합 기술 용 을 주장하였다. 유전부호 생명 과학의 역사 ● DNA 단 원 한 눈 에 보 기 Ⅰ. 생명 과학의 역사 개념 확인하기 개념 응용하기 1 다음 빈칸에 알맞은 말을 <보기>에서 골라 기호를 쓰시오. 보기 ㄱ. 자연 선택설 3 다음 과학자와 과학자의 업적을 옳게 연결하시오. ㄴ. 유전 법칙 ㄷ. 이중 나선 ㄹ. 세포 ㅁ. 사람 유전체 사업 ㅂ. 유전자설 ㅅ. 중합 효소 연쇄 반응 ㅇ. 돌리 (1) 훅은 자신이 만든 현미경을 통해 코르크 조각을 관찰하여 ( ⑴ 훅 • • ㉠ 유전부호 해독 ⑵ 니런버그 • • ㉡ 세포의 발견 ⑶ 플레밍 • • ㉢ 페니실린의 발견 ⑷ 코헨 • • ㉣ 미생물의 발견 )라는 용어를 처음으로 사용하였다. ( ) 다윈의 ( )은 종이 불변한다는 생각을 가지고 있었던 ⑸ 레이우엔훅 • • ㉤ 유전자 재조합 기술 개발 많은 사람들에게 큰 충격을 주었다. (3) 멘델은 완두를 이용한 실험으로 ( ( ) 왓슨과 크릭은 N 의( )을 발견하였다. ) 구조를 밝힘으로써 분자 생물학의 발달에 많은 영향을 미쳤다. (5) 멀리스는 N 의 특정 부분을 증폭할 수 있는 ( )을 개발하였다. 4 다음은 과학자의 주요 업적을 나타낸 것이다. ( ) 안에 알 맞은 과학자를 쓰시오. (1) 근대 분류학의 확립: ( ( ) 유전자설의 확립: ( (3) N ) ) 구조의 규명: ( ( ) 유전부호의 해독: ( (5) 복제양 돌리의 탄생: ( ) ) ) 2 다음 빈칸에 알맞은 말을 각각 쓰시오. (1) 파스퇴르의 ( ( )( ) 실험으로 생물 속생설이 확립되었다. )은 최초의 항생제인 페니실린을 발견하였다. (3) 사람 유전체 사업은 사람 유전체에 있는 약 3 억 개의 뉴 클레오타이드 염기쌍의 ( )을 밝히는 것을 목적으로 한 사업이다. 5 다음 <보기>에서 과학자의 업적이 옳게 짝지어진 것의 기호를 있는 대로 쓰시오. ( ) 돌리는 수정란이 아닌 체세포를 이식해 얻은 최초의 ( 보기 ㄱ. 린네 - 세포설의 확립 )이다. (5) 에이버리는 ( )가 유전 물질임을 증명하였다. ( ) 코헨이 개발한 ( )은 해충에 저항성이 있는 작물을 만드는 데 이용되었다. 자기주도학습노트 ㄴ. 다윈 - 자연 선택설의 주장 ㄷ. 캘빈 - 광견병 백신의 개발 ㄹ. 멀리스 - 중합 효소 연쇄 반응의 개발 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 23 6 다음에서 (가) ~ (다)는 유전학의 발전에 기여한 3명의 과학자와 과학적 핵심 역량 기르기 그들의 업적을 나타낸 것이다. 과학적 사고력 (가) 멘델은 완두의 교배 실험을 통해 유전 법칙을 발견하 8 다음에서 (가)와 (나)는 각각 자연 발생설과 생물 속생설 중 하나 이다. 였다. (나) 에이버리는 폐렴 쌍구균의 형질 전환 실험을 통해 DNA (가) 생물이 발생하기 위해서는 반드시 그 어버이가 있어야 가 유전 물질임을 증명하였다. 한다고 생각하는 이론이다. (다) 모건은 초파리를 이용한 실험으로 유전자설을 발표하 (나) 생물은 자연적으로 우연히 무기물로부터 발생한 것이라 였다. 는 이론이다. 다음 중 (가) ~ (다)를 시대 순으로 옳게 나열한 것은? ① (가) → (나) → (다) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? ② (가) → (다) → (나) 보기 ㄱ. (가)는 생물 속생설이다. ③ (나) → (가) → (다) ④ (나) → (다) → (가) ㄴ. (나)는 아리스토텔레스가 주장하였다. ⑤ (다) → (가) → (나) ㄷ. 파스퇴르의 실험으로 (가)가 옳다는 것이 증명되었다. ①ㄱ ②ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 과학적 의사소통 능력 9 다음은 195 년 이후 생명 과학 발달에 대한 세 학생의 설명 이다. 코헨과 보이어가 유전자 재조합 기술을 개발했어. 니런버그의 실험은 유전부호가 해독될 수 있는 계기가 되었어. 7 다음 중 사람 유전체 사업에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 학생 B 멀리스는 N 의 특정 부분만을 대량으로 증폭하는 기술을 개발했어. ① 예상보다 5년 늦게 완성되었다. ② 사람 유전자의 종류와 기능을 밝히는 사업이다. 학생 C 학생 A ③ 사람 유전체에 있는 약 3 억 개의 뉴클레오타이드 염기쌍 의 서열을 밝혀내었다. ④ 사람 유전체 사업으로 얻은 유전 정보는 질병 진단, 난치병 예방, 신약 개발에 이용될 수 있다. ⑤ 사람 유전체 사업으로 컴퓨터 정보 기술을 활용한 생물 정 보학 등의 다른 학문이 발전할 수 있었다. 자기주도학습노트 24 Ⅰ. 생명 과학의 역사 다음 중 옳게 설명한 학생만을 있는 대로 고른 것은? ① ②C ④ ,C ⑤ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! ③ , ,C , 과학 글쓰기 한국의 나비 박사 석주명 나비 연구로 유명한 석주명(19 195 )은 한국 나비의 종류를 정리하고, 나비의 이름 을 지은 분류학자이다. 그는 일제 강점기에 가장 활발한 연구 활동을 펼친 과학자 중 한 명 으로, 전국을 돌아다니면서 75만 마리의 나비를 채집하였다. 석주명은 자신이 채집한 나비 표본들을 『일본 곤충 대도감』 등 일본에서 발간된 여러 도감 과 비교하여 정리하였다. 정리 과정에서 그는 자신의 연구 결과와 기존의 도감에 실린 내용 이 상당히 다르다는 사실을 알았다. 그가 같은 종으로 분류한 표본들이 일본 도감에는 서로 다른 종으로 구분되어 있었다. 석주명은 일본 학자들이 범한 오류를 자신이 창안한 ‘개체 변이에 따른 분포 곡선 이론’을 토대로 하여 재정리하였다. 당 시 나비 연구자들은 자신이 채집한 개체가 조금만 특이해도 신종이나 아종으로 등록하였다. 석주명은 많은 나비 개체를 채 집하여 특이한 개체들이 환경의 차이에 따른 개체 변이에 불과하다는 것을 밝혀내었다. 그는 16만 마리가 넘는 배추흰나비 의 날개의 형태, 무늬, 색채, 모양, 길이 등을 조사하여 다른 종 으로 보고된 20여 개의 종이 실제로는 배추흰나비의 한 종이란 것을 밝혀내었다. 석주명은 이와 같은 연구를 통해 외국 학자들이 다른 종으로 분류한 한국에 서식하는 9 1개의 나비 가운데 개의 동종이 명을 통합하여 한국에 서식하는 나비를 5 여 종으로 정리하였 다. 이는 오늘날 한국에 서식하는 나비로 밝혀진 종 수와 비슷한 수치임을 생각해 볼 때 놀라운 연구 업적이다. 다양한 배추흰나비 표본 과학적 문제 해결력 1 석주명의 나비 연구에 기울인 노력과 연구 과정을 더 알아보고 과학자가 가져야 할 태도를 써 보자. 과학적 의사소통 능력 2 나비 박사 석주명을 소개하는 간단한 글을 써 보자. 과학 글쓰기 25 중학 과학 배 운 내 용 확 인 하 기 통합과학 생명 과학Ⅰ 광합성, 광합성 산물, 호흡과 광합성의 관계, 세포막의 기능, 세포 소기관, 물질대사, 효소, 생물의 구성 단계 유전자와 단백질 식물과 에너지, 동물과 에너지 생명 시스템 ● 식물이 생명 활동에 필요한 양분을 만드는 ❶ ● 과정을 이해한다. 우리가 먹은 음식물은 ❷ 해된다. 물질대사, 소화, 배설 생물의 특성 ● 생명체를 이루는 기본 단위는 ❸ 이다. ● 세포막은 특정한 물질만을 통과시키는 ❹ ● 효소는 다. ❺ 생물은 외부 환경 변화에 대해 체내 환경을 일정 ● 물질대사에는 물질을 합성하는 ❼ 하게 유지하는 ❻ 을 나타낸다. 에서 영양소로 분 ● 를 낮추어 반응 속도를 빠르게 한 분해하는 ❽ 이 나타난다. 이 있다. 과 물질을 세포의 특성 이 단원에서는 생명의 구조적, 기능적 단위인 세포가 모여서 이루어지는 동물과 식물의 유기 적 구성을 비교해 보고 생명체를 구성하는 탄소 화합물의 구조와 기능, 세포 소기관의 구조와 기능, 원핵세포와 진핵세포의 차이점, 세포막을 통한 물질의 출입과 효소의 작용을 알아본다. 1 생명 과학Ⅱ 생명체의 유기적 구성, 탄소 화합물, 세포 소기관의 관계, 원핵세포와 진핵세포의 차이, 물질 수송, 효소의 작용 세포의 특성 답 ❶ 광합성 ❷ 소장 ❸ 세포 ❹ 선택적 투과성 ❺ 활성화 에너지 ❻ 항상성 ❼ 동화 작용 ❽ 이화 작용 생명체의 유기적 구성 2 세포를 구성하는 탄소 화합물 3 원핵세포와 진핵세포 4 세포 소기관의 구조와 기능 5 세포막을 통한 물질 출입 6 효소 약 6,800만 년 전의 티라노사우르스 렉스의 넓적다리뼈가 생 각 열 기 2003년에 발견되었다. 과학자들은 이 뼈를 조사하던 중 놀랍게도 무기질로 대체되지 않은 콜라젠 단백질 조각이 붙어 있음을 발견 하였다. 이 콜라젠은 새의 콜라젠과 유사하여 새와 공룡이 진화적 으로 밀접한 관계가 있다는 것을 유추할 수 있었다. 티라노사우르스의 단백질 콜라젠과 같은 단백질은 생명체와 세포에서만 발견되는 4가 지 거대 분자 중 하나이다. 분자량이 매우 큰 이 물질들은 모두 탄 소를 포함하는 유기물로서 생명체에서만 발견되며 생명체가 없는 자연에서는 존재하지 않는다. 만약 탄수화물, 단백질, 지방, 핵산 중 한 가지가 어떤 행성에서 발견되었다면 이것은 생명체의 존재 와 관련지어서 생각해 볼 수 있다. 세포를 구성하는 탄수화물, 단백질, 지방, 핵산과 같은 거대 생체 분자가 가지는 공통점은 무엇일까? 28 Ⅱ. 세포의 특성 1 학습 목표 생명체의 유기적 구성 • 동물과 식물의 유기적 구성을 비교할 수 있다. 자음과 모음이 모여서 글자를 이루고 글자들이 모여서 의미를 갖는 문장을 형성한다. 이 문장은 아름다운 시가 되기도 하고 감동적인 소설이나 실감 나는 연극 대본이 되기도 한다. 생명체도 세포가 모여서 하나의 완전한 개체로서 생명 현상을 나타낸다. 과연 생 명체는 어떻게 구성되어 있을까? 다세포 생물은 구조적, 기능적 기본 단위인 세포가 모여서 하나의 유기적인 체계를 갖 핵심 용어 춘 개체이다. 세포가 모여서 조직을 이루고 조직이 모여서 기관을 이루며, 여러 기관이 모 세포 기관 조직 기관계 조직계 개체 여서 하나의 독립적인 생명체를 이룬다. 동물의 유기적 구성 동물의 몸은 상피 세포, 근육 세포, 신경 세포 등 다양한 세포들로 이루어져 있다. 같 은 모양과 기능을 갖는 세포들이 모여 상피 조직, 결합 조직, 근육 조직, 신경 조직을 이 루고, 몇 가지 조직들이 모여 뇌, 위, 간, 폐, 심장과 같은 기관을 형성하며 연관된 기능 을 가진 기관들이 모여 소화계, 호흡계, 순환계, 배설계와 같은 기관계를 이룬다. 세포 기관계 근육 세포 신경 세포 상피 세포 결합 세포 개체 조직 기관 근육 조직 신경 조직 상피 조직 결합 조직 그림Ⅱ- 1 동물체의 구성 단계 기관계는 동물에만 있는 것으로 여러 기관계들이 유기적으로 연결되어 하나의 개체를 이룬다. 1. 생명체의 유기적 구성 29 식물의 유기적 구성 표피 조직계 식물의 표면에 있으며 식물의 몸을 보호 식물도 동물과 마찬가지로 같은 종류의 세포들이 모여 조직을 이루고 있다. 식물의 조 한다. 직은 세포 분열이 일어나는 분열 조직과 분열이 일어나지 않는 영구 조직으로 나눈다. 기본 조직계 분열 조직에는 생장점과 형성층이 있고, 영구 조직에는 분열 조직에서 만들어진 세포들 내부 조직을 구성하고 광합성, 양분 저장, 식물체 지지 등의 역할을 한다. 이 분화한 표피 조직, 유조직, 통도 조직 등이 있다. 식물은 동물과 달리 기관계가 없으며 몇 가지 조직으로 이루어진 조직계가 있다. 조직 관다발 조직계 물과 무기 양분의 이동 통로이다. 계에는 표피 조직계, 기본 조직계, 관다발 조직계가 있으며, 이들 조직계들이 모여 기관 을 이룬다. 식물의 기관에는 잎, 줄기, 뿌리와 같은 영양 기관과 꽃과 같은 생식 기관이 있고, 이들 기관이 모여 하나의 개체를 구성한다. 기관 세포 개체 표피 세포 잎 물관/체관 세포 엽육 세포(잎살 세포) 조직계 표피 조직계 조직 표피 조직 통도 조직 유조직 관다발 조직계 기본 조직계 그림Ⅱ- 2 식물체의 구성 단계 식물은 동물과 달리 조직계는 있으나 기관계는 없다. 친구와 묻고 답하기 1. 동물의 유기적 구성 단계를 이야기해 보자. 2. 식물의 유기적 구성 단계를 이야기해 보자. 3. 동물과 식물의 유기적 구성의 공통점과 차이점을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 30 Ⅱ. 세포의 특성 교과서 29쪽 교과서 30쪽 교과서 29쪽~30쪽 2 세포를 구성하는 탄소 화합물 학습 목표 • 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산의 기본 구조와 기능을 설명할 수 있다. 탐스러운 사과가 열리는 사과나무는 햇빛을 이용하여 포도당을 합성한다. 포도당뿐만 아니라 사과나무에 사과가 열리려면 비생물에서는 쉽게 발견되지 않고 생명체인 세포에 서 발견되는 여러가지 물질의 합성이 필요하다. 세포를 구성하는 주요 물질에는 어떤 것이 있을까? 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산은 생명체를 이루는 중요한 탄소 화합물, 즉 유기물이다. 핵심 용어 이들은 지질을 제외하고는 모두 작은 기본 단위가 반복되는 구조로 된 중합체이다. 이들 탄수화물 핵산 단백질 단당류 지질 펩타이드 결합 거대 분자들은 세포와 조직을 구성하고 물질대사에 참여하며 정보를 전달하고 생명 활 동에 필요한 에너지를 공급하는 중요한 역할을 한다. 탄수화물 탄수화물은 탄소와 물의 화합물이란 뜻으로 일반적으로 탄소(C), 수소(H), 산소(O)가 1: : 1의 비율로 이루어져 있다. 탄수화물은 우리가 가장 많이 섭취하는 물질이며, 생 / )이다. 식물에서는 몸을 구성하는 물질로도 많 명 활동에 필요한 주요 에너지원( 탄수화물의 탄소 - 수소(C - H) 결합 탄소 - 수소 결합은 산화될 때 많은 양의 에너지를 방출하기 때문에 에너지 저장에 매우 적합하며, 탄수화물은 유기물 중에서 가장 중요한 에너지 저장 분자이다. 이 쓰인다. 탄수화물은 단당류, 이당류, 다당류로 구분한다. 단당류는 탄소의 수에 따라 구분하는 데 에너지 저장에 쓰이는 포도당, 과당, 갈락토스는 탄당이며, 핵산의 구성 성분인 리 보스와 디옥시리보스는 5탄당이다. 이당류는 단당류 개가 결합한 것으로 엿당, 설탕, 젖당 등이 있다. H HO CH™OH O H H OH H HO H OH 포도당 H HO CH™OH O H H OH H OH H H™O 다당류 이당류 OH 포도당 CH™OH O H H H OH H HO H OH O 엿당 단당류 CH™OH O H H H OH H OH H OH 그림Ⅱ- 3 엿당의 합성 엿당은 포도당 두 분자의 결합으로 형성된다. 그림Ⅱ- 4 다양한 탄수화물 2. 세포를 구성하는 탄소 화합물 31 녹말 글리코젠 1 셀룰로스 1 그림Ⅱ- 5 다당류의 종류 녹말, 글리코젠, 셀룰로스는 많은 수의 포도당이 결합하여 만들어진 다당류이다. 다당류는 단당류가 수백 개에서 수천 개가 결합하여 긴 사슬을 이룬 것으로 녹말, 글 리코젠, 셀룰로스 등이 있다. 녹말은 식물의 저장 탄수화물이고, 글리코젠은 동물의 저 장 탄수화물이며, 셀룰로스는 식물 세포의 주성분으로 세포벽을 형성한다. 단백질 단백질은 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)로 구성되어 있고 황( )이 포함된 것도 단백질 알 속에 들어 있는 흰 물질이라는 의미의 단백질은 유기물 중 세포에서 가장 많은 양을 차지한다. / )으로 사용되기도 한다. 효소와 호르 있다. 몸의 주요 구성 성분이며, 에너지원( 몬, 항체의 성분으로 세포내에서 일어나는 화학 반응과 생리 작용을 조절하고 몸의 방어 작용에도 관여한다. 또한, 세포막에서 물질 수송과 수용체의 역할도 담당한다. 손톱과 머리카락을 이루는 케라틴, 피부의 콜라젠 등도 단백질이다. 단백질의 기본 단위는 아미노산이며, 아미노산은 탄소 원자에 아미노기( NHª), 카 R O H N H 아미노기 C H C 복실기( COOH), 수소 원자, 곁사슬( )이 결합된 구조로, 곁사슬의 종류에 따라 OH 개의 아미노산이 존재한다. 이들 아미노산이 펩타이드 결합을 통해 길게 연결되어 폴 카복실기 리펩타이드 사슬을 이루고 이것이 3차 구조를 이루어 단백질이 된다. 이때 결합한 아미 그림Ⅱ- 6 아미노산의 분자 구조 노산의 종류와 수, 배열 순서에 따라 단백질의 구조가 결정되고 단백질의 구조에 따라 기능이 결정된다. 단백질은 종류에 따라 헤모글로빈처럼 개의 폴리펩타이드 사슬이 뭉 쳐서 이루어진 경우도 있다. 펩타이드 결합 R¡ H™N R¡ R™ C C H O OH + H N C H H COOH H™N R™ C C N C H O H H H™O COOH 펩타이드 결합 폴리펩타이드 스스로 정리 하기 •세포 내에서 단백질의 역할: R¡ H™N R™ R£ R¢ R∞ C C N C C N C C N C C N C H O H H O H H O H H O H H COOH 그림Ⅱ- 7 펩타이드 결합과 폴리펩타이드 펩타이드 결합은 한 아미노산의 카복실기( COOH)와 다른 한 아미노산 의 아미노기( NHª) 사이에서 물 한 분자가 빠져나오면서 형성된다. 펩타이드 결합을 통해 아미노산이 길게 연결된 것을 폴리펩타이드라고 한다. 32 Ⅱ. 세포의 특성 지질 지질은 물에 잘 녹지 않고 유기 용매에 잘 녹는 특징이 있으며, 탄소(C), 수소(H), 산소(O)로 이루어져 있다. 지질은 몸의 구성 성분이며 에너지원 / )으로 사용되고, 생리 기능 조절에도 관여한다. (9 지질을 성분과 구조에 따라 중성 지방, 인지질, 스테로이드로 구분할 수 있 다. 중성 지방은 글리세롤 1분자에 지방산 3분자가 결합한 화합물이다. 필요 이상의 영양소를 섭취하면 여분의 에너지는 중성 지방 형태로 저장된다. 중 성 지방은 동물의 중요한 에너지원일 뿐만 아니라 체온 유지에도 중요한 역 할을 한다. 한편 올리브나 참깨 같은 식물 종자에도 상당량의 중성 지방이 포 함되어 있다. 그림Ⅱ- 8 동물성 중성 지방 해양 포 유류의 피하 지방은 혹독한 추위에도 견 딜 수 있도록 해 준다. 그림Ⅱ-10 식물성 중성 지방 기름, 버 터와 같은 식품에 주로 들어 있다. 그림Ⅱ- 9 중성 지방의 구조 인지질은 중성 지방에서 지방산 1분자 대신 인산기가 결합한 화합물로서 세포막의 중 요한 구성 성분이다. 인산기를 가지고 있는 머리 부분은 친수성을 띠고, 지방산으로 이 루어진 꼬리 부분은 소수성을 띤다. 스테로이드는 개의 탄소 고리로 이루어진 화합물로 테스토스테론과 같은 성호르몬과 부신 겉질 호르몬의 구성 성분이다. 세포막의 구성 성분 중 하나인 콜레스테롤도 스테로 이드의 일종이다. 유기 분자 머리 (친수성) 인산 친수성 머리 물 글리세롤 꼬리 (소수성) 지방산 물 소수성 꼬리 그림Ⅱ- 11 인지질 세포막의 구성 성분으로 친수성 머리와 소수성 꼬리로 구성된다. 2. 세포를 구성하는 탄소 화합물 33 핵산 핵산은 세포에서 유전 정보를 가지고 있는 매우 중요한 인산 염기 NH™ (아데닌) C N C N CH HC C N N 5탄당 염기 그림Ⅱ- 12 뉴클레오타이드의 구조 O— —O P O CH™ O H H H H OH H O 인산 폴리뉴클레오타이드 뉴클레오타이드가 수 개 이상 결합하여 물질이다. 핵산을 이루는 기본 단위는 뉴클레오타이드이며, 뉴클레오타이드는 인산, 5탄당, 염기가 1 1 1의 비로 결합 되어 있다. 하나의 뉴클레오타이드의 인산은 다른 뉴클레오 타이드의 당에 연결되어 ‘당 인산 당 인산⋯⋯’ 형태의 골격을 형성하며 폴리뉴클레오타이드 사슬을 이룬다. 와 핵산의 종류에는 5탄당 기다란 사슬 모양을 이룬다. 가 있다. N 는두가 닥의 폴리뉴클레오타이드가 꼬여 있는 이중 나선 구조이다. N 의 당은 5탄당의 디옥시리보스이며, 이토신(C), 타이민( )의 가지가 있다. N 의 염기는 아데닌( ), 구아닌( ), 사 N 는 한 가닥의 폴리뉴클레오타이드로 구성 된 단일 가닥 구조이다. 당은 5탄당의 리보스이고, 염기는 아데닌( ), 구아닌( ), 사이토 신(C), 유라실(U)의 가지가 있다. N 와 N 는 어떤 점이 다를까? 수소 결합 O O OH P 그림Ⅱ- 13 N 와 N 의 구조 C G C T A G T A A T T A C T C T G T A C A T G T A A T A A T C T A N 는 이중 나선 구조이고, G G A U U G G C C G G U U G G A A U U U U A A A A U U G G A A N 는 단일 가닥이다. 친구와 묻고 답하기 1. 탄수화물에는 어떤 종류가 있는지 이야기해 보자. 2. 중성 지방, 인지질, 스테로이드가 어떻게 다른지 이야기해 보자. 3. 단백질과 핵산의 중요한 특성과 역할을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 34 Ⅱ. 세포의 특성 RNA A P T A ... ... G T C A O ... ... G G A G O OH O A G A C T P O G A O P GC C RNA T A C P P C ... ... ... DNA T A C P O ... O ... ... ... ... ... CG T P P ... ... ... O P O G G A O P O P P DNA A P AT ... ... OH T ... O ... O P 수소 결합 O N 에 저장된 유 전 정보를 리보솜에 전달하여 단백질 합성 과정에 관여한다. OH P N 는 유전 정보가 발현될 때 교과서 31쪽~32쪽 교과서 33쪽 교과서 32쪽~34쪽 3 학습 목표 원핵세포와 진핵세포 • 원핵세포와 진핵세포의 차이점을 비교할 수 있다. 항생제의 발견은 감염으로 죽어가는 많은 생명을 구할 수 있는 계기가 되었다. 이는 항 생제가 세균은 죽이지만 사람의 세포에는 영향이 미치지 않기 때문에 가능한 일이다. 세 균과 사람의 세포는 어떤 차이가 있기에 항생제는 세균만 죽이는 것일까? 세포는 크게 세균과 같은 원핵세포와 동식물 세포와 같은 진핵세포로 구분할 수 있다. 다음 활동에서 원핵세포와 진핵세포가 어떻게 다른지 알아보자. 탐구 활동 핵심 용어 원핵세포 플라스미드 진핵세포 펩티도글리칸 조사•발표 세균과 동식물 세포의 차이점 알아보기 과학적 사고력 세균과 양파 세포 및 구강 상피 세포의 차이점을 조사하여 발표해 보자. 과학적 의사소통 능력 •인터넷 등을 활용하여 검색해 본다. 과정 1. 인터넷, 관련 도서 등을 이용하여 세균과 양파 세포 및 구강 상피 세포의 구조적 특징을 조 사한다. 2. 조사한 내용에서 세균 등의 원핵세포와 양파 세포 및 구강 세포와 같은 진핵세포의 특징 을 알아보자. 검색 세균, 상피 세포 유의점 • 자료를 조사할 때에는 신뢰성 있는 정보원을 이용한다. 결과 및 정리하기 ❶ 다음 표에 세균과 양파 세포 및 구강 상피 세포의 차이점을 정리하여 작성해 보자. 세균 양파 세포 구강 상피 세포 ❷ 사고력 키우기 원핵세포와 진핵세포를 구분하는 중요한 특징이 무엇인지 설명해 보자. 스스로 평가하기 조사 및 발표 활동에 적극적으로 활동하였는가? 원핵세포와 진핵세포의 특징을 설명할 수 있는가? 3. 원핵세포와 진핵세포 35 세균처럼 핵과 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 없는 세포를 원핵세포라고 하고, 동식 세균과 식물 세포의 세포벽 구성 물질 세균의 세포벽은 펩티도글리칸으로 되어 물 세포처럼 핵과 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 있는 세포를 진핵세포라고 한다. 있고 식물 세포의 세포벽은 셀룰로스로 되어 있다. 원핵세포의 특징 원핵세포는 진핵세포에 비해 단순하며, 크기는 진핵세포에 비해 작다. 원핵세포는 핵 N 는 원형의 염색체를 이루며 세포질 부위에 있다. 핵이 막으로 둘러싸인 핵이 없고, 없기 때문에 유전 정보의 발현이 모두 세포질에서 일어난다. 대부분의 원핵세포는 세포막 바깥쪽에 세포벽을 가진다. 세포벽은 세포를 지탱하고 세 펩티도글리칸 포의 모양을 결정한다. 원핵세포의 일종인 세균의 세포벽은 대부분 다당류와 펩타이드 다당류와 펩타이드가 결합한 물질이다. 펩 티도글리칸은 세포의 모양을 유지하며 급 가 결합한 펩티도글리칸 성분을 갖고 있다. 원핵세포의 세포벽 바깥에는 피막이 있어 건 격한 삼투압의 변화로 세포가 변형되거나 파괴되는 것을 막는다. 조해지는 것을 막고 숙주의 면역계로부터 자신을 보호한다. 또한, 원핵세포는 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 없고 세포막에 부착된 접힌 내부 막 을 갖고 있다. 내부 막은 세포 분열이나 다양한 물질대사 반응에 관여한다. 원핵세포에 도 진핵세포와 마찬가지로 리보솜이 있는데 크기는 진핵세포의 리보솜보다 작다. 원핵 세포 중 일부는 편모를 이용하여 이동하는 것이 있다. 세포질 리보솜 피막 DNA 플라스미드 피막 세포벽 편모 5μ 세포막 원핵세포 그림Ⅱ- 14 원핵세포의 구조 진핵세포의 특징 진핵세포에는 유전 물질인 N 가 들어 있는 핵이 있다. 핵은 막으로 둘러싸여 있는 데, 이러한 핵막은 원핵세포와 구분되는 중요한 특징이다. 세포질에는 미토콘드리아, 소 포체, 골지체, 리소좀과 같이 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 있고 원핵세포보다 구조가 훨씬 복잡하다. 세포 소기관을 둘러싸고 있는 막에는 여러 가지 효소가 존재하며 생물체 내의 물질대사에 관여한다. 36 Ⅱ. 세포의 특성 대표적 진핵세포인 동물 세포와 식물 세포의 소기관은 대부분 같은데, 식물 세포에는 세포벽, 액포, 엽록체가 있지만, 동물 세포에는 이들 세포 소기관이 없다. 거친면 소포체 핵 매끈면 소포체 핵막 핵질 리보솜 리소좀 골지체 동물 세포 3 중심체 미토콘드리아 세포막 거친면 소포체 핵 매끈면 소포체 그림Ⅱ- 15 동물 세포의 구조 리보솜 세포벽 골지체 액포 엽록체 액포 미토콘드리아 5μ 세포벽 식물 세포 친구와 묻고 답하기 세포막 그림Ⅱ- 16 식물 세포의 구조 1. 원핵세포와 진핵세포는 어떻게 다른지 N , 세포벽, 세포 소기관을 중심으로 이야기 해 보자. 2. 동물 세포와 식물 세포의 다른 점을 이야기해 보자. 교과서 36쪽~37쪽 교과서 36쪽~37쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 3. 원핵세포와 진핵세포 37 4 학습 목표 세포 소기관의 구조와 기능 • 세포 소기관들이 기능적으로 유기적인 관계를 이루고 있음을 이해하고 이들 간의 관계를 설명할 수 있다. 17세기 후반에 훅이 최초로 현미경을 사용하여 세포를 관찰한 이후 20세기 초반의 전 자 현미경의 발명은 세포 소기관의 구조와 기능에 대한 많은 정보를 우리에게 제공하는 계기가 되었다. 동식물 세포에서 발견되는 세포 소기관의 구조와 기능은 무엇일까? 핵심 용어 핵 골지체 액포 편모 리보솜 소포체 미토콘드리아 세포 골격 중심립 섬모 세포벽 탐구 활동 진핵세포의 세포 소기관의 구조와 기능은 세포 연구 방법이 발전함에 따라 구체적으로 알려지게 되었다. 다음 활동에서 여러 가지 세포 연구 방법을 알아보자. 조사•발표 세포 연구 방법 조사 발표하기 과학적 사고력 과학적 참여와 평생 학습 모둠별로 세포의 구조와 기능을 밝히는 데 기여한 여러 가지 세포 연구 방법을 조사하여 발표해 보자. 과정 1. 다음의 여러 가지 세포 연구 방법 중 하나를 정하여 조사한다. 방사성 동위 원소인 H로 표지하여 관찰한 N H로 표지된 타이민 이 핵에 집중되어 있음을 볼 수 있다. 이를 통해 핵이 N 합성 장소임을 알 수 있다. 연구 방법 •광학 현미경 •전자 현미경 •세포 분획법 •자기 방사법 •염색법 2. 모둠별로 연구 방법을 정한 후, 모둠원의 역할을 정한다. 예시 •자료 조사 및 정리 •인쇄물 제작 •발표물 제작 3. 조사 결과를 인쇄물로 만들어 배부한다. 4. 조사 결과를 발표한다. 결과 및 정리하기 ❶ 각 연구 방법에 대한 발표 내용을 정리해 보자. ❷ 각 연구 방법의 장점과 단점을 말해 보자. ❸ 각 세포 소기관의 구조와 기능을 알아보는 데 알맞은 세포 연구 방법을 말해 보자. ❹ 사고력 키우기 다양한 세포 연구 방법이 생명 과학 발달에 미친 영향을 말해 보자. 스스로 평가하기 38 Ⅱ. 세포의 특성 자신이 맡은 역할을 충실하게 수행하였는가? 각각의 세포 연구 방법을 정확하게 설명할 수 있는가? 진핵세포에 있는 여러 가지 세포 소기관들은 에너지 대사, 물질의 합성과 분해 및 수 송, 세포 모양의 지지 등의 역할을 하며 서로 유기적인 관계를 이룬다. 물질의 합성과 분해 및 수송 핵 핵은 세포의 중심부에 위치하며, 유전 정보를 저장하는 N 가 들어 있다. 핵은 세포의 생명 활동에서 중심적인 역할을 수행하는 세포 소기관이다. 핵은 이중막인 핵막 에 의해 세포질과 분리되고, 외막은 소포체와 연결되어 있다. 또한, 핵공을 통해 단백질 과 N 와 같은 물질이 출입할 수 있다. 외막 내막 핵막 핵공 염색사 인 그림Ⅱ- 17 핵의 구조 핵 속의 N 는 단백질과 결합한 염색사의 형태로 풀어져 있다가 세포가 분열할 때 응축하여 염색체를 형성한다. 핵 속에 1개 혹은 개~3개 들어 있는 인은 성되는 곳이다. N 가합 N 는 세포질로부터 들어온 단백질과 합쳐져서 리보솜 대단위체와 소단위체로 되며, 이들 단위체는 핵공을 통해 세포질로 빠져 나간 후 최종적으로 리보솜 N 이다. 리보솜 리보솜은 N 와 단백질의 복합체이며, N 의 정보를 읽어 단백질을 합성하 는 장소이다. 으로 결합된다. 리보솜 N 리보솜을 구성하고 있는 리보솜은 대단위체와 소단위체로 이루어져 있으며 막으로 둘러싸여 있지 않 다. 리보솜은 거친면 소포체에 붙어 있거나 세포질에 흩어져 있으며, N 의 유전 정 보에 따라 단백질을 합성한다. 따라서 리보솜은 이자 세포와 같이 단백질 합성이 활발한 세포에서 많이 볼 수 있다. 리보솜 0.25 m 거친면 소포체 소포체 리보솜 대단위체 소단위체 그림Ⅱ- 18 리보솜의 구조 그림Ⅱ- 19 리보솜의 분자 모형 리보솜 모식도 4. 세포 소기관의 구조와 기능 39 소포체 소포체는 세포 내에서 가장 큰 내막 구조로 이루어져 있다. 단일막 으로 된 납작한 주머니와 관이 복잡하게 연결된 형태이며, 막의 일부는 핵막 과 연결되어 있다. 소포체에는 리보솜이 많이 붙어 있어 표면이 울퉁불퉁해 보이는 거친면 소포체와 리보솜이 붙어 있지 않은 매끈면 소포체가 있다. 거친면 소포체는 리보솜에서 합성한 단백질을 가공하여 운반 소낭에 담아 골지체로 운반하는 과정에 관여하고, 매끈면 소포체는 인지질, 스테로이드와 그림Ⅱ- 20 거친면 소포체 5 같은 지질 합성에 관여한다. 골지체 골지체는 단일막으로 된 납작한 주머니 모양의 시스터나가 여러 개 포개져 있는 형태의 세포 소기관이다. 소포체와 달리 내강은 서로 연결되 어 있지 않다. 골지체는 생산, 저장, 분류 및 분비에 관여하는데, 분비가 왕성 한 세포에서 특히 많이 관찰된다. 소포체와 골지체는 내막계로서 함께 작용한다. 소포체 표면의 리보솜에서 만들어져 소포체 안으로 들어온 새로운 단백질은 운반 소낭에 담겨져서 소포 그림Ⅱ- 21 매끈면 소포체 5 체로부터 골지체로 이동한다. 거친면 소포체 단백질 핵막 운반 소낭 핵 리보솜 지질 운반 소낭 매끈면 소포체 그림Ⅱ- 24 세포에서 합성된 단백질의 운반과 분비 거친면 소포체에 붙어 있는 리보솜에서 합성된 단백질은 소포체에서 운반 소낭에 담겨 골지체로 운반되고 골지 체에서 단백질을 모아서 저장, 변형시킨 후 분비 소낭에 담아 세포 밖으로 분비한다. 또한, 골지체에서 생성된 리소좀은 세포내 소화에 관여한다. 40 Ⅱ. 세포의 특성 골지체는 소포체에서 운반되어 온 단백질을 모아서 저장하고 변형시킨 후 분류하여 분 비 소낭에 담는다. 최종적으로 골지체의 시스터나에서 떨어져 나온 소낭들 중 일부는 세 포막으로 이동하여 소낭 속에 든 물질을 세포 밖으로 분비하고 나머지는 세포의 다른 부 위로 소낭 속에 든 물질을 운반한다. 리소좀 리소좀은 작은 주머니 모양의 세포 소기관으로 골지체로부터 생성된 단일막 으로 이루어져 있다. 리소좀에는 다당류, 지질, 단백질 등을 분해하는 가수 분해 효소가 들어 있어 세포내 소화를 담당한다. 리소좀은 수명을 다하거나 기능이 떨어진 세포 소기 그림Ⅱ- 22 골지체 3μ 관과 불필요한 유기물을 분해하고 소화시킨다. 백혈구의 식세포 작용이나 올챙이 꼬리가 없어지는 것 등도 리소좀의 작용에 의한 것이다. 액포 세포벽 식물 세포에는 단일막으로 싸인 주머니 모양의 액포가 있다. 액포에는 많은 양 액포 의 물과 단당류, 무기 이온, 노폐물, 색소와 같은 물질이 들어 있다. 액포는 세포의 삼투 압을 조절하고 형태를 유지하며, 양분과 노폐물을 저장하는 역할을 한다. 액포는 세포가 생장함에 따라 점점 커져 성숙한 식물 세포에서는 세포의 대부분을 차지한다. 특별히 식 물 세포에 있는 액포를 다른 소낭과 구분하기 위해 중심 액포라고도 한다. ( ) 그림Ⅱ- 23 식물 세포 속의 액포 리보솜과 리소좀은 각각 어떤 역할을 할까? 4. 세포 소기관의 구조와 기능 41 엽록체 엽록체는 광합성이 일어나는 장소로 광합성을 하는 모든 식물과 조류에서 관 찰할 수 있는 세포 소기관이다. 엽록체는 이중막으로 둘러싸여 있고 미토콘드리아에 비 해 크기가 크며 구조가 복잡하다. 엽록체의 내막 안에는 틸라코이드라고 하는 동전 모양 의 소낭이 들어 있는데, 틸라코이드는 층층이 쌓여 그라나를 이룬다. 틸라코이드 막에는 광합성 색소와 여러 가지 막단백질이 존재한다. 틸라코이드와 내막 사이의 기질을 스트로 마라고 하며, 스트로마에는 포도당을 합성하는 데 필요한 많은 효소가 있다. 또한, 와 리보솜이 있어 스스로 복제하고 증식할 수 있다. ဘൡ ૯ೡ୾ 식물체 안의 미토콘드리아 ኍೡᇬၦ౵ ༺ቼചൠ ஏൡ 광합성 COª HªO ဘൡ ஏൡ 세포 호흡 Oª 포도당 ๡ ሙ൘༺ረ ૺჲ 그라나가 보이는 엽록체 미토콘드리아 3 미토콘드리아는 유기물을 분해 하여 세포가 사용할 수 있는 에너지 저장 분자인 를 생산하는 세포 소기관이다. 미토콘드리 )<8 8 아도 엽록체와 마찬가지로 이중막으로 둘러싸여 있다. 내막은 안쪽으로 주름진 모양으로 되어 있 는데, 이를 크리스타라고 한다. 내막으로 둘러싸인 안쪽 공간을 미토콘드리아 기질이라고 하며, 미토콘드리아의 내막과 기질에 그림Ⅱ- 25 엽록체와 미토콘드리아의 구조 는 세포 호흡에 관여하는 각종 효소가 있다. 미토콘드리아 기질에도 있어 엽록체와 마찬가지로 스스로 복제하고 증식할 수 있다. 42 Ⅱ. 세포의 특성 N 와 리보솜이 11 N 세포 모양 지지와 이동 세포 골격 세포 골격은 세포의 모양을 유지해 주고 세포 소기관의 위치를 고정해 주 며 소낭과 소기관의 이동과 세포 운동에 관여한다. 진핵세포에는 미세 섬유와 중간 섬유, 미세 소관이라는 3종류의 세포 골격이 분포한 액틴 근육의 근원 섬유를 구성하는 중요한 단백 다. 미세 섬유는 액틴 단백질로 이루어진 두 가닥이 꼬여서 만들어지며 가장 가늘고 유 질의 하나이다. 섬유상 구조를 가지며, 마 이오신과 결합하여 근육 수축을 일으킨다. 연하다. 세포막 바로 아래에 많이 분포하고 세포막의 지탱과 변형에 관여한다. 중간 섬 유는 지름이 미세 섬유와 미세 소관의 중간 정도이다. 이것은 세포질 전체에 그물처럼 퍼져 있어 세포의 형태를 유지하고 세포 소기관을 고정하는 역할을 한다. 미세 소관은 가장 큰 세포 골격 구성 요소로서 속이 비어 있는 관처럼 생겼으며, 튜불린 단백질로 이 루어져 있다. 세포막 케라틴 등 섬유 모양의 단백질로 구성되어 있으며, 세포 소기관을 고정한다. 소포체 중간 섬유 중심립, 방추사, 섬모, 편모 등의 구성 요소가 된다. 미세 소관 세포막의 지탱 및 변형에 관여한다. 미토콘드리아 미세 섬유 그림Ⅱ- 26 세포 골격 중심립과 중심체 중심립은 미세 소관으로 이루어진 구조이다. 중심립은 개가 핵 근 처에 쌍으로 존재하며 서로 직각으로 위치한다. 거의 대부분의 동물 세포에는 이들을 둘 러싸는 지역이 있는데, 이를 중심체라고 한다. 중심체는 세포가 분열할 때 복제된 후 둘 로 나뉘어 양극으로 이동하며 여기에서 방추사가 뻗어 나온다. 0.25 m 중심체 미세 소관 그림Ⅱ- 27 중심체 중심립 중심립 미세 소관 4. 세포 소기관의 구조와 기능 43 스스로 정리 하기 •편모와 섬모의 차이점과 공통점: 편모와 섬모 편모와 섬모는 세포의 운동 기관으로 미세 소관이 특이하게 배열된 구 조이다. 편모는 길이가 길고 수가 한 개 내지 수 개 정도이고, 섬모는 길이가 짧고 수가 많다. 사람의 정자에는 가늘고 긴 편모가 있으며, 정자는 세포 표면에 돌출되어 있는 편 모로 이동한다. 우리 몸의 기관지에는 섬모가 빽빽하게 있어 찌꺼기가 있는 점액 덩어리 를 밀어내듯이 폐의 바깥쪽으로 내보낸다. 1 미세 소관 세포벽 사이의 물질 이동은 어떻게 일어나는 걸까? 그림Ⅱ- 28 편모와 섬모 구조 편모와 섬모는 둘 다 미세 소관으로 이루어진 구조이다. 편모는 긴 꼬리를 이용 해 파도치듯이 이동하며, 섬모는 노 젓는 듯이 움직인다. 세포벽 전투과성 막 물과 같은 액체뿐만 아니라 그 속에 녹아 있는 물질들도 자유롭게 통과할 수 있는 막을 말한다. 세포벽의 경우 안쪽에 반투 과성인 세포막이 있어 물이나 녹아 있는 물질이 세포벽을 자유롭게 통과해도 세포 막에 의해 세포 내로 운송되는 물질이 선 별된다. 리그닌 셀룰로스와 함께 목재를 이루고 있는 성 분을 말한다. 식물의 세포벽은 셀룰로스가 주성분으로 세포막에 비해 두껍고 단단하다. 세 포를 보호하고 모양을 유지하여 식물체를 지지하는 역할을 한다. 세포벽은 물과 용질을 모두 통과하는 전투과성 막으로 물질 출입 조절 능력이 없다. 식물에서 처음 만들어지는 세포벽은 비교적 부드 럽고 유연하다. 세포가 성장하면서 1차 세포벽 안 차 세포벽 쪽에 차 세포벽이 형성되는데, 셀룰로스에 리그 차 세포벽 닌 등의 다른 물질이 첨가되어 1차 세포벽에 비해 두껍고 단단하게 된다. 차 세포벽은 이웃하는 세 포벽 사이에 팩틴이라는 물질이 분비되어 이웃해 있는 세포벽을 붙여 주는 역할을 한다. (×1,500) 그림Ⅱ- 29 세포벽의 구조 친구와 묻고 답하기 교과서 39쪽 1. 핵 속의 유전 정보는 어떤 형태로 존재하는지 이야기해 보자. 2. 소화 효소와 같은 단백질이 어떤 과정을 거쳐서 분비되는지 이야기해 보자. 교과서 39쪽~41쪽 교과서 43쪽 3. 세포의 모양을 유지하는 세포 골격에 대해 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 44 Ⅱ. 세포의 특성 읽기 자료 광학 현미경이 발명된 이후 1 세기에 이르러서야 세포가 발견되었다. 광 재미있는 과학 이야기 학 현미경은 관찰 시료를 통과한 빛을 대물렌즈와 접안렌즈라는 두 종류의 유리 렌즈 광 학 현 미 경 과 전 자 현 미 경 의 차 이 점 , 로 초점을 맞추어 사람 눈으로 관찰한다. 투과 전자 현미경( )은 시료를 통과한 전자선을 자기 렌즈로 초점을 맞추어 형광 스크린이나 사진 필름에 투영시킨다. 주사 전자 현미경( , )은 좁은 전자선을 얇은 금속 층을 덧입힌 시료의 표면에 주사한다. 이 때 금속에서 방출되는 차 전자를 탐지기가 수집하여 모니터에 영상을 만든다. 주사 전 자 현미경으로는 3차원 영상을 관찰할 수 있다. 사진은 백혈구를 광학 현미경과 , 으로 관찰한 것이다. 투과 전자 현미경의 확대 능력은 광학 현미경보다 매우 크다. 광학 현미경은 물체를 천 배까지 확대할 수 있으나 전자 현미경은 수십만 배까지 확대할 수 있고 최고 배율은 만 배에 달한다. 1 전자 현미경의 발명은 세포의 미세 구조는 물론 세포를 구성하는 분자 구조에 대한 연 구까지도 가능하게 해 주었다. 광학 현미경 투과 전자 현미경( ) 주사 전자 현미경( ) 눈 접안렌즈 전자총 집광렌즈 대물렌즈 표본 전자선 선 표본 집광렌즈 대물렌즈 주사용 코일 모니터 대물 렌즈 렌즈 집광렌즈 눈 표본 증폭기 가시광선 백혈구 광원 1 차 전자 광 백혈구 전자 검출기 3 백혈구 3 4. 세포 소기관의 구조와 기능 45 5 학습 목표 세포막을 통한 물질 출입 • 세포막을 통한 물질 출입 현상을 이해하고, 확산, 삼투, 능동 수송을 실험이나 모형을 통해 설명할 수 있다. 공항 검색대에서 사람들의 출입을 통제하는 것처럼 살아 있는 세포에서도 외부로부터 필요한 물질은 공급받고, 필요하지 않은 물질은 내보내는 선택적인 물질 출입이 일어난다. 이와 같이 선택적인 물질 출입이 일어나는 세포막의 구조는 어떻게 되어 있을까? 세포막의 구조 핵심 용어 세포막 능동 수송 세포내 섭취 확산 삼투 촉진 확산 세포외 배출 세포막은 생명 활동이 일어나는 세포질을 둘러싸고 있는 막으로, 세포의 형태를 유지 하고 세포와 세포 외부 환경 사이에서 산소와 양분을 받아들이거나 노폐물을 제거하는 등 물질의 출입을 조절한다. 세포막은 인지질 중층으로 되어 있다. 인지질의 한쪽 끝은 친수성을 띠는 인산기가 붙어 있고 다른 한쪽은 소수성을 띠는 지방산이 붙어 있다. 이러한 중층의 안쪽은 완전 한 소수성이기 때문에 수용성 분자는 인지질 중층을 통과하기 어렵다. 세포막의 또 다 막단백질 세포막의 인지질 중층의 곳곳에 박혀 있 는 단백질을 막단백질이라고 한다. 른 주성분은 단백질이다. 단백질은 인지질 중층을 관통하거나 붙어 있고 일부 단백질에 는 당 분자가 첨가되어 당단백질로 되어 있다. 세포막 구조는 인지질로 구성된 중층에 단백질이 모자이크 모양으로 분포하며 인지 질 층을 둥둥 떠다닌다는 유동 모자이크 모형으로 설명한다. 유동 모자이크 모형은 세포 막의 선택적 투과성을 설명하는 데 유용하다. 당단백질 그림Ⅱ- 30 세포막의 구조 당지질 말단 막단백질 내부 막단백질 세포내 세포 골격 46 Ⅱ. 세포의 특성 콜레스테롤 세포막을 통한 물질 출입 세포막을 통한 물질의 이동은 물질의 종류와 특성에 따라 선택적으 로 일어나는데 이러한 특성을 선택적 투과성이라고 한다. 세포막을 통 한 물질 출입이 어떻게 일어나는지 알아보자. 단순 확산 물이 담긴 비커에 잉크 방울을 떨어뜨리면 잉크가 퍼져 나가는 것처럼 농도 기울기에 따라 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 쪽으로 물질이 이동하는 것을 단순 확산이라고 한다. 산소, 이산화 탄 그림Ⅱ- 31 단순 확산 소, 일산화 탄소와 같이 크기가 작고 극성이 약한 물질은 확산하여 세 포막을 자유로이 통과한다. 촉진 확산 크기가 큰 분자나 수용성 분자는 세포막을 쉽게 통과하 지 못하므로 통로 단백질이나 운반체 단백질과 같은 수송 단백질을 통 해 이동한다. 이와 같이 막단백질을 통해 특정 분자나 이온이 확산되 는 것을 촉진 확산이라고 한다. 단순 확산과 촉진 확산은 농도 기울기 통로 단백질 에 따라 물질이 이동하므로 에너지가 필요하지 않다. 그림Ⅱ- 32 촉진 확산 삼투 물은 반투과성 막을 통과하지만 물에 녹아 있는 용질은 통과 하지 않는다. 그림 Ⅱ- 34와 같이 반투과성 막을 사이에 두고 농도가 다른 두 용액을 U자관의 양쪽에 넣으면 물 분자는 물의 농도가 높은 운반체 단백질 투 과 속 도 촉진 확산 단순 확산 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 되는데 이를 삼투라고 한다. 삼투는 농 도 차를 없애기 위한 물의 확산이라고 할 수 있다. 삼투가 일어날 때 반투과성 막은 농도가 낮은 용액 쪽에서 농도가 높은 용액 쪽으로 물 이 이동하려는 압력을 받는데, 이를 삼투압이라고 한다. 농도 차 그림Ⅱ- 33 단순 확산과 촉진 확산 촉진 확산의 예 뉴런의 흥분 전도 시 N 농도가 낮은 용액 N 이 유입되는 것과 농도가 높은 용액 통로가 열려 통로가 열려 이 방출되는 것이 촉진 확산의 예이다. 삼투압 삼투압은 용액의 농도가 높을수록, 온도가 높을수록 커진다. 물 분자 이동 P=CRT P: 삼투압(기압), C: 용액의 몰 농도 R: 기체 상수, T: 절대 온도 용질 입자 H™O 이것이 궁금해요 물 분자 반투과성 막 반투과성 막 삼투 용질과 물 분자가 무리를 형성 우리 몸에서 일어나는 단순 확산과 촉 진 확산의 예로 어떤 것이 있나요? 그림Ⅱ- 34 반투과성 막에서의 삼투 과정 5. 세포막을 통한 물질 출입 47 일반적으로 막을 경계로 하여 두 용액의 농도가 서로 다를 때 농도가 높은 쪽을 고장 액, 낮은 쪽을 저장액, 두 용액의 농도가 같으면 등장액이라고 한다. 동물 세포와 식물 세포를 각각의 용액에 담그면 동식물 세포의 구조 차이로 삼투 현상이 다르게 나타난다. 적혈구의 경우 저장액에서는 물이 적혈구 안으로 들어와 점점 팽창하다가 터지는 용혈 팽압, 팽윤 상태, 흡수력 •팽압: 세포 내부에서 세포벽으로 미는 힘에 의한 압력 •팽윤 상태: 팽압이 최대가 될 때의 상태 현상이 일어나고 고장액에서는 물이 빠져나가 세포가 쪼그라든다. 식물 세포는 저장액에 서는 세포가 팽창하나 세포벽이 있어 터지지 않고 최대로 팽윤하며, 고장액에서는 세포 •흡수력: 물을 흡수하는 힘 막과 세포벽이 분리되는 원형질 분리 현상이 나타난다. 등장액 속의속의 등장액 동물동물 세포세포 등장액 속의속의 등장액 식물식물 세포세포 고장액에 넣음넣음 고장액에 세포세포 안의안의 물이물이 빠져나와 빠져나와 세포가 세포가 쪼그라듦 쪼그라듦 저장액에 넣음넣음 저장액에 고장액에 넣음넣음 고장액에 H™OH™O H™OH™O 저장액에 넣음넣음 저장액에 H™OH™O H™OH™O 세포세포 안으로 안으로 물이물이 들어가 들어가 팽윤팽윤 상태가 됨 됨 상태가 세포세포 안으로 안의안의 물이물이 안으로 세포세포 물이물이 들어가서 빠져나와 들어가서 빠져나와 세포가 터지는 분리분리 세포가 터지는 원형질 원형질 용혈용혈 현상이 일어남 현상이 일어남 현상이 일어남 현상이 일어남 그림Ⅱ- 35 등장액, 고장액, 저장액에서의 동물 세포와 식물 세포의 변화 흡수력, 삼투압, 팽압의 관계 흡수력 삼투압 팽압 그림 Ⅱ- 36은 고장액에서 원형질 분리가 일어난 세포를 다시 저장액에 넣은 다음 세 포의 부피에 따라 삼투압과 팽압이 어떻게 변하는지를 나타낸 것이다. 식물 세포는 물이 흡수됨에 따라 삼투압은 점차 낮아지고 세포의 부피가 증가하다가 원형질 분리 한계점 을 지난 후 팽압의 크기가 점차 증가하여 식물 세포의 흡수력은 점차 작아진다. 이때 흡 수력은 삼투압과 팽압의 차이로 나타낼 수 있다. 삼투압이 높을수록 흡수력은 커지고 팽압이 높을수록 흡수력은 작아진다. 따라서 식물 세 포가 팽윤 상태에 도달하면 삼투압과 팽압의 크기가 같아져 흡수력은 이 된다. 10 ( 압 력 상 댓 값 ) 5 그림Ⅱ- 36 식물 세포에서의 삼투압과 팽압에 따른 흡수력의 변화 48 Ⅱ. 세포의 특성 0 삼투압 흡수력 원형질 분리 팽압 한계점 1.0 1.1 1.2 1.3 세포의 부피(상댓값) 다음 활동에서 식물 세포에서 나타나는 삼투 현상을 관찰해 보자. 조사•관찰 탐구 활동 양파 세포의 삼투 현상 관찰하기 과학적 사고력 양파 세포에서 나타나는 삼투 현상을 관찰하고 삼투 현상의 원리를 설명해 보자. 과학적 탐구 능력 준비물 양파 혹은 자색 양파, 증류수, N C 과정 (1 1. 자색 양파 비늘잎의 겉껍질을 벗겨서 개의 받침 유리 위에 놓고 하나에는 증류수, 다른 하나에는 1 ) 용액, 현미경, 덮개 유리, 받침 유리, 스포이트, 핀셋 N C 용액을 한 방울씩 떨어뜨리고 덮개 유리를 덮는다. 2. 현미경으로 저배율부터 고배율로 상을 찾고 초점을 맞추어 관찰하고 촬영한다. 3. 1 N C 용액을 떨어뜨린 받침 유리에 증류수를 세 방울 떨어뜨린 후 3분 뒤에 관찰 하고, 다시 증류수를 세 방울 떨어뜨린 후 관찰하여 그 결과를 촬영한다. 결과 및 정리하기 도움말 ❶ 증류수를 떨어뜨리고 관찰한 양파와 1 N C 용액을 떨어뜨리고 관찰한 양파는 어떤 차이 •휴대 전화로 촬영한다. 가 있는가? ❷ 과정 2와 3의 촬영 결과를 비교해 보고, 그렇게 변화한 이유를 설명해 보자. 스스로 평가하기 능동 수송 현미경 사용 방법을 잘 지켰는가? 양파 세포의 원형질 분리 현상을 충분히 설명할 수 있는가? 세포막을 경계로 에너지를 이용하여 물질의 농도가 낮은 곳에서 농도가 높 은 곳으로 물질을 이동시키는 방법을 능동 수송이라고 한다. 능동 수송을 통해 세포는 능동 수송의 예 N 펌프를 비롯하여 소장에서의 영 양소 흡수, 콩팥에서 일어나는 포도당, 아 에 저장된 에너지를 이용하여 생명을 유지하는 데 필 미노산 등의 재흡수, 해조류의 아이오딘 흡수 등이 있다. 요한 물질을 세포 안팎으로 이동시킬 수 있다. 능동 수송도 운반체 단백질을 통해 일어나 펌프이다. 며 대표적인 예로는 적혈구 세포막에 있는 N 세포 바깥쪽 (Na± 고농도) (K± 저농도) Na±‹K± 펌프 K± 인산 세포 안쪽 (Na± 저농도) Na± 세포 안쪽에 있던 N 이 운반체 단 백질과 결합한다. 그림Ⅱ- 37 N ATP ADP 운반체 단백질이 인산화되면서 구조 가 바뀌어 N 이 세포 밖으로 배출 된다. (K± 고농도) 세포 바깥쪽의 과 결합한다. 이 운반체 단백질 인산기가 떨어져 나가면서 운반체 단백질의 구조가 원래대로 바뀌어 이 세포 안쪽으로 들어온다. 펌프 5. 세포막을 통한 물질 출입 49 탐구 활동 자료 해석 능동 수송의 특성 알아보기 과학적 사고력 과학적 문제 해결력 조건이 다른 혈액 시료에서 적혈구와 혈장의 이온 농도 차이를 비교하여 능동 수송의 특 성을 설명해 보자. 다음은 혈액을 채취하여 3개의 시료로 나누어 혈액 는 혈액을 채취한 직후, 혈액 는 포도당을 공급하면서 3 ùC에서 1 시간 둔 후, 혈액 C는 포도당을 공급하지 않고 3 ùC에 서 1 시간 둔 후 적혈구와 혈장에 분포되어 있는 이온의 농도를 조사한 결과이다. 적혈구 구분 혈장 N N 혈액 1 155 1 5 혈액 9 131 1 11 혈액 C 3 1 1 33 (단위: 1 몰) 정리하기 스스로 평가하기 에서 적혈구와 혈장의 N 과 ❷ 혈액 , , C 간의 이온 농도 차이를 비교하여 능동 수송의 특성을 설명해 보자. 자료 조사를 적극적으로 수행하였는가? 식세포 작용(식균 작용)과 음세포 작용 식세포 작용은 세포가 고형의 물질을 세 포막으로 싸서 식포를 형성하여 잡아먹는 현상이다. 음세포 작용은 세포가 액체 물 질을 세포막으로 싸서 이를 세포 내로 받 아들이는 현상이다. 이것이 궁금해요 세포내 섭취와 세포외 배출도 에너지 가 필요한가요? ❶ 혈액 능동 수송의 특성을 구체적으로 설명할 수 있는가? 세포내 섭취와 세포외 배출 세포막을 통과할 수 없는 큰 물질이 이동할 때에는 세 포막 자체가 변형되는 방법으로 이동한다. 예를 들어 아메바나 백혈구가 먹이나 세균을 세포막으로 둘러싼 후 식포를 형성해 세포 안으로 이동하는 것이다. 이처럼 세포 밖의 물질을 둘러싼 후 세포 안으로 끌어들이는 물질 이동 방식을 세포내 섭취라고 한다. 또 한, 세포 내에서 만들어진 효소나 호르몬을 분비 소낭에 담아 세포막과 융합하는 방식으 로 세포 밖으로 내보내는데, 이러한 물질 이동 방식을 세포외 배출이라고 한다. 그림Ⅱ- 38 세포내 섭취와 세포외 배출 50 Ⅱ. 세포의 특성 의 농도 차이가 유지되는 이유를 설명해 보자. 식포, 소화 소포, 분비 소낭 등은 모두 인지질 중층으로 되어 있는 일종의 리포솜이 다. 다음 활동에서 리포솜이 우리 생활에 어떻게 활용되고 있는지 알아보자. 탐구 활동 조사•토의 리포솜의 활용 사례 조사하기 과학적 참여와 평생 학습 과학적 사고력 리포솜이 우리 생활에서 활용되는 다양한 사례를 조사하여 발표해 보자. 리포솜은 인지질을 물에 분산하면 형성되는 공 모양의 구조물로, 인지질 중층으로 이루 어져 있다. 리포솜은 동식물의 세포막과 매우 유사한 성분과 구조를 가지고 있어 생활 속에 서 다양하게 활용되고 있다. [자료 1] 리포솜은 내부의 빈 공간에 수용성 약물, 영양소, N 등을 담을 수 있고 인지질 중층 막 에 지용성 약물이나 영양소를 삽입할 수 있다. [자료 2] 면역계에 의한 파괴를 막기 위해 리포솜을 다당류 로 코팅하고 표적 세포인 암세포의 항체와 결합시켜 항암제 가 암세포에만 선택적으로 작용하도록 한다. 항체 다당류 수용성 약물 또는 영양소 약물 (항암제) 지용성 약물 또는 영양소 결과 및 정리하기 ❶ [자료 1]과 [자료 2]의 리포솜의 활용 원리를 설명해 보자. ❷ [자료 1]과 [자료 2]와 같은 방법으로 실생활에 사용되는 다른 예를 조사해 보자. ❸ 사고력 키우기 우리 생활 속에서 리포솜을 어떻게 활용할 수 있을지 토의해 보자. 스스로 평가하기 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 리포솜을 이용하여 물질을 운반하는 원리를 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 삼투 현상이란 무엇인지 식물 세포를 예를 들어 이야기해 보자. 2. 능동 수송의 특징은 무엇인지 설명하고 사례를 들어 보자. 3. 우리 생활에 도움을 주는 리포솜의 활용 사례를 이야기해 보자. 교과서 47쪽~48쪽 교과서 49쪽 교과서 51쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 5. 세포막을 통한 물질 출입 51 6 학습 목표 효소 • 효소의 작용을 활성화 에너지와 기질의 특이성을 중심으로 설명할 수 있다. • 온도와 H가 효소 작용에 영향을 미칠 수 있음을 실험을 통해 설명할 수 있다. 소고기를 부드럽게 하여 먹기 좋게 하려면 배즙이나 키위즙에 재어 놓는다. 이는 배즙이 나 키위즙 속의 단백질 분해 효소가 소고기의 단백질을 알맞게 분해하여 부드럽게 만들 어 주기 때문이다. 세포 내에 존재하는 단백질 분해 효소를 비롯한 다양한 효소는 세포 내 화학 반응에서 어떤 역할을 하는 것일까? 효소의 기능 핵심 용어 효소 활성화 에너지 활성 부위 보조 인자 촉매 기질 특이성 전효소 저해제 화학 반응이 일어나도록 하는 데 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 한다. 활성화 에너지가 높을 경우 반응물이 있다 하더라도 쉽게 반응이 일어나지 않으므로 화 학 반응이 쉽게 일어날 수 있도록 촉매를 넣어 준다. 촉매는 화학 반응이 일어날 때 활성 화 에너지를 낮추어 반응이 빠르게 일어나게 하는 역할을 한다. 활성화 에너지는 반응이 촉매 화학 반응의 속도를 빨리하는 물질로서, 반응이 일어나는 동안 소모되지 않고 다 일어나기 위해 넘어야 할 에너지 장벽과 같으며, 장벽이 높으면 반응이 쉽게 일어나지 않고 장벽이 낮으면 반응이 쉽게 일어난다. 세포 내에서는 효소가 활성화 에너지를 낮추 시 사용된다. 어 반응이 빠르게 일어나게 하는 촉매 역할을 한다. 포도당+포도당 엿당 활성화 에너지 효소가 없을 때 반응열 효소는 어떻게 활성화 에너지를 낮출까? 효소 효소가 있을 때 엿당 포도당+포도당 활성화 에너지 반응열 그림Ⅱ- 39 효소의 역할 효소는 활성화 에너지를 낮추어 반응이 빨리 일어나게 한다. 말테이스는 활성화 에너지를 낮추어 엿당을 쉽게 포도당과 포도당으로 분해한다. 52 Ⅱ. 세포의 특성 효소의 기질 특이성 효소가 작용하는 특정 반응 물질을 기질이라고 하는데, 효소는 기질과 결합하여 효 소 · 기질 복합체를 형성함으로써 활성화 에너지를 낮추는 촉매 작용을 한다. 이때 기질 이 결합하는 효소의 특정 부분을 활성 부위라고 한다. 활성 부위에 기질이 결합하고 있는 동안 기질은 생성물로 변하게 된다. 즉, 화학 반응이 일어날 때 효소는 효소 · 기질 복합체를 형성하여 생성물을 만들어 낸 후 생성물과 분리된다. 생성물과 분리된 효소는 다시 새로운 기질과 결합할 수 있는 상 태가 된다. 이처럼 효소는 촉매 작용을 한 다음 회복되어 다시 반복적으로 사용되므로 효소 1개가 수천 내지 수백만 개의 기질에 작용할 수 있다. 한편, 효소는 효소 · 기질 복 합체를 형성할 때 활성 부위와 입체 구조가 들어맞는 특정 기질하고만 결합하는 특이성 이 있는데, 이를 효소의 기질 특이성이라고 한다. 효소의 기질 특이성은 효소의 주성분인 단백질이 독특한 입체 구조를 지니고 있어 효 효소의 기질 특이성 수크레이스는 설탕에만, 아밀레이스는 녹 말에만, 라이페이스는 지방에만 작용한다. 소의 활성 부위와 구조가 일치하는 기질하고만 결합할 수 있어서 나타난다. 예를 들어 그림 Ⅱ- 4 에서 수크레이스는 기질인 설탕을 포도당과 과당으로 분해할 수 있지만 엿당 을 분해하지는 못한다. 그림Ⅱ- 40 효소의 작용과 기질 특이성 효소는 효소·기질 복합체를 형성하여 활성화 에너지를 낮추어 주고, 생성물을 만들어 낸 효소는 다시 새로운 기질과 결합할 수 있다. 그러나 엿당은 효소·기질 복합체를 형성하지 않는다. 6. 효소 53 비타민 대부분의 비타민이 조효소 또는 조효소의 효소의 구성과 종류 효소는 종류에 따라 아밀레이스나 펩신과 같이 단백질로만 구성된 것도 있지만 대부분 전구 물질로 작용한다. 의 효소는 단백질 이외에 비단백질 부분인 보조 인자를 가지고 있다. 이때 효소의 단백 질 부분을 주효소라고 하고 비단백질 부분을 보조 인자라고 하며, 주효소와 보조 인자를 합하여 전효소라고 한다. 보조 인자에는 이온 형태의 금속 원소인 아연, 철, 구리, 마그네슘 등의 무기물이나 비 스스로 정리 하기 타민과 같은 유기물이 있다. 보조 인자가 유기물인 경우를 조효소라고 하며, 대부분의 •효소의 구성: 비타민은 조효소로 작용한다. 생물체 내에서 일어나는 물질대사의 종류가 다양한 만큼 이에 관여하는 효소의 종류도 매우 다양하다. 효소는 촉매하는 화학 반응의 종류에 따라 다음 표 Ⅱ- 1과 같이 가지로 분류한다. 표Ⅱ- 1 효소의 종류 구분 기능 H나 O의 원자 또는 전자를 다른 분자에 이동시킨다. 산화 환원 효소 X H™ + Y X Y H™ 단 는 작용기 OH + Y H + 특정한 기질의 작용기를 떼어 내어 다른 기질로 옮긴다. 전이 효소 물 분자를 첨가하여 기질을 분해한다. 가수 분해 효소 부가 제거 효소 X Y + H™O X 가수 분해나 산화에 의하지 않고 기질에서 어떤 원자단을 떼어 내거나 기질 분자에 어떤 원자 단을 붙여 준다. X X + Y Y 기질 내의 원자 배열을 바꾸어 이성질체로 전환시킨다. 이성질화 효소 X Y 가 산화할 때 발생하는 에너지를 이용하여 개의 기질 분자를 연결한다. 연결 효소 54 Ⅱ. 세포의 특성 ATP ADP ATP ADP X X + Y Y 유용 미생물( )을 하수구에 뿌리면 하수구 냄새가 사라지고, 세탁할 때 사용하면 옷에 묻은 얼룩이 없어진다. 다음 활동에서 효소의 다양한 활용 사례를 조사해 보자. 탐구 활동 조사•발표 생활 속 효소 활용 사례 조사하기 과학적 사고력 과학적 참여와 평생 학습 효소가 우리 생활의 다양한 분야에서 어떻게 활용되고 있는지 조사하여 발표해 보자. 과정 1. 모둠별로 자신이 알고 있는 효소의 활용 사례를 이야기한다. 2. 이야기를 나누면서 효소의 활용 사례 중 비슷한 분야끼리 분류한다. 유의점 • 사례를 발표할 때 지식 전달보다는 효소의 기능에 대해 흥미와 호기심을 가질 수 있도록 한다. 3. 일상생활뿐만 아니라 산업 분야, 의학 분야 등 각 분야에서 활용되는 흥미로운 다양한 사례를 조사한다. 4. 인터넷이나 관련 서적을 통해 다양한 사례를 조사한다. 환경센터 결과 및 정리하기 http://www.emcenter.or.kr ❶ 모둠별로 효소의 활용 사례에 대한 조사 내용을 정리해 보자. 모둠명 ( ) 모둠 유용 미생물( ) 사용법 및 효능 등에 관련된 다양한 정보를 알아볼 수 있다. 일상생활 산업 분야 검색 친환경 세제, 발효 식품 분야별 효소의 활용 사례 의학 분야 기타 스스로 평가하기 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 다양한 분야별 효소의 활용 사례를 설명할 수 있는가? 6. 효소 55 효소의 작용에 영향을 미치는 요인 단백질로 이루어진 효소는 입체 구조가 온도와 H의 영향을 받아 변하기 때문에 효소 의 작용은 온도, H의 영향을 받는다. 또한, 효소의 작용은 저해제의 영향을 받는데 저 해제에는 경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제가 있다. 경쟁적 저해제는 기질과 비슷한 모양 으로 활성 부위를 기질과 서로 경쟁적으로 결합하는 방식으로, 비경쟁적 저해제는 활성 부 위 이외에 다른 부분에 결합해서 활성 부위의 모양을 변화시키는 방식으로 효소의 활성을 저해한다. 다음 활동에서 효소의 활성이 온도와 H에 따라 어떻게 달라지는지 알아보자. 탐구 활동 실험 효소의 작용에 영향을 미치는 요인 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 온도와 H가 감자에 들어 있는 카탈레이스의 활성에 미치는 영향을 알아보자. 준비물 감자, 코르크 보러, 과산화 수소 용액, 과정 도구 안전 핀셋, 유성 펜, 얼음, 면도칼, 페트리 접 [효소의 활성에 대한 온도의 영향] 시, 5 1. 코르크 보러를 이용하여 얻은 감자 막대를 면도칼로 비커, 5 비커, 시험 관대, 항온 수조, N OH 용액, HC 두께가 되도록 얇게 잘라 감 자 절편을 만든다. 용액, 비닐 장갑(라텍스 장갑) 2. 과산화 수소 용액을 5 배로 희석하여 1 를 만든다. 3. 희석한 과산화 수소 용액을 3 씩 5개의 비커에 넣은 후 ùC, ùC, 35 ùC, 5 ùC, ùC 항온 수조에서 1 분간 유지한다. 4. 과정 1에서 준비한 감자 절편을 각각의 비커에 1개씩 넣어 준 후, 감자 절편이 떠오를 때까지 걸리는 시간을 측정한다. 1 검색 효모, H 농도 유의점 • 면도칼을 사용할 때에는 손이 베이지 않도록 조심한다. • 감자 절편이 동일한 질량이 되도록 한다. • 염산이 손에 묻었을 경우에는 바로 흐르는 물에 씻어 낸다. 2 감자 절편 과산화 수소 용액 ùC ùC 35 ùC 5 ùC ùC 5. 과정 4에서 감자 절편이 떠오를 때까지 걸리는 시간을 3회 반복 측정하여 평균값을 구한다. 56 Ⅱ. 세포의 특성 [효소의 활성에 대한 H의 영향] 1. 5개의 5 의 비커에 희석된 용액 3 씩 넣는다. 2. 염산과 수산화 나트륨 용액을 이용하여 비커의 H가 , , , 1 , 1 가 되도록 한다. H H H H1 H1 3. 앞의 실험에서 준비한 감자 절편을 각각의 비커에 넣은 후, 감자 절편이 떠오를 때까지의 시간을 측정한다. 4. 과정 3에서 감자 절편이 떠오를 때까지의 시간을 3회 측정하여 평균값을 구한다. 결과 및 정리하기 ❶ 실험 결과를 표에 정리해 보자. 구분 ùC ùC 35 ùC 5 ùC ùC 구분 1회 1회 회 회 3회 3회 평균값 평균값 H H H ❷ 온도와 H를 x축으로 하고, 감자 절편이 떠오르는 시간의 역수 값을 y축으로 하여 그래프에 그려 보자. ❸ 감자 속 카탈레이스가 가장 활발하게 작용할 때의 온도는 얼마인가? ❹ 효소의 작용은 온도와 어떤 관계가 있는지 설명해 보자. H1 H1 도움말 •감자 속 카탈레이스는 과산화 수소 용액 을 분해하며, 물이 생성되고 산소가 발생 되게 한다. HªOª → HªO Oª ❺ 사고력 키우기 이 실험에서 보완할 점을 생각해 보고 어떻게 개선하면 좋을지 토의해 보자. 스스로 평가하기 실험 시 유의점을 잘 지켰는가? 온도와 H에 따라 효소의 활성도가 달라지는 이유를 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 효소는 세포 내 화학 반응에서 어떤 역할을 하는지 이야기해 보자. 2. 효소의 기질 특이성을 사례를 들어 이야기해 보자. 3. 온도와 H가 효소의 작용에 어떻게 영향을 미치는지 이야기해 보자. 교과서 52쪽 교과서 53쪽 교과서 56쪽~57쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 6. 효소 57 대단원 마무리 ● 동물체의 구성 단계는 ‘세포 → 조직 → ❶ →❷ → 개체’이다. ● 식물체의 구성 단계는 ‘세포 → 조직 → ❸ →❹ → 개체’이다. 세포를 구성하는 탄소 화합물 ● 단백질의 기본 단위는 ❺ ● 핵산은 당, 인산, 염기로 이루어진 ❼ 원핵세포와 진핵세포 ● ❽ ● 원핵세포의 세포벽은 ❾ ● ❿ ● 소포체는 물질 이동의 통로로 리보솜이 붙어 있는 효소 가 기본 단위이다. 는 막으로 둘러싸인 핵이 없고 N 가 세포질에 퍼져 있다. 로 이루어져 있다. 에는 유전 정보가 들어 있어 세포의 생명 활동을 조절한다. 소포체와 리보솜이 붙어 있지 않은 매끈면 소포체 가 있다. ● 인지질 중층을 직접 통과하여 확산하는 방식을 ● 능동 수송은 물질이 ● 한 종류의 효소가 특정 기질과만 결합하는 것을 ● 효소의 작용은 이라고 한다. 를 소모하면서 물질을 운반하는 방식이다. 이라고 한다. 와 H의 영향을 받는다. 온도 거친면 어 ❶ 기관 ❷ 기관계 ❸ 조직계 ❹ 기관 ❺ 아미노산 ❻ 인지질 ❼ 뉴클레오타이드 ❽ 원핵세포 ❾ 셀룰로스 ❿ 핵 용 기질 특이성 세포막을 통한 물질 출입 , 스테로이드가 있다. (열) 세포 소기관의 구조와 기능 이고, 지질은 크게 중성 지방과 ❻ 단순 확산 생명체의 유기적구성 정답 단 원 한 눈 에 보 기 Ⅱ. 세포의 특성 찾 기 58 Ⅱ. 세포의 특성 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 식물의 유기적 구성 단계 중 조직이 모여서 이루어진 단계이다. 조 분 핵 막 중 간 사 과 직 원 형 질 분 리 현 상 계 핵 리 아 미 노 산 펩 4. 진핵세포와는 달리 세포 내부에 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 없는 세포이다. 막 세 인 보 미 토 섬 티 5. 원핵세포의 세포벽 성분으로 아미노산이 함유된 다당류이다. 액 포 능 지 솜 콘 모 도 6. 식물 세포에만 있는 세포 소기관으로, 식물의 형태 유지, 세포의 삼투압 조절, 양분 과 노폐물을 저장한다. 특 이 성 동 질 드 엽 글 7. 광합성이 일어나는 세포 소기관으로 중막으로 둘러싸여 있다. 기 술 효 기 수 라 록 리 8. 에너지를 이용하여 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 물질을 이동시키는 방법이다. 석 자 소 모 편 송 체 칸 2. 단백질의 기본 단위로, 이들이 펩타이드 결합을 통해 폴리펩타이드 사슬을 이룬다. 3. 세포막의 주성분으로 친수성 머리와 소수성 꼬리로 이루어져 있다, 9. 등장액 속의 식물 세포를 고장액에 넣었을 때 나타나는 현상이다. 10. 단백질로 이루어져 있으며, 활성화 에너지를 낮추어 반응이 빠르게 일어나게 한다. 개념 확인하기 개념 응용하기 1 그림은 생물체의 유기적 구성을 나타낸 것이다. ※ 그림은 세포막을 통해 물질이 이동하는 여러 가지 방법을 모식 적으로 나타낸 것이다. 물음에 답하시오. (4~5) (세포 밖) C B A 세포 조직 기관 기관계 개체 D C의 빈칸에 들어갈 알맞은 말을 쓰시오. •다세포 생물은 형태와 기능이 비슷한 세포가 모여 하나의 유기적인 ( )를 이룬다. •식물은 조직이 모여 ( (세포 안) 4 다음 중 로 고른 것은? )를 이루고 동물은 연관 기능을 하는 기관이 모여 ( C )를 이룬다. ① 있는 대로 고른 것은? 유전 정보를 갖고 있음 ㄴ. 리보솜 단백질 합성 장소 ㄷ. 소포체 물질 이동 통로 ㄹ. 골지체 색소, 노폐물, 유기산의 저장 ② ㄱ, ㄴ, ㄹ ④ ㄴ, ㄷ, ㄹ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ ② ,C ⑤ ③ C, , , C, 5 다음 중 운반체 단백질을 필요로 하는 물질 이동 방법을 있는 대 로 고른 것은? ① ① ㄱ, ㄴ, ㄷ , ④ , C, 2 다음 중 세포 소기관과 그 기능을 옳게 연결한 것을 <보기>에서 보기 ㄱ. 핵 에너지를 필요로 하는 물질 이동 방법을 있는 대 , ② ,C ④ , C, ⑤ , , C, ③ C, 6 그림은 세포막의 구조를 나타낸 것이다. ③ ㄱ, ㄷ, ㄹ 인지질 이중층 중층 단백질 3 다음 중 생명체를 구성하는 물질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? ① 단백질은 효소와 호르몬의 성분이다. ② 스테로이드는 성호르몬의 구성 성분이다. 보기 ㄱ. 인지질의 친수성 머리는 물과 접한다. ㄴ. 모든 단백질은 인지질 표면에 붙어 있다. ③ 셀룰로스는 단당류가 결합된 긴 사슬 형태이다. ④ ㄷ. 막단백질은 인지질 중층에서 유동한다. N 를 이루는 5탄당은 리보스이다. ⑤ 탄수화물은 주 에너지원으로 사용된다. 자기주도학습노트 ①ㄱ ②ㄷ ③ ㄱ , ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ , ㄴ, ㄷ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 59 7 그림은 동물 세포의 세포 소기관 ~ C를 나타낸 것이다. 과학적 핵심 역량 기르기 ~ C는 각각 거친면 소포체, 골지체, 리소좀 중 하나이다. 과학적 탐구 능력 9 그림 (가)는 물질 , 가 세포막을 통해 각각 이동하는 방식을, 그림 (나)는 물질 A B 가 세포 안과 밖의 농도 차에 따라 세포 막을 통해 이동하는 속도를 나타낸 것이다. 가수 분해 효소 리보솜 , C 고농도 고농도 저농도 저농도 이 동 속 도 상 댓 값 세포 밖 ) 세포 안 것은? 보기 ㄱ. ( 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 는 골지체로 물질 분비에 관여한다. (가) ㄴ. 는 거친면 소포체로 물질 이동에 관여한다. ㄷ. C는 세포외 소화에 관여하며 ①ㄱ ②ㄴ ③ㄷ 에서 유래한다. ④ ㄱ , ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ 농도 차 (나) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 보기 ㄱ. 의 이동 방식은 촉진 확산이다. ㄴ. 의 이동에는 에너지가 필요하다. ㄷ. 는 물이나 전하를 띤 이온이 이동하는 방식이다. ①ㄱ 8 그림 (가), (나)는 어떤 식물 세포를 농도가 다른 두 가지 설탕 용 ②ㄴ ④ ㄱ , ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ 와 에 의해 효소 활성이 저해되는 과학적 사고력 10 그림 (가), (나)는 저해제 액에 각각 넣었을 때의 모습이다. ③ㄷ 것을 나타낸 것이다. 저해제 , 는 효소에 가역적으로 결합한다. 기질 (가) 기질 (나) 효소 효소 (가) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 (나) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 것은? 보기 ㄱ. (가)는 원형질 분리가 일어난 상태이다. 보기 ㄱ. (가)에서 는 경쟁적 저해제이다. ㄴ. (가)는 (나)보다 농도가 낮은 용액에 담긴 상태이다 . ㄴ. (나)에서 는 효소의 활성 부위에 결합한다. ㄷ. 세포의 팽압은 (가)보다 (나)가 크다. ㄷ. (가), (나)에서 기질의 농도가 증가하면 저해제의 효과는 감소한다. ①ㄱ ②ㄴ ④ㄱ,ㄴ ⑤ ㄴ, ㄷ 자기주도학습노트 60 Ⅱ. 세포의 특성 ③ㄷ ①ㄱ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! ②ㄴ ③ ㄱ , ㄴ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ , ㄴ, ㄷ 과학 글쓰기 스테로이드 오남용을 막는 방법 [자료 1] 운동선수는 일반인보다 스테로이드의 유혹에 빠지기 쉽다. 그 이유는 스테로이드를 사용하면 짧은 기간에 근육을 강화하 는 효과가 있다고 알려져 있기 때문이다. 년에 메이저리그 금지 약물 조사 위원회가 스테로이드를 복용한 명의 선수 명단을 발표하였다. 이 명단에는 우리가 잘 알고 있는 유명 선수들이 포함되어 있어 더욱 충격이 컸다. 현재 스테로이드는 일 반 헬스 클럽 등에서도 널리 사용되고 있다. [자료 2] 합성 또는 천연 부신 피질 호르몬인 스테로이드는 염증을 가라앉히는 효과가 있다. 염증 관련 질환인 피부염, 결막염, 비염 등에 사용하며, 그 외에 류마티스 질환, 알레르기 질환, 안과 질환, 호흡기 질환, 위장 관계 질환, 신경계 질환, 암 등 대부분의 질병에 광범위하게 사용된다. [자료 3] 모든 약에는 부작용이 있다. 스테로이드도 마찬가지이다. 가장 주의해 야 할 부작용은 감염이다. 스테로이드가 염증을 가라앉히는 효과는 염증 의 원인인 세균을 제거하기 때문이 아니라 우리 몸의 방어 면역 체계를 억 제하기 때문이다. 병원체가 너무 강력할 경우, 스테로이드를 이용한 면역 반응 억제는 병원체의 번식을 촉진하여 오히려 감 염 증상이 심해질 수 있다. 또한, 스테로이드 연고는 콜라젠의 합성을 억제하므로 오남용 시 피부의 콜라젠 층이 감소하면서 피부가 얇아져 예민해질 수 있다. 스테로이드와 같은 호르몬제를 인위적으로 투여하면 정상적인 호르몬 기능을 잃게 되고, 장기 복용을 하면 뇌하수체 기능이 저하되어 여러 가지 부작용이 나타날 수 있다. 1 2 3 과학적 탐구 능력 스테로이드가 오남용되는 원인은 무엇인지 말해 보자. 과학적 문제 해결력 스테로이드의 부작용은 무엇인지 요약해 보자. 과학적 탐구 능력 스테로이드의 오남용을 줄이고 바르게 사용하는 방법을 조사해 보자. 대단원 마무리 61 중학 과학 통합과학 광합성에 필요한 물질과 산물, 광합성과 호흡의 관 생명 과학Ⅰ 세포 소기관, 물질대사, 효소 물질대사, , 세포 호흡, 소화, 호흡, 순환, 배설 생명 시스템 사람의 물질대사 계, 소화계, 순환계, 호흡계, 배설계의 구조와 기능 식물과 에너지, 동물과 에너지 배 운 내 용 확 인 하 기 ● ❶ 을 통해 빛에너지가 화학 에너지로 전환 된다. ● ❷ 는다. 을 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 얻 ● 생명체에서 일어나는 각종 물질의 합성과 분해 과정을 ❸ ❹ 의 작용으로 일어난다. ● 세포 호흡은 소화, ❺ , 순환, 배설 과정과 관 련되어 있다. 라고 하며, 이것은 생체 촉매인 ● 물질대사 과정에서 생성된 에너지가 ❻ 저장되어 생명 활동에 사용된다. 로 세포 호흡과 광합성 이 단원에서는 세포 호흡이 일어나는 미토콘드리아와 광합성이 일어나는 엽록체의 전자 현 미경적 구조와 기능을 이해하고 세포 호흡과 광합성의 관계 및 물질대사에 대 한 호기심과 흥미를 갖도록 한다. 그리고 세포 호흡과 광합성의 과정을 이해 하고, 산소 호흡과 발효의 차이를 알아본다. 생명 과학Ⅱ 해당 과정, C 회로, 산화적 인산화, 광인산화, 캘빈 회로 세포 호흡과 광합성 답 ❶ 광합성 ❷ 세포 호흡 ❸ 물질 대사 ❹ 효소 ❺ 호흡 ❻ 1 세포 호흡 2 발효 3 광합성 연료 전지는 무기 촉매를 이용하여 연료의 화학 에너지를 전기 생 각 열 기 에너지로 전환하는 장치이고, 생체 연료 전지는 생체 촉매인 효소 를 이용하여 포도당과 같은 유기물의 화학 에너지를 전기 에너지 로 전환하는 장치이다. 현재 과학자들은 미토콘드리아를 모방한 생체 연료 전지 즉, 포도 미토콘드리아를 모방한 생체 연료 전지 당을 연료로 전기를 생산하는 생체 연료 전지의 개발에 힘쓰고 있다. 생체 연료 전지는 미토콘드리아에서처럼 효소를 사용하여 포도 당이 산화되어 나온 전자를 최종적으로 산소로 흘러 들어가게 해 서 전기를 생산한다. 포도당이 혈액을 통해 계속 공급되기 때문에 사람의 몸속에 삽입한 생체 연료 전지는 반영구적으로 사용할 수 있다. 생체 연료 전지가 인공 장기 등에 활용된다면 지금보다 훨씬 작게 인공 장기를 만들 수 있고 전지 교체 수술을 하지 않아도 될 것이다. 미토콘드리아는 어떻게 우리가 살아가는 데 필요한 에너지를 끊임없이 생성 하는 것일까? 64 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 세포 호흡 1 • 미토콘드리아의 구조와 기능을 설명할 수 있다. • 세포 호흡 과정을 단계별로 구분하여 설명할 수 있다. • 산화적 인산화 과정을 화학 삼투로 설명할 수 있다. 학습 목표 동전 교환기를 통해 지폐를 동전으로 교환한 후에야 동전을 투입하여 카트나 물품 보 관함을 이용할 수 있다. 우리가 섭취한 음식물로부터 흡수한 포도당과 같은 유기물에 저 장된 에너지도 세포 호흡을 통해 ATP에 저장된 후에야 생명 활동에 이용될 수 있다. 세 포 호흡 과정에서 에너지는 어떻게 ATP에 저장될까? 세포 호흡의 과정 핵심 용어 세포 호흡 C 회로 기질 수준 인산화 화학 삼투 합성 효소 세포 호흡은 포도당(C H ªO )과 같은 유기물을 분해하여 생명 활동에 이용되는 에너 지를 얻는 과정으로, Oª를 이용하여 포도당과 같은 유기물을 산화하여 COª와 HªO로 분해하고, 이 과정에서 방출되는 에너지를 이용하여 를 합성한다. 해당 작용 피루브산의 산화 전자 전달계 산화적 인산화 세포 호흡은 매우 복잡한 화학 반응이다. 세포 호흡의 일부 과정은 세포질에서 일어나 세포 호흡의 화학 반응식 고 대부분의 주요 과정은 미토콘드리아에서 일어나는데, 해당 과정, 피루브산의 산화 및 C H ªO COª 회로, 산화적 인산화의 단계로 진행된다. Oª HªO → 1 HªO 에너지( 열) 포도당은 세포질에서 해당 과정을 거쳐 피루브산(C£H¢O£)으로 분해되고, 피루브산은 미토콘드리아 기질로 들어가 피루브산의 산화 및 분해된다. 이 과정에서 소량의 O™ 생체 연료 전지 C 회로를 거치면서 COª로 완전히 가 합성된다. 한편 이들 과정에서 방출된 고에너지 전자는 미토콘드리아 내막의 전자 전달계를 거쳐 산소에 전해지면서 산화적 인산화를 일 를 합성한다. 으켜 다량의 세포질 O™ 미토콘드리아 고에너지 전자 피루브산의 산화 해당 과정 포도당 피루브산 아세틸 CoA TCA 산화적 인산화 회로 H™O ATP CO™ ATP CO™ ATP 세포 그림Ⅲ- 1 세포 호흡의 과정 1. 세포 호흡 65 미토콘드리아의 구조와 기능 세포 호흡의 주요 과정이 일어나는 미토콘드리아는 타원형의 세포 소기관이다. 길이가 1 μ ~1 μ 정도로 보통 엽록체보다 작고, 엽록 체와 마찬가지로 외막과 내막의 중막 구조로 되어 있다. 내막의 안쪽은 주름이 잡힌 크 리스타라고 하는 복잡한 구조로 되어 있다. 미토콘드리아의 내막은 두 개의 공간으로 나뉘는데, 하나는 외막과 내막 사이의 막 사 이 공간이고 다른 하나는 내막 안쪽의 공간이다. 액체로 차 있는 내막 안쪽의 공간을 기질 이라고 한다. 미토콘드리아의 기질에는 N 와 리보솜이 들어 있어 엽록체와 마찬가지 로 독자적으로 증식하고 단백질을 합성한다. 그림Ⅲ- 2 미토콘드리아의 구조 와 N 와 N 는 탈수소 효소의 조효 소로 전자 운반체 역할을 한다. 탈수소 효 소가 호흡 기질로부터 개의 수소 원자 ( H )를 이탈시키면 N H 는 개의 전자( )와 1개의 양성자(H ) 를 수용하여 각각 N H로 환원되고, 는 개의 전자와 개의 양성자를 수 용하여 Hª로 환원된다. 기질에는 호흡 기질인 유기물에 작용하여 COª를 이탈시키는 탈탄산 효소, 수소( H) 를 이탈시키는 탈수소 효소 등 여러 가지 효소가 들어 있다. 이들 효소의 작용으로 유기 물은 COª로 완전히 분해되고 내막의 전자 전달계에 전자를 공급하는 데 필요한 물질인 N H와 Hª가 만들어지고 소량의 가 생성된다. 크리스타 구조로 표면적이 넓어진 내막에는 전자 운반체들의 집합체인 전자 전달계와 합성 효소가 존재한다. 이들의 작용으로 N H와 Hª가 공급하는 전자 가 전자 전달계를 거치면서 Oª로 전달되는 과정에서 방출된 에너지를 이용하여 다량의 가 생성된다. 결국 세포 호흡 동안 포도당과 같은 유기물의 화학 에너지는 미토콘드리아의 기질에서 일어나는 반응에 의해 주로 N H와 Hª의 에너지로 전환되었다가 미토콘드리 아의 내막에서 일어나는 반응에 의해 최종적으로 66 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 의 에너지로 전환된다. 해당 과정 세포로 흡수된 포도당은 미토콘드리아의 막을 통과할 수 없기 때문에 먼저 세포질에서 피루브산으로 분해되는데, 이 과정을 해당이라고 한다. 해당 과정에 의해 포 도당 1분자는 피루브산 분자로 분해되며, 이 과정에서 N H 분자와 분자 이것이 궁금해요 해당 과정의 반응물과 생성물은 각각 무엇인가요? 가 생성된다. 2ADP C§H¡™O§ 2ATP 스스로 정리 하기 2C£H¢O£ (피루브산) (포도당) 2NAD± 2NADH + 2H± 해당 과정 동안 포도당은 먼저 투입된 •해당 과정의 이용: 분자에 의해 과당 인산으로 활성화 된 후 피루브산 분자로 분해된다. 과당 인산이 피루브산 분자로 분해되는 과정에서 분자가 생성된다. 또, 이 과정에서는 탈수소 효소의 작용으로 수소가 방출되는데, 방출된 수소는 이 효소의 조효소인 N 에 수용되어 N 국 해당 과정이 진행될 때 초기 단계에는 분자가 소비되지만, 이어지는 단계에 분자가 만들어지므로, 해당 과정 전체에서는 서 H 분자가 생성된다. 결 분자가 소비되어 포도당은 과당 인산으로 활성화된다. 분자가 생성된다. 과당 인산이 피루브산 분자로 분해되면서 분자의 성된다. 와 분자의 N H가 생 그림Ⅲ- 3 해당 과정의 경로 해당 과정에서 는 기질 수준 인산화로 만들어진다. 기질 수준 인산화는 유기물 분자(호흡 기질)에 있던 인산기가 효소의 작용으로 로 전해져 가 생성되는 방법이다. 효소 해당 과정에서 생성된 피루브산은 산소가 있을 때에는 피루브산의 산화 및 인산화를 거쳐 다량의 C 회로, 산화적 를 생성한다. 호흡 기질 효소 ADP P 생성물 ATP 그림Ⅲ- 4 해당 과정에서 일어나는 기질 수준 인산화 1. 세포 호흡 67 회로 C C 는 의 약자 이다. 회로에서 처음 만들어지는 시트르산 이 3개의 카복실기( COOH)를 갖고 있 어 붙여진 이름으로, 시트르산 회로라고도 피루브산의 산화 및 TCA 회로 세포질에서 해당 과정을 통해 생성된 피루브산은 미 토콘드리아의 기질로 들어와 아세틸 C 로 산화된 후 C 회로를 거쳐 COª로 완전 히 산화 분해된다. 한다. C 회로로 들어가기 위한 준비 단계이다. 피루브산(C£) 은 탈탄산 효소와 탈수소 효 소의 작용으로 COª와 수소를 방출하고 아세트산이 된 다음 조효소 (C )와 결합하여 아세틸 C (Cª)로 된다. ❶ 아세틸 C ❻ 탈수소 효소의 작용으로 수소 (Cª)는 옥살 아세트산(C¢)과 결합하여 를 방출하고 옥살아세트산(C¢) 시트르산(C )이 된다. 이 된다. ❷ 시트르산은 탈탄산 효 소와 탈수소 효소의 작 용으로 COª와 수소를 방출한다. ❸ 탈탄산 효소와 탈수소 효소의 작용으로 COª와 수소를 방출한다. 또한, 기질 수준 인산화가 일 어나 1분자가 생 성된다. ❺ 물이 첨가된다. ❹ 탈수소 효소의 작용으로 수 소를 방출한다. 그림Ⅲ- 5 피루브산의 산화 및 C 회로 이것이 궁금해요 해당 과정과 C 회로를 거치는 동안 포도당 1분자로부터 몇 분자의 가 생성되나요? 피루브산 1분자가 피루브산의 산화 및 와N H 분자 그리고 C 회로를 거쳐 완전히 분해되면 COª 3분자 Hª 1분자가 생성되고, 또 기질 수준 인산화로 1분 자가 생성된다. 따라서 포도당 1분자가 해당 과정을 거쳐 생성한 피루브산 분자로부터는 COª 분자, N H 분자, Hª 분자, 2ADP 분자가 생성된다. 2ATP 2C£H¢O£+6H™O 8NAD± 8NADH + 8H± 2FAD (피루브산) 68 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 6CO™ 2FADH™ 산화적 인산화 산화적 인산화는 세포 호흡의 마지막 단계로, 세포 호흡에서 얻어지 는 대부분의 는 이 단계에서 생성된다. 해당 과정과 피루브산의 산화 및 로에서 생성된 N H나 C 회 Hª는 미토콘드리아 내막에 있는 전자 전달계에 고에 전자 전달계 전자 운반체들이 일련의 사슬을 이루며 산화 환원 반응을 통해 차례로 전자를 주 고받는 반응계를 말한다. 너지 전자를 전달한다. 이 고에너지 전자는 전자 전달계를 구성하는 여러 전자 운반체 의 산화 환원 반응을 거쳐 최종 전자 수용체인 Oª에 전달된다. 이 과정에서 방출되는 에 너지를 이용하여 가 생성되는데, 이를 산화적 인산화라고 한다. 산화적 인산화는 그림 Ⅲ- 6과 같이 전자 전달계 단계와 화학 삼투 단계로 진행된다. 그림Ⅲ- 6 산화적 인산화 과정 N H와 Hª로부터 전달된 고에너지 전자는 전자 전달계의 전자 운반체를 지 날 때 에너지 수준이 점차 낮아지면서 에너지가 단계적으로 방출된다. 에너지 수준이 낮 아진 전자를 최종적으로 전달받은 Oª는 H 와 결합하여 HªO를 생성한다. 그리고 단계 적으로 방출되는 에너지를 이용하여 양성자 펌프(수소 이온 펌프)로 작용하는 일부 전자 운반체가 미토콘드리아 기질로부터 막 사이 공간으로 H 를 퍼낸다. 이 결과 막 사이 공 간과 미토콘드리아 기질 사이에 미토콘드리아 내막을 경계로 H 의 농도 기울기가 형성 된다. 미토콘드리아 내막을 경계로 형성된 H 의 농도 차이로, H 이 막 사이 공간에서 미토콘드리아 기질로 들어올 때 전자 전달계에서 전자의 최초 공여체와 전자의 최종 수용체는 각각 무엇일까? 합성 효소를 통해 와 가 결합하여 가 생성되는데, 이를 화학 삼투라고 한다. 1. 세포 호흡 69 삼투와 화학 삼투 삼투는 반투과성 막을 통해 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 물이 이동하 는 현상이고, 화학 삼투에서의 삼투는 막 을 통과하는 H 의 흐름을 의미한다. 화학 삼투에서는 H 의 농도 기울기 형태로 저장되어 있던 에너지가 를 소비하여 농도 기울기를 형성하는 능동 수송과 반대 너지로 전환되는데, 이는 되는 작용이다. 합성 효소의 차이점을 알아보자. 다음 활동에서 양성자 펌프와 해 보기 의 화학 에 자료 해석 양성자 펌프와 합성 효소의 차이점 알아보기 과학적 사고력 그림 (가)는 식물 세포의 세포막에 존재하는 양성자 펌프를 나타낸 것이고, 그림 (나)는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 효소 복합체인 양성자 펌프와 합성 효소를 나타낸 것이다. 정리하기 ❶ 그림 (가)와 (나)의 양성자 펌프는 어떤 공통점과 차이점이 있는지 설명해 보자. ❷ 그림 (나)에서 합성 효소를 통한 물질 이동 방식은 무엇이며, 이는 양성자 펌프를 통한 물질 이동 방식과 어떤 공통점과 차이점이 있는지 설명해 보자. ❸ 그림 (가)의 양성자 펌프와 그림 (나)의 합성 효소에서 일어나는 에너지 전환의 관계를 설명해 보자. ❹ 그림 (나)에서 미토콘드리아의 내막에서 일어나는 산화적 인산화 과정에서의 에너지의 전환을 설명해 보자. N 화학 삼투를 수력 발전에 비유한다면, H+ 농도의 기울기와 ATP 합성 효소는 각각 무엇에 해당 한다고 볼 수 있을까? H와 Hª로부터 전달된 고에너지 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 형 성된 H 의 농도의 차이로 5분자와 분자는 해당 작용과 피루브산의 산화 및 Hª 분자를 생성한다. 따라서 이들 N 인산화를 통해 각각 5분자의 를 통해 총 70 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 C 분자의 와 3분자의 가 생성된다. 1 5분자가 각각 생성된다. 포도당 1 회로를 거치는 동안 N H 1 분자와 H 1 분자와 Hª 분자는 산화적 를 형성한다. 결국 산화적 인산화 포도당 1분자로부터 세포 호흡의 각 단계에서 발생하는 의양 •해당 과정: •피루브산의 산화 및 C 회로: •산화적 인산화: 다음 활동에서 세포 호흡의 전체 과정에서 생성되는 의 수를 구하고, 세포 호흡 의 에너지 효율을 계산해 보자. 자료 해석 해 보기 세포 호흡의 에너지 효율 계산하기 과학적 사고력 그림은 세포 호흡의 각 단계에서 N H와 Hª 및 가 각각 몇 분자씩 생성 되는지를 모식도로 나타낸 것이다. 정리하기 ❶ 포도당 1분자가 분해될 때 세포 호흡의 각 단계에서 생성되는 N 수를 안에 각각 써 보자. 산화적 인산화로 공급되는 N Hª의 분자 H와 Hª의 총 분자 수는 H와 각각 얼마인지 구해 보자. ❷ 포도당 1분자가 분해될 때 세포 호흡의 각 단계에서 생성되는 써 보자. 세포 호흡의 전체 과정에서 생성되는 ❸ 포도당 1몰이 완전 연소되면 약 될 때 약 .3 의 분자 수를 의 분자 수를 안에 각각 안에 써 보자. 의 에너지가 방출되고, 1몰의 가 의 에너지가 저장된다. 포도당에 저장되어 있던 에너지의 몇 로 전환 가 에 저장되는가? 즉, 세포 호흡의 에너지 효율은 얼마인가? 1. 세포 호흡 71 호흡 기질이 세포 호흡에 이용되는 과정 세포 호흡을 통해 분해되어 에너지를 방출하는 유기물을 호흡 기질이라고 한다. 호흡 기질에는 탄수화물, 지방, 단백질이 있으며, 이 중에서 탄수화물이 주로 이용된다. 호흡 기질의 사용 호흡 기질은 탄수화물, 지방, 단백질의 순 으로 이용된다. 간이나 근육 등에 글리코 젠의 형태로 저장되어 있던 탄수화물이 거의 소비되면 지방이 사용되고 지방이 소비되면 단백질이 사용된다. 탄수화물의 산화 탄수화물은 단당류로 분해된 후 해당 과정을 거쳐 세포 호흡에 이 용된다. 지방의 산화 지방은 지방산과 글리세롤로 가수 분해되어 호흡 기질로 쓰인다. 지방 산은 탄소 원자가 개씩 떨어져 나와 아세틸 C 로 된 다음 C 회로로 들어가 산화 되고, 글리세롤은 해당 과정의 중간 단계로 들어가 피루브산으로 전환된 후, 피루브산의 산화 및 C 회로를 거쳐 산화된다. 단백질의 산화 단백질은 아미노산으로 가수 분해되어 호흡 기질로 쓰인다. 아미노 산은 아미노기( NHª)가 떨어져 나가는 탈아미노 반응을 거쳐 피루브산이나 아세틸 호흡률 세포 호흡을 통해 호흡 기질이 분해될 때 ‘소비된 Oª의 부피’에 대한 ‘발생한 COª의 C , C 회로의 중간 산물 등으로 전환되어 피루브산의 산화 단계나 C 회로로 들어가 산화된다. 부피의 비’를 호흡률이라고 한다. 탄수화물, 지방, 단백질의 호흡률이 각 각 1. , . , . 로 서로 다르기 때문에 호 단백질 탄수화물 아미노산 포도당 지방 흡률을 측정하면 이용되는 호흡 기질의 종류를 알 수 있다. /)f 해당 과정 피루브산 글리세롤 지방산 "51 아세틸 $P" 5$"회로 산화적 인산화 ATP "51 "51 그림Ⅲ- 7 호흡 기질이 세포 호흡에 이용되는 경로 친구와 묻고 답하기 교과서 66쪽 1. 미토콘드리아의 구조와 기능을 이야기해 보자. 교과서 67쪽~71쪽 2. 세포 호흡의 과정을 단계별로 구분하여 이야기해 보자. 3. 기질 수준 인산화와 산화적 인산화의 공통점과 차이점을 이야기해 보자. 교과서 67쪽~69쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 72 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 읽기 자료 대부분의 독극물은 세포 호흡 저해제로 과학과 생활 세 포 호 흡 저 해 제 로 작 용 하 는 독 극 물 생각해 보기 를 생성하는 세포 호흡의 특정 가 합성되지 않아 사람이나 동물이 목숨을 잃게 단계가 일어나지 못하게 하므로 합성 효소의 된다. 세포 호흡 저해제는 그 작용 원리에 따라 전자 전달 저해제와 저해제, 짝풀림제 등으로 구분한다. ❶ 전자 전달 저해제: 전자 전달계를 구성하는 전자 운반체에 결합하여 전자 전달계를 통한 전자의 흐름을 막아 미토콘드리아의 기질에서 막 사이 공간으로 H 을 퍼내지 못하게 함으로써 산화적 인산화의 전체 과정을 모두 억제한다. 예로는 로테논, 사이 안화물(청산가리), 일산화 탄소 등이 있다. ❷ 합성 효소의 저해제: 합성 효소에 결합하여 H 이 합성 효소를 통해 막 사이 공간에서 기질로 확산되는 것을 저해함으로써 산화적 인산화의 전체 과정을 모두 억제한다. 예로는 올리고마이신, 아우로베르틴, 벤추리시딘 등이 있다. ❸ 짝풀림제: 막 사이 공간에 축적된 H 이 합성 효소를 통하지 않고 기질로 들어 갈 수 있게 하여 내막을 경계로 한 H 의 농도 기울기를 감소시켜 전자 전달계는 계 속적으로 작동하지만 그에 짝을 이뤄 일어나던 합성 효소에 의한 합성 은 일어나지 못하게 한다. 과도한 짝풀림제가 사용되면 대사 속도가 빨라지고 H 의 농도 기울기 형태로 저장된 에너지가 합성에 쓰이지 못하고 열로 방출되기 때 문에 동물은 과도한 열을 방출하기 위해 땀을 분비하다가 죽게 된다. 예로는 N , CC 등이 있다. 1. 짝풀림제를 투여하였을 때, N 의 재생과 Oª 소비, 내막을 경계로 한 H 의 농도 기울기, 화 학 삼투 그리고 기질 수준 인산화는 각각 어떻게 변화하는지 알아보자. 2. 예전에는 다이어트 약으로 미량의 드는 이유와 N 를 사용하기도 했는데, N 를 사용하면 몸무게가 줄어 N 가 지금은 법적으로 금지된 이유를 조사해 보자. 1. 세포 호흡 73 2 학습 목표 발효 • 산소 호흡과 발효의 차이를 설명할 수 있다. • 실생활에서 발효를 이용한 사례를 조사하여 발표할 수 있다. 우리의 전통 된장과 간장은 어떻게 만들까? 겨우내 띄운 메주를 항아리에 차곡차곡 담아서 소금물을 부어 40일 ~ 50일 정도 숙성시킨 다음, 체로 걸러 내어 메주로는 된장을 만들고 걸러 낸 소금물은 달여서 간장으로 만든다. 소금물에 담가 둔 메주가 숙성될 때 어떤 변화가 일어나기 에 된장과 간장 고유의 맛이 생겨나는 것일까? 산소 호흡과 무산소 호흡 핵심 용어 산소 호흡 발효 젖산 발효 무산소 호흡 부패 알코올 발효 대부분의 생물은 산소를 이용하여 유기물을 분해하는 세포 호흡, 즉 산소 호흡을 통해 생명 활동에 필요한 물을 분해하여 를 얻는다. 그러나 일부 미생물은 산소를 이용하지 않고 유기 를 얻는데, 이러한 호흡 과정을 무산소 호흡이라고 한다. 무산소 호흡에는 발효와 부패가 있다. 유기물이 분해되어 생성된 중간 산물이 맛과 영 양가를 지니고 있는 등 인간 생활에 유용하면 발효라고 하고, 악취가 나거나 식중독을 일으키는 등 인간에게 해로우면 부패라고 한다. 발효는 최종 산물의 종류에 따라 젖산 발효, 알코올 발효 등으로 구분한다. 젖산 발효와 알코올 발효는 둘 다 포도당을 호흡 기질로 이용하는데, 이 경우 포도당이 이산화 탄소와 물 로 완전히 분해되지 않는다. 젖산 발효와 알코올 발효는 산소 호흡에 비해 적은 양의 가 생성되고 최종 산물인 젖산과 에탄올에는 여전히 많은 양의 에너지가 저장되어 있다. 산소 호흡과 무산소 호흡의 차이점은 무엇일까? 그림Ⅲ- 8 산소 호흡에서는 포도당이 이산화 탄소와 물로 완전히 분해되면서 다량의 에서는 포도당이 완전히 분해되지 않아 소량의 가 생성된다. 74 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 가 생성된다. 무산소 호흡 산소 호흡과 발효는 모두 해당 과정을 거치며, 이 과정에서 기질 수준 인산화로 포도 당 1분자 당 분자의 가 생성된다. 그림 Ⅲ- 9에서와 같이 산소가 있을 때에는 피 루브산이 미토콘드리아로 들어가 피루브산의 산화 및 C 회로, 산화적 인산화를 거 쳐 이산화 탄소와 물로 완전히 분해된다. 산소가 없을 때에는 피루브산이 미토콘드리아 로 들어가지 않고 세포질에서 에탄올이나 젖산과 같은 중간 산물을 생성한다. 산소 호흡의 경우에 다량의 ATP가 생기는 까닭은 무엇일까? 그림Ⅲ- 9 산소 호흡과 발효의 경로 산소 호흡만 하는 생물의 세포에서는 산소가 없으면 산화적 인산화가 일어나지 못하므 와 로 재생되지 못한다. 그 결과 산화적 인산화 로N H와 와 회로는 물론 해당 과정도 일어나지 못하게 된다. C Hª가 N 이것이 궁금해요 산소가 없는 경우 포도당이 분해되면 몇 분자의 가 생기나요? 젖산 발효나 알코올 발효가 일어나는 생물의 세포에서는 미토콘드리아 내에서 진행되 는 피루브산의 산화 및 C 회로, 산화적 인산화는 일어나지 못하지만 해당 과정은 계 H가 산소가 아닌 피루브산이나 피루브 속 일어난다. 이는 해당 과정에서 생성된 N 산으로부터 생성된 다른 물질에 전자를 전해 주어 젖산이나 에탄올을 생성시키고 N 로 재생되기 때문이다. 생활 속 과학 이야기 감칠맛, MSG만의 맛인가? 감칠맛이라고 하면, 우리는 보통 조미료인 은 것으로 생각하는 사람들이 많지만 ( , 글루탐산나트륨)를 떠올린다. 의 유해성에 대한 논란은 1995년에 미국 식품 의약국( )과 세계 보건 기구( 를 건강에 좋지 않 HO)의 공동 연구 를 통해 평생 먹어도 안전한 식품 첨가물로 판명됨으로써 일단락되었다. 사실 감칠맛은 우리 전통 식문화에 깊이 자리 잡고 있는 친숙하고 익숙한 맛이다. 된장, 간장, 젓갈 등의 전통 발효 식품뿐만 아니라 토마토, 감자, 배추 등의 야채와 김, 미역, 다시마 등의 해조류, 심지어 멸치, 조개, 새우 등의 해산물에도 감칠맛을 내는 성분인 글루탐산(아미노산의 일종)과 이노신산(핵산의 일종) 등이 많이 함유되어 있다. 이처럼 감칠맛은 의 맛이기 이전에 많은 식재료 속에 담겨 있는 자연의 맛이며, 현재는 제5의 기본 맛으로 널리 인정받고 있다. 2. 발효 75 발효는 오래전부터 사람들의 생활에 이용되어 왔는데, 현재는 식품뿐만 아니라 화장 품, 염료, 바이오 에너지를 만드는 등의 다양한 분야에서 이용되고 있다. 다음 활동에서 실생활 속에서의 발효 이용 사례를 조사하고 발표해 보자. 해 보기 조사·발표 실생활 속에서의 발효 이용 사례 조사하기 과학적 문제 해결력 과학적 의사소통 능력 품 제 발효 류 주 유 다음은 우리가 생활 속에서 흔히 볼 수 있는 발효 식품들이다. 발효 식 품 한국유가공협회 http://koreadia.or.kr 우유와 치즈 등 각종 유제품의 제조 과 정에 대한 정보를 찾아볼 수 있다. 류 콩 김치 및 젓갈류 빵 정리하기 ❶ 제시된 발효 식품 중 하나를 선택하여 이 식품을 만드는 데 이용된 미생물과 발효의 종류, 제조 방법을 조사하여 발표해 보자. ❷ 발효를 이용해 바이오 에너지를 생활에 이용하기도 한다. 바이오 에너지를 만드는 데 이용 된 발효의 종류를 조사해 보고, 바이오 에너지를 어떤 방식으로 이용하는지 조사하여 발표해 soy-worldscience park http://www.soyworld.org 콩과 관련된 건강, 역사, 산업 등에 대 한 정보를 찾아볼 수 있다. 보자. ❸ 최근에는 발효 화장품이 큰 인기를 얻고 있다. 발효 화장품은 어떻게 만들며, 어떤 효능이 있는 지 조사하여 발표해 보자. ❹ 위에서 조사한 것 이외의 발효 이용 사례를 조사하여 발표해 보자. 76 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 젖산 발효 젖산균은 무산소 상태에서 포도당을 젖산으로 분해하는 젖산 발효를 통 해 생명 활동에 필요한 를 얻는다. 젖산 발효는 그림 Ⅲ- 11과 같이 해당 과정에 서 생성된 피루브산이 N H로부터 H 와 전자를 받아 환원되어 최종 산물인 젖산 (C£H O£)이 생성된다. 결국 포도당 1분자는 젖산 발효에 의해 젖산 분자로 분해되며, 분자가 생성된다. 김치나 요구르트, 치즈 등은 이 과정에서 기질 수준 인산화로 젖산 발효를 이용하여 만든다. 2ADP 포도당 기질 수준 인산화 그림Ⅲ- 10 젖산균(유산균) 2ATP μ 2피루브산 해당 과정 탈수소 반응 2NAD± 2젖산 전체 반응식: 2NADH + 2H± 젖산 발효와 알코올 발효에서 NADH가 가진 고에너지 전자를 최종적으로 수용하는 것은 각각 무엇일까? NAD±의 재생 C§H¡™O§ 2C£H§O£ + 2ATP (포도당) (젖산) 그림Ⅲ- 11 젖산 발효의 과정과 전체 반응식 젖산 발효는 인간의 근육 세포에서도 일어난다. 단거리 달리기와 같은 격렬한 운동을 하면 근육 세포에 산소가 충분히 공급되지 못한 상태에서 많은 양의 를 충당하기 위해서 해당 과정이 빠르게 일어난다. 그 결과, 근육 세포에는 피루브산과 N H의 양 이 급격히 증가하고, 이들이 반응하여 젖산이 축적된다. 이후 휴식을 취하면 근육 세포 에 축적된 젖산이 간으로 운반되어 피루브산을 거쳐 포도당으로 전환된다. 해당 과정 포도당 생성 근육 (격렬한 운동 시) 포도당 포도당 피루브산 6ATP 2ATP 피루브산 간 젖산 젖산 그림Ⅲ- 12 근육에서의 젖산 생성과 간에서의 포도당 생성 2. 발효 77 알코올 발효 술이나 빵을 만드는 데 이용되는 효모는 산소가 있으면 산소 호흡을 통 해 생명 활동에 필요한 를 얻지만, 산소가 없으면 포도당을 에탄올과 이산화 탄소 를 얻는다. 로 분해하는 알코올 발효를 통해 알코올 발효도 젖산 발효와 마찬가지로 그림 Ⅲ- 1 와 같이 해당 과정을 거쳐 피루브산 그림Ⅲ- 13 효모 1 μ 분자, N H 분자 및 분자를 생성한다. 이후 피루브산은 COª를 방출하고 아세트알데하이드(CH£CHO)로 된다. 이어 N H는 아세트알데하이드에 전자를 전해 주어 N 로 재생되고 아세트알데하이 드는 최종 산물인 에탄올(CªH OH)이 된다. 결국 포도당 1분자는 알코올 발효 과정을 통해 에탄올 분자와 이산화 탄소 분자로 분해되며, 이 과정에서 기질 수준 인산화로 분자가 생성된다. 2ADP 포도당 기질 수준 인산화 2ATP 2피루브산 해당 과정 스스로 정리 하기 탈수소 반응 •알코올 발효와 젖산 발효의 차이점 : 2NADH 2NAD± 2에탄올 전체 반응식: NAD±의 재생 (에탄올) 여 가지의 김치가 있다. 김치가 익어 감에 따라 늘어난 젖산균은 사람의 장에 존재하는 유해 세균의 작용을 억제하는 항 균 작용을 한다. 김치에는 항암 성분과 다양한 생리 활성 물질이 들어 있어, 비만, 고혈압, 당뇨병 등 성인병 예방에도 도움을 주며 소화기 계통의 암 예방에도 효과 가 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 김치에는 각종 무기질과 비타민, 아미노산, 유 78 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 2아세트알데하이드 2C™H∞OH + 2CO™ + 2ATP 우리가 익숙히 아는 배추김치, 깍두기, 총각김치 외에도 열무김치, 파김치, 동치 기산 등이 들어 있어 맛도 좋을 뿐만 아니라 영양도 풍부하다. 2CO™ (포도당) 김치는 어떤 효능이 있을까? 미, 고들빼기, 갓김치, 오이소박이 등 무려 탈탄산 반응 C§H¡™O§ 그림Ⅲ- 14 알코올 발효의 과정과 반응식 생활 속 과학 이야기 + 2H± 탐구 활동 조사•토의 효모에 의한 발효 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 효모에 의한 발효를 관찰하고 알코올 발효 과정을 설명해 보자. 과정 1. 5 의 증류수에 건조 효모 을 넣고 유리 막대로 저어 가며 잘 녹여 효모액을 만든다. 2. 개의 발효관 ~ 를 준비한 다음, 와 에는 1 탕 용액을, 에는 1 녹말 용액을 각각 3. 에는 증류수를, ~ 에는 효모액을 각각 15 포도당 용액을, C에는 1 설 씩 넣는다. 준비물 1 씩 넣고 잘 흔들어 섞어 준다. 포도당 용액, 효모, 증류수, 1 설탕 용액, 1 녹말 용액, OH 용액, 발효관, 스포이트, 유리 막대, 솜 등 4. 맹관부에 기포가 들어가지 않도록 발효관을 세운 다음 입구를 솜으로 막는다. 5. 맹관부의 눈금을 5분 간격으로 읽어 발생하는 기체의 부피를 측정한다. 6. 분 후 맹관부에 모인 기체의 부피를 측정한 다음, 솜 마개를 빼고 냄새를 맡아 본다. 7. 각 발효관의 용액 일부를 스포이트로 덜어 낸 후 OH 용액을 15 넣고, 맹 관부에서 어떤 변화가 일어나는지 확인한다. 유의점 • 발효관에 용액을 넣을 때 맹관부 안으 로 공기가 들어가지 않도록 유의한다. • 건조 효모는 오래되지 않은 것을 사용 하도록 한다. 결과 및 정리하기 ❶ ~ 발효관의 맹관부에 기체가 모였는가? 기체가 가장 많이 생긴 발효관은 어느 것인가? 이러한 결과는 무엇을 의미하는지 설명해 보자. ❷ 솜 마개를 빼고 냄새를 맡아본 결과는 어떠한가? ❸ 맹관부에 모인 기체는 무엇이며, 그렇게 생각한 까닭은 무엇인가? ❹ 창의력 키우기 발효관 의 결과에 따를 때 제빵효모를 넣은 밀가루 반죽이 잘 숙성되어 부풀어 오르게 하는 방법을 설명해 보자. 스스로 평가하기 실험시 유의점을 지켰는가? 효모에 의한 발효 산물을 말할 수 있는가? 효모가 발효에 이용할 수 있는 기질의 종류를 말할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 산소 호흡과 발효의 차이점을 이야기해 보자. 2. 젖산 발효 과정이 어떻게 진행되는지 이야기해 보자. 3. 알코올 발효 과정이 어떻게 진행되는지 이야기해 보자. 교과서 76쪽~77쪽 교과서 77쪽 교과서 78쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 2. 발효 79 3 학습 목표 광합성 • 엽록체의 구조와 기능을 설명할 수 있다. • 명반응 과정을 모형을 이용해 설명하고 탄소 고정 반응을 단계별로 설명할 수 있다. • 세포 호흡과 광합성의 전자 전달계를 비교하여 공통점과 차이점을 설명할 수 있다. 도심의 밤을 밝히는 태양광 나무, 즉 솔라 트리는 낮에는 나뭇잎 모양의 태양 전지에서 태양 광을 전기 에너지로 전환하여 저장해 두었다가 밤이 되면 주변을 밝히는 가로등 역할을 한다. 식 물의 광합성에서도 태양광을 받은 엽록소는 전자를 방출하고, 이 전자가 계속 이동하며 에너지 를 방출하는데, 이 에너지를 이용하여 포도당을 합성한다. 광합성에서 에너지의 전환은 어떻게 일어날까? 광합성과 관련된 과학사 핵심 용어 광합성 과정이 밝혀지기까지 약 3 명반응 광계 광합성 비순환적 광인산화 순환적 광인산화 캘빈 회로 탐구 활동 여 년에 걸쳐 과학자들은 광합성과 관련된 많은 연구를 해 왔다. 다음 활동에서 광합성과 관련된 과학사를 조사해 보자. 조사•발표 광합성과 관련된 과학사 조사하기 과학적 의사소통 능력 과학적 사고력 모둠별로 광합성과 관련한 과학사를 조사하여 발표하고 그 의의에 대해 토의해 보자. 미리 알아보기 명 5명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 1. 조사하기 자료 내려받기 •Ⅲ- 1. 광합성과 관련된 주요 과학사 ⑴ 모둠별로 참고 자료 [Ⅲ-1. 광합성과 관련된 주요 과학사]를 내려받아 확인한다. ⑵ 제시된 과학자 중 한 사람을 선택하여 광합성 관련 연구 내용을 조사해 보자. 헬몬트 1630년 잉엔하우스 1771년 프리스틀리 80 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 1779년 엥겔만 1804년 소쉬르 1883년 1941년 루벤 2. 조사 내용 정리하기 우리 모둠이 조사한 내용을 정리해 보자. •과학자가 발견한 광합성 관련 사실 •과학자가 광합성 관련 사실을 발견하게 된 연구 과정 도움말 •조사 내용을 선택할 때에는 모둠원과 상 의하여 정한다. •인터넷 검색, 관련 서적을 활용한다, •조사한 내용을 발표할 때에는 강의식 발 표보다 스토리텔링 형식으로 발표한다. •과학자의 발견이 실제 광합성 과정을 밝히는 데 기여한 점 발표 및 토의하기 1. 모둠별로 정리한 과학사 내용을 스토리텔링 형식으로 발표해 보자. 2. 조사한 과학자의 발견이 의미하는 내용을 발표해 보자. 3. 모둠별로 발표 후, 조사한 과학자의 발견 중에서 가장 중요하다고 생각하는 것을 말해 보고, 그 이유를 토의해 보자. 평가하기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. •발표 자료가 잘 준비되어 있는 모둠은 어느 모둠인가? •발표 내용을 스토리텔링 형식으로 잘 전달한 모둠은 어느 모둠인가? •과학자의 연구 과정의 의미를 충분히 이해한 모둠은 어느 모둠인가? •토의 과정에서 주장하는 내용을 논리적으로 잘 설명한 모둠은 어느 모둠인가? 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 평가 항목 평가 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 모둠 내에서 나의 역할을 충실히 수행하였는가? 토의을 위한 발표 조사를 충실히 수행하였는가? 토의 시 논리적인 근거를 잘 제시하였는가? 3. 광합성 81 N 와N H 는 세포 호흡에서의 N 처 럼 전자 운반체 역할을 한다. N 는 N 개의 전자( )와 1개의 양성자(H )를 수 용하여 N H로 환원된다. N H 광합성의 과정 광합성은 빛에너지를 에너지원으로 하여 COª와 HªO를 재료로 포도당(C H ªO )을 합성하는 과정으로, 식물과 조류의 세포에 존재하는 엽록체에서 일어난다. 는 명반응에서 생성되어, 캘빈 회로에서 COª를 환원하는 데 필요한 전자를 공급 COª 한다. NADP± + 2H 1 HªO 빛에너지 C H ªO Oª HªO NADPH + H± 2H± + 2e— 광합성 과정은 빛을 필요로 하는 명반응과 빛과 무관하게 일어나는 캘빈 회로(암반응) 의 두 단계로 진행된다. 명반응에서는 빛에너지를 이용하여 N 캘빈 회로 이전에는 암반응이라고 했으며, 탄소 고정 반응이라고도 한다. H와 를 생성 하고, 캘빈 회로에서는 이들 물질들을 이용하여 COª를 환원하여 포도당을 합성한다. 명반응은 광합성 색소가 흡수한 빛에너지를 화학 에너지로 전환하는 단계로 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어난다. 명반응에서는 틸라코이드 막의 광합성 색소가 흡수한 빛 에너지를 이용하여 HªO를 분해하여 Oª를 방출하고 COª를 환원하는 데 필요한 물질인 N H와 를 생성한다. 캘빈 회로는 COª를 환원하여 포도당을 합성하는 단계로 엽록체의 스트로마에서 일어 난다. 캘빈 회로에서는 명반응 산물인 N H와 를 이용하여 COª를 환원하여 포도당을 합성하므로, 명반응이 먼저 일어나고 명반응 산물이 제공되어야 캘빈 회로가 일어날 수 있다. 광합성이 지속적으로 일어나려면 빛과 COª가 함께 주어져야 하지만, 빛을 먼저 준 다음에 COª를 공급하여도 잠시 동안 광합성이 일어난다. 광합성의 전체 과정에서 산화되는 물질과 환원되는 물질은 각각 무엇일까? 그림Ⅲ- 15 광합성의 전체 과정 82 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 엽록체의 구조와 기능 1 μ 정도이고 두께가 엽록체는 원반형의 세포 소기관으로, 크기는 길이가 5 μ ~ μ ~3 μ 정도이다. 보통 미토콘드리아보다 크고 미토콘 이것이 궁금해요 그라나가 여러 개의 틸라코이드로 이 루어져 있어서 좋은 점은 무엇인가요? 드리아와 마찬가지로 중막으로 싸여 있다. 엽록체의 내막 안쪽에는 납작한 주머니 모양의 틸라코이드가 있고 이러한 틸라코이드 는 동전을 쌓은 것처럼 겹겹이 포개져 그라나를 형성한다. 내막 안쪽에서 틸라코이드를 제외한 나머지 공간은 액체 상태의 기질로 채워져 있는데, 이 부분을 스트로마라고 한다. 엽록체의 구조 틸라코이드 막의 구조 그림Ⅲ- 16 엽록체의 구조와 틸라코이드 막의 구조 틸라코이드 막에는 엽록소 등 광합성 색소들이 결합된 단백질 복합체인 광계, 여러 전 자 운반체의 집합체인 전자 전달계, 합성 효소 등이 있다. 틸라코이드 막에서는 빛에너지를 이용하여 HªO를 분해하여 Oª를 방출하고 COª를 환원하는 데 필요한 물질 인N H와 를 합성하는 명반응이 일어난다. 스트로마에는 독립적인 N 와 리보솜이 들어 있어 엽록체도 미토콘드리아와 마찬 가지로 독자적으로 증식하고 단백질을 합성한다. 또한, 포도당 합성에 관계하는 여러 가 지 효소가 들어 있어 이들의 작용으로 명반응 산물인 N H와 를 이용하여 COª를 환원하여 포도당을 합성하는 캘빈 회로가 일어난다. 엽록체에서 빛에너지는 틸라코이드 막에서 일어나는 명반응에 의해 N H와 의 화학 에너지로 전환되었다가 스트로마에서 일어나는 캘빈 회로를 통해 최종적 으로 포도당의 화학 에너지로 전환된다. 3. 광합성 83 다음 활동에서 엽록체와 미토콘드리아의 구조와 기능을 비교해 보자. 자료 해석 해 보기 엽록체와 미토콘드리아의 구조와 기능 비교하기 과학적 사고력 다음은 엽록체와 미토콘드리아의 구조와 크기를 비교한 것이다. 내막 크리스타 외막 막 사이 공간 기질 틸라코이드 내부 스트로마 DNA 미토콘드리아 틸라코이드 막 리보솜 엽록체 정리하기 엽록체와 미토콘드리아의 구조와 기능의 공통점과 차이점을 설명해 보자. 광계 안테나 색소 광계에서 반응 중심 색소를 제외한 나머 지 색소는 빛에너지를 반응 중심 색소로 전달하는 안테나 역할을 하기 때문에 이 들 색소를 안테나 색소 또는 보조 색소라 고 한다. 광계는 엽록체의 틸라코이드 막에 존재하며, 여러 광합성 색소와 전자 수용체들 이 모여 형성된 특수한 단백질 복합체로서 빛에너지를 흡수하여 이용할 수 있게 모아 주 는 역할을 한다. 광계는 반응 중심 색소인 엽록소 와 전자 수용체로 구성된 반응 중심과 이를 둘러싼 안테나 색소로 이루어져 있다. 안테나 색소는 카로티노이드와 엽록소 , 로 구성되며 빛에너지를 흡수하여 반응 중 심으로 모아 주는 역할을 한다. 빛에너지를 흡수한 반응 중심의 엽록소 는 고에너지 전 광계의 역할 광계는 빛에너지를 흡수하여 전자의 에너 자를 방출하고, 방출된 전자는 1차 전자 수용체에 수용된 후, 전자 전달계를 따라 이동한 다. 또한, 전자를 방출하고 산화된 엽록소 는 외부에서 공급된 전자를 받아 환원된다. 지 수준을 높여 주는 역할을 한다. e 빛에너지 e 전자 광계 단백질 복합체 스트로마 1차 전자 수용체 빛 e 전달 계 e 광계 빛에너지 84 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 카로티노이드 틸 라 코 이 드 막 e— 엽록소C 엽록소@ 빛에너지의 전달 반응 중심 색소 그림Ⅲ- 17 광계의 구조와 광합성 색소의 배치 안테나 색소 틸라코이드 내부 반응 중심 광계는 반응 중심 색소인 엽록소 의 종류에 따라 광계Ⅰ과 광계Ⅱ로 구분한다. 광계Ⅰ 의 반응 중심 색소인 엽록소 는 파장이 인 빛을 잘 흡수하는 이고, 광계Ⅱ 의 반응 중심 색소인 엽록소 는 파장이 인 빛을 잘 흡수하는 이다. 광계에 존재하는 주요 광합성 색소에는 엽록소와 카로티노이드가 있다. 엽록소는 엽록 소 , , , 의 네 가지가 있으며, 엽록소 는 광합성을 하는 모든 식물 및 조류에 있으 나 엽록소 , , 는 생물에 따라 엽록소의 종류가 다르다. 식물과 조류의 광합성 색소 생물 광합성 색소 식물, 녹조류 엽록소 , , 카로틴, 잔토필 갈조류 엽록소 , , 카로틴, 갈조소 홍조류 엽록소 , , 홍조소, 남조소 카로티노이드에는 카로틴과 잔토필이 있다. 카로틴은 적황색을 띠고 잔토필은 담황색 을 띠며, 이들 색소는 엽록소가 흡수하지 못하는 파장대의 빛을 흡수하여 반응 중심 색 소인 엽록소 에 전달하고 또한, 빛을 분산시켜 강한 빛 때문에 엽록소가 파괴되는 것을 막아 주기도 한다. 빛의 파장과 광합성 엽록체에 존재하는 광합성 색소의 종류에 따라 잘 흡수되는 빛 의 파장이 다르므로 어떤 파장대의 빛을 비춰 주는지에 따라 광합성 속도가 달라진다. 다음 활동에서 빛의 파장과 광합성 속도의 관계를 알아보자. 해 보기 자료 해석 빛의 파장과 광합성 속도의 관계 알아보기 과학적 사고력 그림 (가)는 시금치 잎에서 추출한 엽록소 와 , 카로티노이드가 각각 들어 있는 용액에 파장별로 빛을 비춰 준 다음, 파장별 빛의 흡수율을 조사한 결과를 나타낸 흡수 스펙트럼이 고, 그림 (나)는 시금치 잎에 파장별로 빛을 비춰 준 다음 파장별 광합성 속도를 측정한 결과 를 나타낸 작용 스펙트럼이다. 정리하기 ❶ 각 광합성 색소는 어떤 색깔의 빛을 주로 흡수하는가? ❷ 엽록소의 빛 흡수율과 광합성 속도 사이의 관계를 설명해 보자. ❸ 엽록소가 거의 흡수하지 않는 녹색 파장대의 빛에서도 광합성이 일어나는 이유를 설명해 보자. 3. 광합성 85 다음 활동에서 식물의 잎에는 어떤 색소들이 존재하는지 알아보자. 탐구 활동 실험 잎의 색소 분리하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 크로마토그래피를 이용하여 잎에 들어있는 색소를 분리해 보고 그 종류를 알아보자. 과정 준비물 1. 시금치 잎을 잘게 잘라 막자사발에 넣고 잘 으깬 다음, 에탄올과 아세톤의 3:1 혼합액을 시금치 잎, 비커, 페트리 접시, 막자와 막자사발, 손 씻기 넣어 잎의 색소를 추출한다. C 판, 스포이트, 가위, 자, 모세관, 에탄올과 아세톤의 3 1 혼 합액, 전개액(에테르와 아세톤의 9 1 혼합액 또는 톨루엔), 비닐장갑 2. C 판에 하단에서 3 되는 곳에 연필로 선을 긋고 중심에 원점을 표시한다. 3. 모세관으로 색소 추출액을 원점에 찍고 말리는 과정을 여러 번 반복한다. 4. 비커에 전개액을 바닥에서부터 5. 유의점 • 원점에 먼저 찍은 색소 추출액이 완 전히 마른 뒤에 다시 색소 추출액을 찍도록 한다. • 비커에 C 판을 세울 때, 원점이 전개액에 잠기지 않도록 주의한다. 정도 높이까지 넣는다. C 판을 전개액이 든 비커 속에 세워 넣고, 페트리 접시로 덮는다. 6. 전개액이 C 판의 상단 가까이까지 도달하면, C 판을 꺼내어 전개액이 올라간 위 치(용매 전선)와 각 색소가 올라간 위치를 표시한다. 1 3 5 C판 도움말 • C 판은 흡착제를 입힌 플라스틱 판 또는 유리판으로 광합성 색소 등의 분리 에 사용된다. • C 판 대신 전개 용지를 사용하여 실 험할 수 있다. •모세관 대신 가는 붓으로 사용할 수 있 다. 결과 및 정리하기 ❶ 시금치 잎에서 어떤 색소가 분리되어 나오는가? ❷ 원점에서 용매 전선까지의 거리와 원점에서 각 색소까지의 거리를 측정한 다음, 아래의 식에 따라 각 색소의 전개율을 구해 보자. 전개율(R ) 원점에서 각 색소까지의 거리 원점에서 용매 전선까지의 거리 ❸ 각 색소의 전개율이 다르게 나타난 까닭은 무엇인지 설명해 보자. ❹ 창의력 키우기 O 답안 작성 시 흑색 사인펜을 사용하지 않고 컴퓨터용 사인펜을 사용하는 이유를 설명해 보자. 스스로 평가하기 모둠 내에서 나의 역할을 충실히 수행하였는가? 색소의 전개율이 다른 이유를 이해하였는가? 86 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 시금치 잎에서 분리되는 색소의 종류를 말할 수 있는가? 명반응의 과정 명반응은 그라나를 구성하는 틸라코이드 막에서 일어난다. 명반응은 광합성 색소들이 흡수한 빛에너지를 N H와 의 화학 에너지로 전환하는 과 정이다. 명반응은 틸라코이드 막에 있는 광계, 전자 전달계, 합성 효소에 의해 일 어나며, 비순환적 광인산화와 순환적 광인산화로 구분한다. 그림Ⅲ- 18 명반응의 과정 비순환적 광인산화는 광계Ⅰ과 광계Ⅱ가 모두 관여하는 과정이다. 먼저 산화 상태이 던 광계Ⅱ의 은 물이 광분해되면서 방출된 전자를 받아 환원되고, 이때 산소가 방출 된다(❶). 이어 빛에너지를 흡수한 광계Ⅱ의 이 다시 산화되면서 고에너지 전자를 방 출하고, 이 전자는 1차 전자 수용체에 받아들여진 후 전자 전달계를 따라 이동하여 산화 상태이던 광계Ⅰ의 을 환원시킨다. 이 과정에서 방출된 에너지를 이용하여 성이 일어난다(❷). 마지막으로 빛에너지를 흡수한 광계Ⅰ의 비순환적 광인산화 •전자 전달계(광계 포함) HªO N →N H H Oª •화학 삼투 → 합 이 다시 산화되면서 고 에너지 전자를 방출하고, 이 전자는 1차 전자 수용체에 받아들여진 후 전자 전달계를 따 라 최종 전자 수용체인 N N 에 전달된다. 전자를 받은 N 는 H 과 결합하여 H를 생성한다(❸). 순환적 광인산화는 광계Ⅰ만 관여하는 과정으로 는 생성되지 않는다. 빛에너지를 흡수한 광계Ⅰ의 만 합성되고 N H와 산소 이 산화되면서 방출한 고에너지 전자는 1차 전자 수용체에 전달된 후, 전자 전달계를 따라 이동하여 광계Ⅰ의 되돌아와 을 다시 환원시킨다. 이 과정에서 방출된 에너지를 이용하여 비순환적 광인산화에서 전자의 최초 공여체와 전자의 최종 수용체는 각각 무엇일까? 으로 합성이 일어난다. 3. 광합성 87 명반응에 이어지는 캘빈 회로에서 포도당 1분자를 합성하려면, N H 1 분자와 1 분자를 필요로 한다. 따라서 포도당 1분자를 합성하기 위해 명반응 동안 비순 환적 광인산화와 순환적 광인산화는 각각 1 회와 회 일어나야 한다. 광인산화에서의 ATP의 생성 방식 스스로 정리 하기 •광인산화에서 광합성의 명반응에서는 틸라코이드 막에서 가 합성되는데, 이 과정을 광인산화라고 한다. 광인산화에서의 생성: 합성은 미토 콘드리아 내막에서 일어나는 산화적 인산화와 거의 같다. 틸라코이드 막의 전자 전달계를 통해 전자가 이동할 때 방출되는 에너지를 이용하여 양성자 펌프로 작용하는 전자 운반체가 H 을 스트로마에서 틸라코이드 내부로 능동 수 송하므로 틸라코이드 막을 경계로 H 의 농도 기울기를 형성된다. 이후 H 의 농도 기울 기에 따라 H 이 합성 효소를 통해 틸라코이드 내부에서 스트로마로 확산해 들어 올 때 화학 삼투가 일어나 가 생성된다. 광인산화와 산화적 인산화 모두 화학 삼투에 의해 가 생성되는 원리는 같지만, 미토콘드리아에서는 포도당에서 떨어져 나온 고에너지 전자가 N 와 와 같은 전자 운반체에 전달되어 전자가 이동할 때 방출되는 에너지를 이용하는데 엽록체에서는 빛에너지를 흡수한 광계에서 방출된 고에너지 전자가 N 로 전달될 때 방출되는 에너지를 이용하므로 산화적 인산화와 구별하여 광인산화라고 한다. 그림Ⅲ- 19 광인산화 과정 88 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 다음 활동에서 광인산화와 산화적 인산화에서의 생성 과정을 비교해 보자. 해 보기 생성 과정 비교하기 자료 해석 엽록체와 미토콘드리아에서의 과학적 탐구 능력 다음은 엽록체의 광인산화와 미토콘드리아의 산화적 인산화에서의 과학적 사고력 생성 과정을 모식도로 나타낸 것이다. 정리하기 ❶ H 이 (가) 방향으로 이동하는 것과 (나) 방향으로 이동하는 원리를 설명해 보자. ❷ 합성 효소에 의해 가 생성되는 원리를 설명해 보자. ❸ 엽록체의 틸라코이드 막과 미토콘드리아 내막의 전자 전달계를 통한 전자의 이동은 어떻게 일 어나는지 설명해 보자. 캘빈 회로 캘빈은 클로렐라 배양액에 방사성 동위 원소로 표지된 COª를 공급하고 빛을 비춰 준 다음 일정한 시간 간격을 두고 채취한 클로렐라로부터 생성된 물질을 추출하여 차원 크 로마토그래피로 전개한 후, 로 COª의 C는 ‘3 → 선 필름에 감광시켜 그림 Ⅲ- 2 의 결과를 얻었다. 이 결과 → 탄당 인산 → 포도당’의 순으로 옮겨 간 것을 알 수 있다. 캘빈은 이 실험으로 COª로부터 포도당이 합성되기까지의 경로를 밝혀내었다. 그림Ⅲ- 20 캘빈의 실험 결과 3. 광합성 89 캘빈 회로는 탄소 고정, 환원, 의 재생의 3단계로 진행된다. ❶ 탄소 고정: C O ª 가 캘빈 회로에 투입되어 (C )와 결합하여 탄소 화합물을 형성한 다음 3 (C£) 분자로 나누어진다. COª 3분자 가 투입되면 3 ❸ 의 재생: 5분자의 배열되고 3분자의 생된 ❷ 환원: 3 (C£)가 로부터 인 산기를 받아 (C£)로 된 다음 (C£)로 환 N H에 의해 원된다. 생성된 분자의 중 1분자는 캘빈 회로 밖으로 배출되어 다른 캘빈 회로에서 온 1분 자와 결합하여 포도당(C )을 형성하 고, 나머지 5분자의 은 이어 지는 의 재생에 쓰인다. (C£)는 탄소가 재 로부터 인산기를 받는 일련 의 반응을 거쳐 3분자의 분자가 생성된다. (C )를 재생한다. 재 는 다시 탄소 고정에 쓰여 캘빈 회로를 반복한다. 그림Ⅲ- 21 캘빈 회로의 과정 캘빈 회로에서 포도당 합성에 쓰일 •3 : 3 인산글리세르산 • : 1, 3 이인산글리세르산 • : 인산글리세르알데하이드 • : 리불로스 인산 •루비스코: , 되고 9분자와 N H 1 분자가 사용된다. 1,5 / 18ATP 6CO™ 90 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 H 분자가 쓰인다. 그런데 포도당 1분자를 합성하기 위해 분자가 필요하므로 캘빈 회로에 COª 분자가 투입되고 서는 N 1분자를 생성하는 데 COª 3분자가 투입 18ADP 12NADPH + 12H± 12NADP± C§H¡™O§ + 6H™O 1 분자와 광합성과 세포 호흡의 전체 과정 비교 광합성의 명반응에서는 태양의 빛에너지가 화학 에너지로 전환되어 에 저장되고, 캘빈 회로에서는 와N 와N H H를 이용하여 COª를 환원시켜 포도당 을 만든다. 광합성과 세포 호흡에서의 에너지 전환 광합성에서는 빛에너지가 화학 에너지로 전환되어 포도당에 저장되고, 세포 호흡에 서는 포도당에 저장되어 있던 화학 에너지 세포 호흡의 해당 과정과 피루브산의 산화 및 C 회로에서는 포도당이 COª로 산 Hª의 화학 에너 화되고 포도당에 저장되어 있던 화학 에너지는 대부분 N H와 지로 전환된다. 그리고 산화적 인산화에서는 N Hª가 산화되면서 이들 물 H와 가 의 화학 에너지로 저장된다. 빛에 너지는 최종적으로 의 화학 에너지 로 전환되어 생물의 생명 활동에 쓰인다. G 의 화학 에너지로 전환된다. 질에 저장되어 있던 화학 에너지는 그림Ⅲ- 22 광합성과 세포 호흡의 전체 과정 비교 친구와 묻고 답하기 1. 미토콘드리아와 엽록체를 비교하여 공통점과 차이점을 이야기해 보자. 2. 비순환적 광인산화와 순환적 광인산화의 공통점과 차이점을 이야기해 보자. 교과서 83쪽 교과서 87쪽~88쪽 3. 캘빈 회로를 단계별로 구분하여 이야기해 보자. 교과서 90쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 3. 광합성 91 대단원 마무리 ● 미토콘드리아 기질에서 여러 가지 효소의 작용으로 피루브산의 산화 및 ❶ ● 미토콘드리아 내막은 주름 잡힌 ❷ ● 해당 과정은 세포질에서 진행되며, 포도당 1분자는 ❸ ● 피루브산은 ❹ ● ❻ H와 를 거쳐 COª로 완전히 분해된다. Hª가 공급한 전자가 ❼ 합성 효소에서 ❽ ● 젖산 발효의 경우, 해당 과정에서 생성된 N H는 ❾ ● 알코올 발효의 경우, 해당 과정에서 생성된 N 를 전해 주고 N 가 일어나 가 생성된다. 로 재생된다. 에 전자를 전해 주고 N H는 피루브산이 COª를 방출하여 생성된 ❿ 에 전자 로 재생된다. ● 엽록체의 ● 스트로마에서는 광합성의 포도당 합성에 관계하는 여러 효소에 의해 광합성의 의 막에서는 광계와 전자 전달계 및 ● 비순환적 광인산화에서는 광계Ⅱ와 광계Ⅰ이 관여하며, 물이 ● 순환적 광인산화에서는 광계Ⅰ에서 방출된 전자가 전자 전달계를 거쳐 되돌아오며, ● 캘빈 회로는 가 진행된다. 되어 전자를 공급한다. 가 생성된다. 의 재생의 3단계로 나뉘어 진행된다. ❿ 아세트알데하이드 C 알코올 틸라코이드 캘빈 회로 회로 ❷ 크리스타 ❸ 피루브산 ❹ 아세틸 C ❺ 광분해 C , 환원, 합성 효소의 작용으로 명반응이 일어난다. ❶ 탄소 고정 회로 ❻ 산화적 인산화 ❼ 전자 전달계 ❽ 화학 삼투 ❾ 피루브산 어 를 따라 이동할 때 방출되는 에너지를 발효는 술이나 빵을 만드는 데에 활용된다. ● 용 분자로 분해된다. 이용하여 H 의 농도 기울기가 형성되고, 발효 광합성 구조를 형성한다. 로 산화된 다음, ❺ 에서는 N 가 진행된다. 정답 세포 호흡 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 찾 기 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 세포 내에서 유기물을 산화시켜 를 생성하는 과정이다. 세 포 호 흡 물 질 대 사 부 패 해 T C A 회 로 미 마 산 당 질 T 고 캘 토 피 젖 화 과 P 정 빈 콘 암 루 산 적 정 광 회 5. 미토콘드리아 내막의 전자 전달계에서 전자가 이동할 때 방출하는 에너지를 이용 하여 를 합성하는 과정이다. 드 기 소 브 발 인 화 로 6. 무산소 호흡으로 생성되는 최종 산물이 인간에게 해로운 경우를 말한다. 리 알 발 응 산 효 산 올 아 효 소 화 학 삼 투 화 92 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 2. 세포 호흡의 주요 과정이 진행되는 세포 소기관이다. 3. 포도당이 피루브산으로 분해되는 과정이다. 4. 미토콘드리아의 기질에서 피루브산의 산화를 거쳐 생성된 아세틸 C 완전히 분해되는 과정이다. 7. 김치나 치즈, 요구르트를 만들 때 이용되는 발효이다. 8. 명반응 동안 틸라코이드 막에서 가 합성되는 작용이다. 9. 명반응 산물을 이용하여 COª를 환원시켜 포도당을 만드는 과정이다. 가 COª로 개념 확인하기 개념 응용하기 1 다음 ㉠~㉤의 빈칸에 알맞은 말을 각각 쓰시오. 4 다음 그림 (가), (나)는 미토콘드리아와 엽록체를 각각 나타낸 것 이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 세포 호흡의 해당 과정과 C 회로에서는 효소의 작용 에 전해져 으로 유기물 분자에 있던 인산기가 A B 가 생성되는데, 이를 ( ㄱ )라고 한다. 또, 세포 호흡에 C 서는 미토콘드리아 내막의 전자 전달계를 따라 전자가 이 D 가 생성되는데, 동할 때 방출되는 에너지를 이용하여 이를 ( ㄴ )라고 한다. 한편, 광합성에서는 광계의 도움 으로 틸라코이드 막의 전자 전달계를 따라 전자가 이동할 때 방출되는 에너지를 이용하여 E F G 가 생성되는데, 이를 ( ㄷ )라고 한다. ㄴ과 ㄷ이 일어날 때, ( ㄹ )의 작용으 로 막을 경계로 H 의 농도 기울기를 형성한 후 H 이 합성 효소를 통해 확산될 때 ( ㅁ )가 일어나 가생 (가) 미토콘드리아 (나) 엽록체 ① , 의 막에는 전자 전달계가 존재한다. ② C 회로에 관여하는 효소는 에 존재한다. ③ 캘빈 회로에 관여하는 효소는 에 존재한다. ④ 세포 호흡이 활발할 때 H 의 농도는 C보다 에서 더 높다. ⑤ 광합성이 활발히 일어날 때 H 의 농도는 보다 에서 더 높다. 성된다. 2 다음 그림은 산소 호흡과 발효의 과정을 모식도로 나타낸 것이다. 5 다음 그림은 피루브산의 산화 및 젖산 회로를 나타낸 것이다. C (단, COª의 이탈은 나타내지 않았다.) 포도당 피루브산 C 이산화 탄소, 물 C C C NADH C C 에탄올, 이산화 탄소 (1) C 의 과정을 무엇이라고 하는가? ( ) 의 과정을 무엇이라고 하는가? (3) 의 과정을 무엇이라고 하는가? ( ) C의 과정을 무엇이라고 하는가? C C C C NADH C C C C C (나) (마) C C C C (라) (5) C의 변화가 일어날 때 진행되는 과정을 모두 쓰시오. 3 다음 ㄱ, ㄴ의 빈칸에 알맞은 말을 각각 쓰시오. 피루브산 (가) FADH™ NADH C C C C C (다) C C C C NADH ATP 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 모두 고르시오. 광합성 과정은 ( ㄱ )와 ( ㄴ )의 두 단계로 구분된 보기 ㄱ. COª의 이탈은 (가), (나), (다)의 단계에서 일어난다. 다. ( ㄱ )에서는 광합성 색소가 흡수한 빛에너지를 이 ㄴ. 수소의 이탈은 (가)~(마)의 단계에서 모두 일어난다. 용해 N H와 가 생성되고, ( ㄴ )에서는 이 들 물질을 이용하여 COª를 환원시켜 포도당이 합성된다. 자기주도학습노트 ㄷ. 1분자의 피루브산이 위 과정을 거칠 때 생성되는 와N H및 Hª 분자 수의 합은 이다. 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 93 6 다음 그림은 포도당이 산소 호흡과 발효에 의해 분해되는 과정 과학적 핵심 역량 기르기 을 모식도로 나타낸 것이다.(단, 탄소를 포함하고 있는 물질만 과학적 탐구 능력 나타내었다.) 8 그림은 산화적 인산화 과정을 모식도로 나타낸 것이다. 2C£H§O£ H± (젖산) (가) C§H¡™O§ 2C£H¢O£ (포도당) (나) H± H± H± (가) (라) 6CO™ (피루브산) 2e— 2e— (다) 2e— FADH™ FAD 2C™H∞OH, 2CO™ NAD± (에탄올) 2H±+ 1 O™ 2 NADH+H± ADP+Pi 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 는 (가)와 (라)에서 생성된다. ① (나) H™O ATP 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ② 산화적 인산화는 (라)에서 일어난다. ①N ③ 산소를 필요로 하는 과정은 (라)이다. ② 최종적으로 전자를 수용하는 물질은 산소이다. ④ 탈탄산 반응은 (다)와 (라)에서 일어난다. ③ (나)에서의 ⑤ 탈수소 반응은 (가)~(라)에서 모두 일어난다. ④ (가), (나)에서 H 은 각각 삼투와 확산에 의해 이동한다. 7 다음 그림은 엽록체에서 일어나는 광인산화 과정을 모식도로 나타낸 것이다. P 680 H™O 2e— 2e— ATP 2e— 빛 ATP 광계 II 2e— 순환적 광인산화 비순환적 광인산화 전자 수용체 2e— 2e— 합성 방식을 화학 삼투라고 한다. P 700 되거나 회로에서 방출되는 물질은 그림에 나타내지 않았다.) 6 NADPH+H± P 3PG (가) (라) 3 P 2H± NADP± 광계 I P 6 P DPG P RuBP (나) (다) 1 2 O™+2H± P 5 PGAL 6 1 번호 구 분 순환적 광인산화 ① 관여하는 광계 광계Ⅰ ② 최초 전자 공여체 ③ Oª 발생 ④ 비순환적 광인산화 광계Ⅰ과 광계Ⅱ HªO 발생하지 않음 발생함 생성 생성됨 생성됨 H 생성 생성하지 않음 생성됨 자기주도학습노트 P PGAL 포도당 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 모두 고르시오. 보기 ㄱ. 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 94 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 P PGAL 또 다른 PGAL 않은 것은? N 가 생성된다. 과학적 사고력 순환적 광인산화와 비순환적 광인산화에 대한 설명으로 옳지 ⑤ H로부터 더 많은 Hª보다 N 9 그림은 캘빈 회로를 모식도로 나타낸 것이다. (단, 회로에 투입 전자 수용체 빛 ⑤ Hª는 산화되며 전자를 공급한다. H와 ㄴ. 3 가 쓰이는 단계는 (가), (다)이다. 보다 이 더 많은 에너지를 가지고 있다. ㄷ. COª를 주입했을 때 가장 먼저 C로 표지되는 물질은 이다. 과학 글쓰기 인공 광합성 다음은 글을 읽고 물음에 답하시오. (가) 석유와 같은 화석 연료가 점차 고갈되어 가고 지구 온난화 문제가 전 세계적인 문제로 떠오르면서 태양 에너지가 주목받고 있다. 태양 에너지를 이용하는 방법 중 태양 전지나 태양열 발전은 이미 상용화되었지만, 이는 지역과 날 씨의 영향을 받는다는 점과 이동하는 자동차에 사용하기에는 경제성 및 효율성이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하는 대안으로 제시되고 있는 것이 인공 광합성이다. (나) 인공 광합성은 식물의 잎에서 일어나는 광합성을 흉내 낸 방법이다. 식물의 잎에서는 먼저 빛에너지를 받은 광계의 작용으로 물(HªO)이 산소( Oª)와 양성자( H ) 및 전자( )로 광분해되고, 이 과정에서 생성된 양성자와 전자 를 이용하여 전자 전달계와 여러 효소의 작용으로 이산화 탄소를 환원시켜 포도당을 생성한다. 인공 광합성에서도 이와 유사한 원리가 적용되는데, 광촉매를 포함한 인공 광계의 작용으로 물이 산소와 양성자 및 전자로 분해되고, 이 과정에서 생성된 양성자와 전자가 이산화 탄소를 환원시켜 메탄올과 같은 유기물을 생성한다. 메탄올은 기존 자 동차 연료 주입 장치를 약간만 수정하면 자동차 연료로 사용할 수도 있고, 또 다른 유기 화합물들을 만드는 초기 원료로도 이용될 수 있는 장점이 있다. 인공 광합성 장치 태양광 산소 (O™) 태양광 나노 수송관 6H± 물 (H™O) 산화 반응 양성자 양성자 양성자 전자 전자 전자 환원 반응 6e— 이산화 탄소 (CO™) 메탄올 (CH£OH) 1 2 과학적 탐구 능력 태양 에너지를 활용한 발전 방식은 기존의 화력, 원자력, 수력에 비해 어떤 장점이 있는지 토의해 보자. 과학적 의사소통 능력 태양 에너지 활용 방법으로는 어떤 것이 있으며, (나)처럼 메탄올을 생산하는 인공 광합성은 다른 태양 에너지 활용 방법과 비 교했을 때 어떤 장점이 있는지 설명해 보자. 대단원 마무리 95 중학 과학 통합과학 생식, 염색체, 체세포 분열, 생식 세포 분열, 동물의 생명 과학Ⅰ 유전자( N ), 단백질 N 와 유전자 및 염색체, 유전적 다양성, 사람의 발생, 멘델 유전 원리, 가계도 유전, 염색체 이상과 유전자 이상 생식과 유전 배 운 내 용 확 인 하 기 ● ❶ 생명 시스템 은 유전 실험을 통해 ❷ 의 법칙, 우 ● 열의 법칙, 분리의 법칙을 주장하였다. ● 생물의 발생 초기에서 수정란이 연속적으로 빠르게 일어나는 세포 분열 과정을 ❸ 이라고 한다. N 의 ❹ 유전 서열에 따라 특정한 ❺ ● ● 유전 물질인 ❻ 지되어진다. 생물의 형질은 ❼ 에 저장된 정보가 발현되 어 나타난다. 이 정해진다. 을 통해 생명의 연속성이 유 ● 유전자는 N 의 한 부분으로 ❽ 상에 존 재하며, 한 생물이 가지고 있는 유전 정보의 집합 체를 ❾ 라고 한다. 유전자의 발현과 조절 이 단원에서는 생명 정보를 저장하는 N 의 특성과 복제 과정, 생명 정보의 전사와 번 역으로 이어지는 생명 정보의 흐름을 알아본다. 또한, 유전자의 발현과 조절 과정을 이해하고, 특정 유전자의 발현이 초기 발생 과정에 영향을 줄 수 있 다는 것을 연계하여 이해한다. 생명 과학Ⅱ 유전체 구성, 유전자 구조, 반보존적 N 복 제, 유전자 발현과 조절, 발생의 유전적 조절 유전자의 발현과 조절 답 ❶ 멘델 ❷ 독립 ❸ 난할 ❹ 염기 ❺ 단백질 ❻ ❼ N ❽ 염색체 ❾ 유전체 N 1 유전체의 구성과 유전자의 구조 2 N 의 반보존적 복제 3 유전부호와 유전자의 발현 4 유전자 발현의 조절 5 발생의 유전적 조절 우리는 모두 하나의 수정란에서 비롯되어 약 60조에 달하는 세포 생 각 열 기 로 이루어진 몸체를 가진다. 수정란에서부터 세포 분열이 이루어지 는 동안 우리 몸의 각 세포는 46개의 동일한 수의 염색체를 물려받 는다. 그런데 우리 몸을 구성하는 세포는 동일한 염색체, 즉 유전자 를 가지고 있지만 각각의 세포는 그 구조와 기능이 매우 다양하다. 동일한 N 를 가진 다양한 세포들 동일한 DNA를 가진 세포들이 이렇게 모양과 기능이 달라지는 까닭은 무엇일까? 이것은 개체의 발생과 발달 시기에 따라 각 세 포에서 발현되는 유전자의 종류와 발현 정도가 서로 다르기 때문 이다. 예를 들어 눈에 있는 세포는 빛을 흡수할 수 있는 빛 수용체 를 형성하는 유전자가 발현되고, 머리카락을 형성하는 모근 세포 에서는 케라틴을 형성하는 유전자가 주로 발현된다. 우리 몸을 구성하는 세포 중 손톱을 형성하는 세포와 소화 효소를 생성하는 세포의 유전자 발현은 어떻게 다를까? 98 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 1 학습 목표 유전체의 구성과 유전자의 구조 • 원핵세포와 진핵세포의 유전체 구성과 유전자 구조를 이해하고 차이를 비교할 수 있다. 하나의 생명체에는 얼마나 많은 DNA가 있을까? 보통 복잡한 생명체일수록 유전 정보의 양도 더 많다고 생각한다. 그러나 우리가 매우 단순하다고 생각하는 아메바의 한 종인 Amoeba dubia의 유전체는 약 6,700억 염기쌍으로 이루어져 있어 약 32억 염기쌍으로 이루어진 사람의 유전체보다 200배 이상 더 크다. 그렇다면 생물의 복잡성은 (_75) 유전체의 양보다 유전체의 구성과 더 관련성이 있는 것은 아닐까? 핵심 용어 DNA가 유전 물질이라는 증거 유전체 유전자 유전 물질 샤가프의 법칙 이중 나선 20세기 초에 생명 과학자들에게 유전 물질이 어떤 것인지 밝히는 일은 중요한 과제 중 의 하나였다. 당시 과학자들은 염색체의 주성분인 DNA나 단백질 중 어느 하나가 유전 유전 물질의 특성 생명 활동에 필요한 정보를 저장하고, 세 물질일 것이라고 생각하였고, 그중 단백질이 유전 물질일 가능성이 더 많다고 생각하였 포 분열 동안 복제되어 다음 세대로 전달 된다. 또한, 돌연변이가 일어나 유전적 변 다. 그 이유는 단백질이 DNA보다 구조도 복잡하고 기능도 매우 다양했기 때문이다. 탐구 활동 이를 제공하는 특성이 있다. 조사•토의 DNA가 유전 물질임을 증명한 실험 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 모둠별로 DNA가 유전 물질임을 증명하는 실험을 조사하고 실험 과정을 토의해 보자. 과학자들은 유전 물질이 무엇인지 알아내기 위해 많은 연구와 실험을 하였으며, 다음과 같은 실험을 통해 유전 물질이 무엇인지 밝혀내었다. 에이버리의 실험(1944년) 그리피스의 실험(1928년) 허시와 체이스의 실험(1952년) 정리하기 ❶ 그리피스(Griffith, F., 1879~1941)의 실험에서 DNA가 유전 물질이라는 증거를 보여 주었는가? ❷ DNA가 유전 물질임을 최초로 보여 준 실험은 어느 것인가? ❸ 사고력 키우기 에이버리의 실험과 허시(Hershey, A. D., 1908~1997)와 체이스(Chase, M., 1927~2003)의 실험의 차이점이 무엇인지 토의해 보자. 스스로 평가하기 조사 활동에 적극적으로 참여하였는가? DNA가 유전 물질이라는 증거를 설명할 수 있는가? 1. 유전체의 구성과 유전자의 구조 99 A=T DNA의 이중 나선 구조 DNA가 유전 물질임이 밝혀진 후, 과학자들은 DNA가 어떻게 유전 물질의 역할을 하 아데닌 G=C 는지 알기 위해 DNA 분자 구조를 밝히는 데 많은 노력을 기울였다. 타이민 샤가프의 법칙 1950년대에 샤가프(Chargaff, E., 1905~2002)는 같은 생물종에서 는 DNA에 들어 있는 뉴클레오타이드의 양이 일정하며, 나아가 아데닌(A)은 항상 타이 구아닌 민(T)과 비율이 같고 구아닌(G)은 항상 사이토신(C)과 비율이 같다는 사실을 발견하였다. 사이토신 그림Ⅳ- 1 샤가프의 법칙 이것을 샤가프의 법칙이라고 한다. DNA의 X선 회절 사진 1952년에 영국의 윌킨스(Wilkins, M. H. F., 1916~2004) 와 프랭클린(Franklin, R. E., 1920~1958)은 X선 회절 사진을 보고 DNA가 나선 구 조이며, 어떤 특정 구조가 반복되고 있다는 것을 확인하였다. 왓슨과 크릭의 DNA 이중 나선 구조 1953년에 왓슨 과 크릭은 샤가프의 법칙과 DNA의 X선 회절 사진을 토대 로 DNA의 입체 구조를 밝혀냈다. 이들이 밝힌 DNA의 분 자 구조는 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬이 서로 마주 보며 꼬여 있는 이중 나선 구조로, DNA의 분자 구조에서 그림Ⅳ- 2 DNA 모형 앞에서의 왓슨 과 크릭 바깥쪽에는 당-인산의 뼈대가 있고 안쪽으로는 염기가 쌍을 2 nm 5' 말단 3' 말단 O— 5′와 3′는 뉴클레오타이드의 당에 있는 탄 소 번호로, 5′ 탄소에는 인산기가, 3′ 탄소 에는 수산기가 결합되어 있다. DNA 가 T A C G S G C P S P P S S G S S P S S T P P A C G S A S C P S C T A S P P S P P S C G S 아데닌 O 타이민 H™C O— O P O O H P O— P O N N_H…N N O O P O CH™ S CH£ O…H O— H N H N 0.34 nm O P O H O N O H N H N N O N N O O— H™C O P O O H 사이토신 구아닌 O O P O CH™ P O— H™C 아데닌 H H O O O 타이민 O— S P O 3' OH 3' 말단 그림Ⅳ- 4 왓슨과 크릭의 DNA 이중 나선 구조 100 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 3' N O O P O CH™ P G T G S S S OH CH£ N…H_N S O C S P 3.4 nm S H…O N O H N H O N N H N H N H 구아닌 H H N H N N O 사이토신 O 5' H™C O— O P O 5' 말단 O 5'에서 3' 방향 G S P P A P 5' H P C P S P T S S S G C O— 5'에서 3' 방향 닥의 방향성을 표시할 때 사용한다. O P O CH™ P S P S P S 5′ 말단과 3′ 말단 그림Ⅳ- 3 프랭클린이 얻은 DNA 회절 사진 이루며, A와 T, G와 C 사이에 각각 2 중 및 3 중 수소 결합이 형성되어 염기쌍이 만들 어진 구조였다. 이와 같이 각 염기가 항상 정해진 염기와 짝을 이루어 결합하는 것을 상보적 결합이라 고 하며, 상보적 결합을 하기 때문에 DNA를 구성하는 한쪽 사슬의 염기 서열을 알면 다른 한쪽 사슬의 염기 서열도 알 수 있다. 원핵생물과 진핵생물의 유전체와 유전자 한 생물을 구성하는 유전체는 수많은 유전자를 포함하는데, 대부분의 유전자는 일반적 으로 단백질을 암호화하는 유전자이다. 하지만 tRNA나 rRNA에서 보듯이 최종 산물 유전체 한 개체의 유전 정보가 저장되어 있는 DNA 전체이다. 이 단백질이 아닌 RNA인 유전자도 많이 있다. 유전체 세포 염색체 질 단백 화 암호 자 유전 RNA 암호화 유전자 tRNA rRNA 단백질 단백질 단백질 그림Ⅳ- 5 단백질 및 RNA를 각각 최종 산물로 암호화하는 유전자 유전체에 대한 초기 연구는 DNA의 염기 서열을 밝히는 데 집중되었다. 1995년에 헤 모필루스 인플루엔자균의 유전체 염기 서열이 최초로 밝혀진 후 지금까지 사람, 벼, 초 파리를 비롯하여 수천의 생물 유전체 염기 서열이 밝혀졌다. 생물 정보학 생물학과 정보학의 융합 학문으로, DNA 염기 서열과 같은 수많은 생물 정보의 해 석과 분석법을 연구하는 학문 분야이다. 수많은 생물의 유전체 연구를 통해 원핵생물과 진핵생물 유전체의 구조와 기능에 대해 많은 것이 밝혀졌다. 또한, 사람 유전체 사업을 비롯한 생물의 유전체 사업으로부터 얻 은 수십 개에서 수백 억 개의 염기 서열과 유전자 및 발현 정보, 단백질 구조 정보를 연 구하는 생물 정보학이라는 새로운 학문이 생겨났다. 1. 유전체의 구성과 유전자의 구조 101 원핵생물의 유전체와 유전자 원핵생물의 유전체는 DNA가 히스톤 단백질과 결합 하여 복잡한 구조를 형성하는 진핵생물과는 달리 주로 원형의 DNA 한 분자로 구성되 어 있으며 크기도 비교적 작다. 따라서 진핵세포의 세포 주기에서 나타나는 중기 염색체 의 모습은 볼 수 없다. 유전체를 구성하는 DNA에서 유전자는 매우 촘촘하게 존재하고 있어 85 % 이상이 단백질과 RNA를 형성하는 유전자이다. 원핵생물의 유전자는 진핵생물의 유전자와는 달리 비암호화 부위인 인트론이 없다. 다만 고세균은 예외적으로 tRNA와 rRNA를 생 플라스미드 세균의 세포 내 염색체와는 별도로 존재 하면서 독자적으로 증식할 수 있는 원형의 DNA 분자이다. 유전자 재조합의 벡터 로 많이 이용되며, 보통 항생제 저항성 유 전자라든지 독성에 대한 무독화 유전자가 성하는 유전자에 인트론이 있다. 또한, 원핵생물은 주된 염색체 외에 플라스미드라고 하 는 작은 원형의 DNA가 있다. 원핵세포에서는 하나의 발현 조절 기구로 여러 유전자의 전사가 한꺼번에 조절되는 경 있다. 우가 많다. 이와 같은 유전자 발현 조절 단위를 오페론이라고 한다. (가) (나) 유전자 A 유전자 B 유전자 C mRNA A B C DNA DNA 전사 조절 부위 mRNA 5' 3' 리보솜 번역 5' 합성 중인 폴리펩타이드 사슬 단백질 A 단백질 B 단백질 C 그림Ⅳ- 6 원핵세포의 유전체와 그 발현(가) 및 유전자의 구조(나) 자료실 생물 간의 유전체 유사성은 얼마나 될까? 생물 간의 유전체 유사성은 유연관계와 진 선충 21 % 화 관계를 밝히는 데 매우 중요한 자료로 사용 99.5 % 96 % 침팬지 된다. 사람 간에는 유전체가 99.9 % 동일하다. 그렇다면 사람과 다른 생물 간의 유전체의 유 사성은 어떻게 될까? 사람과 바나나 간의 유전 체 유사성은 50 % 정도이며 사람과 가장 비슷 50 % 90 % 바나나 사람 75 % 60 % 60 % 하다는 침팬지의 경우 약 96 %의 유사성을 가 진다. 생쥐 초파리 출처: National Human Genome Research Institute(미국 사람 유전체 연구소) 102 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 닭 고양이 진핵생물의 유전체와 유전자 진핵생물의 유전체는 원핵생물의 유전체보다 크고 단백질을 암호화하는 유전자의 수가 많다. 진핵생물에 유전자 수가 많은 이유는 특수화 된 단백질을 요구하는 다양한 종류의 세포가 존재하기 때문이다. 예를 들면 가장 간단 한 원핵생물인 마이코플라스마균은 약 500개의 단백질을 암호화하는 유전자를 가지는 데, 사람은 약 20,000개, 벼는 약 37,500개의 단백질을 암호화하는 유전자를 가진다. 스스로 정리 하기 진핵생물이 원핵생물에 비해 훨씬 큰 유전체를 가지지만 일정한 길이의 DNA당 유전 자 수인 유전자 밀도는 낮은데, 이는 진핵생물이 원핵생물보다 DNA의 비암호화 부분 •진핵생물의 유전체와 원핵생물의 유전체의 차이점: 이 훨씬 많기 때문이다. 진핵생물 유전체의 대부분은 비암호화 DNA 부분이며, 비암호 화 DNA의 대부분은 인트론으로 존재한다. 원핵세포에서와 마찬가지로 진핵세포에서도 50 % 정도의 유전자는 세포당 한 개씩만 존재하지만, 나머지 50 % 정도의 유전자는 동일한 유전자나 유사한 유전자가 여러 개로 존재한다. 진핵생물의 유전체는 원핵생물의 유전체보다 유전체 발현에 필요한 조절 단백질이 더 많다. 이는 진핵생물의 유전체가 복잡하여 더 많은 조절이 필요하기 때문이다. 진핵세포 에서는 원핵세포에서 발견되는 오페론 구조가 없기 때문에 모든 유전자의 발현이 각각 독립적으로 조절된다. (가) (나) 유전자 A 조절 부위 엑손 엑손 인트론 인트론 인트론 핵 3' 5' 엑손 DNA DNA 5' 엑손 mRNA 3' A 5' 3' mRNA 세포질로 mRNA 이동 세포질 3' 5' 단백질 A 번역 합성 중인 폴리펩타이드 사슬 엑손과 인트론의 차이점은 무엇일까? 그림Ⅳ- 7 진핵세포의 유전체 발현(가) 및 유전자의 구조(나) 1. 유전체의 구성과 유전자의 구조 103 다음 활동에서 바나나로부터 직접 DNA를 분리하여 관찰해 보자. 탐구 활동 실험 바나나에서 DNA 추출하여 관찰하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 바나나의 DNA를 분리하여 그 결과를 관찰하고 관찰지에 그려 보자. 준비물 바나나, 주방용 세제, 콘택트렌즈 세척 액, 증류수, 소금(NaCl), 에탄올, 막자 와 막자사발, 구멍이 작은 주방용 체, 비커, 유리 막대, 나무젓가락 과정 1. 증류수 150 mL에 소금 2 g과 세제 7 mL를 넣고, 잘 섞어서 소금 - 세제액을 만든다. 2. 약 50 g의 바나나를 막자사발에 넣고 막자로 곱게 간다. 3. 바나나가 들어 있는 소금 - 세제액 100 mL와 콘택트렌즈 세척액 10여 방울을 막자사발 유의점 • 막자와 막자사발 대신 지퍼 백을 사 용할 수도 있다. 에 넣고 조심스럽게 간 후, 구멍이 작은 체로 찌꺼기를 제거하여 바나나 추출액을 만든다. 4. 바나나 추출액을 적당량 비커에 담은 후, 유리 막대를 비커 벽에 대고 추출액 부피의 2배에 해당하는 차가운 에탄올을 조심스럽게 붓는다. 5. 비커를 원을 그리듯이 흔들면 윗부분의 에탄올 층에 흰 실 모양의 물질이 생기는데, 이 것을 나무젓가락으로 감아올린다. 2 3 4 5 3 정리하기 ❶ 주방용 세제를 첨가한 이유는 무엇인가? ❷ 에탄올 층에 생긴 흰 실 모양의 물질은 무엇인가? 스스로 평가하기 실험에 적극적으로 참여하였는가? 바나나 DNA를 잘 추출하였는가? 추출한 DNA의 관찰 내용을 구체적으로 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. DNA가 유전 물질임을 증명하는 에이버리의 실험 과정을 이야기해 보자. 교과서 99쪽 교과서 100쪽 2. DNA의 이중 나선 구조가 어떻게 되어 있는지 이야기해 보자. 교과서 101쪽~103쪽 3. 원핵생물 유전체와 진핵생물 유전체의 차이점을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 104 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 2 학습 목표 DNA의 반보존적 복제 • DNA의 반보존적 복제 과정을 설명할 수 있다. • 모형을 이용하여 DNA 복제 과정을 모의 실험할 수 있다. 희수나뭇과 식물의 껍질에는 ‘캠토테신’이라는 물질이 들어 있는데, 이를 추출하여 항암제 로 사용한다. 세포가 생존하기 위해서는 DNA의 정확한 복제가 필요하다. 캠토테신은 암세 포에 작용하여 DNA의 복제를 억제함으로써 항암 효과를 보인다. 세포 내에서 DNA 복제는 어떻게 일어날까? DNA의 반보존적 복제 핵심 용어 세포나 생명체가 증식할 때는 완전한 유전 정보가 한 세대에서 다음 세대로 전달되어 야 한다. 이를 위해서는 유전 정보를 포함하는 DNA가 정확히 복제되어야 한다. DNA 반보존적 복제 분산적 복제 선도 가닥 보존적 복제 지연 가닥 DNA 중합 효소 는 어떻게 복제되는 것일까? 왓슨과 크릭은 DNA 이중 나선 구조 모형을 토대로 이중 나선을 이루고 있던 DNA 의 두 가닥이 분리된 다음, 각각의 분리된 가닥을 주형으로 새로운 DNA 가닥을 만 들어 DNA가 복제될 것이라고 주장하였다. 즉, DNA 복제를 통해 새롭게 생성된 상보적인 염기쌍 규칙이 무엇일까? 2개의 새로운 DNA는 원래부터 있던 가닥 중 하나와, 새롭게 형성된 하나의 가닥을 각 각 갖는다는 것으로, 이러한 DNA 복제를 반보존적 복제라고 한다. DNA가 반보존적 복제를 하기 때문에 이중 나선 중 한 가닥의 염기 서열만 안다면 A는 T와, G는 C와 쌍 을 이루는 상보적인 염기쌍 규칙을 적용하여 다른 쪽의 염기 서열을 쉽게 알 수 있다. 보존적 복제 반보존적 복제 분산적 복제 그림Ⅳ- 8 DNA 복제 방식에 대한 3가지 모델 2. DNA의 반보존적 복제 105 DNA의 이중 나선 구조가 밝혀진 후, 과학자들은 이중 나선이 풀어지면서 반보존적 복제가 일어날 것이라고 유추하였지만 복제되는 방법을 바로 실험으로 증명하지는 못하 였다. 그러다가 1958년에 메셀슨(Meselson, M. S., 1930~ )과 스탈(Stahl, F. S., 1929~ )의 실험으로 DNA가 반보존적으로 복제된다는 것이 입증되었다. 탐구 활동 자료 해석 DNA의 반보존적 복제 증명 실험 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 DNA의 반보존적 복제 증명 실험을 조사하고 반보전적 복제 과정에 대해 설명해 보자. 메셀슨과 스탈은 14N의 동위 원소 15N이 포함된 배지에서 대장균을 배양하여 DNA가 모 두 15N으로 표지된 대장균을 얻었다. 이 대장균을 14N이 포함된 배지로 옮겨 배양하여 새 로 합성된 DNA 분자에 가벼운 14N이 들어가게 하여 여러 세대 배양하면서 각 세대의 대 장균에서 DNA를 추출하여 원심 분리기로 분리하였다. 그 결과 다음과 같이 각 세대별로 DNA가 원심관에 다르게 분리되어 나타났다. 정리하기 ❶ 대장균을 15N 배지에서 14N 배지로 옮겨서 배양한 까닭은 무엇인가? ❷ 원심관 내에서 P세대와 G1, G2의 DNA 위치가 다른 까닭은 무엇인가? ❸ 이 실험 결과를 바탕으로 DNA의 반보존적 복제를 설명해 보자. 스스로 평가하기 자신의 역할을 충실히 수행하였는가? 106 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 동위원소를 사용하는 까닭을 설명할 수 있는가? DNA의 복제 방법을 설명할 수 있는가? DNA 복제 과정 DNA가 복제되기 위해서는 이중 나선을 구성하고 있는 두 가닥 사이의 수소 결합이 끊 어지면서 나선이 풀어져야 한다. 이 과정은 복제가 시작되는 지점인 복제 원점에 헬리케 이스라는 효소가 부착하여 일어난다. 이중 나선 구조가 풀어지기 시작하면 DNA의 한 부 헬리케이스 DNA 이중 나선을 단일 가닥으로 풀어 주는 효소이다. 분이 Y자형으로 되는데, 이 갈라진 부위를 복제 분기점이라고 한다. DNA 중합 효소는 뉴클레오타이드의 3′ 말단에 뉴클레오타이드를 첨가하는 방식으로 새로운 DNA 가닥을 합성하기 때문에 DNA를 합성하기 위해서는 미리 만들어진 짧 은 RNA 조각이 필요하다. 이 RNA 조각을 프라이머라고 한다. DNA 중합 효소는 이 DNA 중합 효소 주형 DNA 가닥을 따라 DNA 뉴클레오 타이드의 중합을 촉매하여 DNA를 복제 하는 효소이다. RNA 프라이머의 3′ 말단에 주형 DNA 가닥에 상보적인 새로운 DNA 뉴클레오타이 드를 하나씩 첨가하는 방식으로 DNA를 합성한다. 이처럼 새로 만들어지는 DNA 가닥이 3′ 말단에 새로운 뉴클레오타이드를 첨가하는 방식으로 이루어지기 때문에 DNA 복제는 5′ → 3′ 방향으로만 일어나게 된다. 그런데 DNA 가닥이 복제 원점을 중심으로 지퍼처럼 열리기 때문에 새로 생기는 가닥 중 한 가 닥에서는 복제 분기점을 향하여 5′→ 3′ 방향으로 연속적으로 합성되나 다른 가닥에서는 스스로 정리 하기 연속적으로 합성될 수 없다. 즉, 반대쪽 가닥에서는 DNA 이중 나선의 두 가닥이 조금씩 풀릴 때마다 복제 분기점 •복제 분기점 : 에서부터 새로운 짧은 DNA 가닥이 만들어지며, 이 가닥은 DNA 연결 효소에 의해 연 •프라이머 : 결된다. 자료실 DNA는 얼마나 빠르게 복제될까? 사람의 세포 하나에는 약 64억 쌍의 뉴클레오타이드로 이루어 진 유전체가 있으며, 세포마다 다르지만 분열시 약 24시간이 소 요된다. 그렇다면 64억 개의 염기쌍이 복제되려면 얼마나 빠르게 DNA가 복제되어야 할까? 사람을 포함한 진핵세포는 초당 약 50개의 염기쌍을 복제한다. 반면, 대장균과 같은 원핵세포는 초당 약 1,000개의 염기쌍을 복제 한다. 사람의 염색체 중 가장 긴 1번 염색체는 약 2억 5천만 염기쌍을 가지는데, 이것이 초당 50개의 염기쌍의 속도로 복제된다면 모두 복제되는 데 무려 57일이 소요될 것이다. 하지만 실제로는 몇 시간 진핵세포의 복제 원점 (화살표) 밖에 걸리지 않는다. 세포는 이러한 문제를 어떻게 해결하는 걸까? 바로 수많은 지점에서 동시에 복제를 시작하며 동시에 양방향으로 진행되기 때문에 가능하다. 사람의 경우 약 10,000개의 복제 원점 이 존재하므로 몇 시간 안에 DNA를 복제할 수 있다. 2. DNA의 반보존적 복제 107 주형 DNA를 따라 연속적으로 합성되는 DNA 가닥을 선도 가닥이라고 하며, 새로 운 짧은 절편을 연결하는 방식으로 비연속적으로 합성되는 DNA 가닥을 지연 가닥이라 고 한다. 지연 가닥의 경우 새로 합성되는 짧은 DNA 가닥이 복제된 인접한 DNA 지 연 가닥에 DNA 연결 효소에 의해서 순차적으로 연결되어 완성된다. 그림 Ⅳ- 9 는 DNA의 반보존적 복제 과정을 보여 준다. 그림에서 짙은 청색 가닥 이것이 궁금해요 복제 원점과 복제 분기점은 어떻게 다른 가요? 은 주형 가닥(주형 DNA의 당-인산 골격)이다. 복제 후 새로 만들어진 2개의 새로운 DNA 분자는 새로운 가닥 하나와 주형 DNA의 한 가닥을 갖는다. 새로운 DNA 이중 나선은 주형 DNA 이중 나선이 원래 가지고 있던 것과 동일한 염기 서열을 갖는다. 복제 원점 선도 가닥 지연 가닥 선도 가닥 주형 지연 가닥 선도 가닥 전체적인 복제 방향 선도 가닥 ❸ 선도 가닥은 DNA 중합 효소에 의해 5 ′→3 ′ 방향으로 연속적으로 합성된다. DNA 중합 효소 ❷ 풀어진 각 사슬에는 복제가 시작되는 부위가 있어 그곳에 DNA 중합 효소가 붙는다. 5' ❶ 헬리케이스에 의해 꼬여 있던 DNA 이중 나선이 풀어진다. DNA 의 두 사슬은 염기와 염기 사이의 수소 결합이 끊어져 3' 마치 지퍼가 열리듯이 풀어진다. 3' 5' ❹ RNA 프라이머가 합성된다. 주형 DNA ❺ 지연 가닥은 비연속적으로 합성된다. RNA 프라이머가 주형 DNA 가닥과 결합하면 DNA 중합 효소에 의해 짧은 DNA RNA 프라이머 가닥이 합성된다. 5' ❻ DNA 연결 효소에 의해 이미 만들어진 DNA 가닥과 연결된다. 3' 5' 지연 가닥 주형 DNA 중합 효소 지연 가닥 그림Ⅳ- 9 DNA의 반보존적 복제 과정 108 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 DNA 연결 효소 다음 활동에서 DNA의 반보존적 복제가 어떻게 진행되는지 알아보자. 탐구 활동 모의 실험 DNA 복제 모의 실험하기 과학적 탐구 능력 4가지 색깔의 클립을 이용하여 DNA의 반보존적 복제 과정을 설명해 보자. 과학적 사고력 준비물 파란색 클립, 노란색 클립, 빨간색 클 과정 립, 녹색 클립 1. 컬러 클립을 이용하여 다음과 같은 12개 염기 서열을 포함하도록 클립을 색깔별로 잘 맞 추어 연결한다.(단, 노란색 클립은 타이민(T), 파란색 클립은 아데닌(A), 빨간색 클립은 구아닌(G), 녹색 클립은 사이토신(C) 뉴클레오타이드를 각각 나타낸다.) 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 -10-11-12 1 5′ A - T - G - G - T - G - C - A - C - C - A - T 3′ 3′ T - A - C - C - A - C - G - T - G - G - T - A 5′ 2. 두 가닥의 사슬을 Y자 모양으로 벌린다. 3. 낱개의 클립을 사용하여 기존의 가닥에 염기가 상보적이 되도록 클립을 붙여 새로운 가 닥을 형성한다. 2 3 결과 및 정리하기 ❶ 만들어진 새로운 두 가닥을 비교하고 같은지, 서로 다른지 말해 보자. 유의점 ❷ 지연 가닥과 선도 가닥이 생성되는 까닭을 DNA의 복제 방향과 연관지어 설명해 보자. • 클립을 일정한 방향으로 연결한다. ❸ 탐구력 키우기 DNA 복제 과정에서 돌연변이가 어떻게 일어날 수 있는지 설명해 보자. 스스로 평가하기 클립의 방향을 일정하게 잘 맞추었는가? 모형을 이용하여 DNA의 반보존적 복제 과정을 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. DNA의 복제가 정확히 이루어질 수 있는 원리를 이야기해 보자. 2. 선도 가닥과 지연 가닥이 생기는 까닭을 이야기해 보자. 교과서 105쪽~106쪽 교과서 108쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 2. DNA의 반보존적 복제 109 읽기 자료 과학과 생활 사람들은 예로부터 불로장생을 꿈꿔 왔다. 그러나 다른 생명체와 마찬가지로 사람도 나이가 들면 세포와 조직이 손상되고, 몸의 기능이 저하하는 등 노화가 나타난 텔 로 미 어 와 노 화 다. 현재까지 밝혀진 노화의 원인은 여러 가지가 있는데, 그중 하나가 텔로미어의 길이 변화로 일어나는 노화설이다. 사람의 염색체 말단에는 약 8,000쌍~12,000쌍 정도의 염기로 이루어진 텔로미어 (telomere)라는 부분이 있는데, 이 부위에는 5′-TTAGGG-3′라는 염기 서열이 반 복적으로 나타난다. 사람의 DNA와 같은 선형 DNA가 복제될 때에는 마지막 프라이 머의 결합 자리만큼 말단의 일부가 복제되지 못해 세포 분열이 반복될수록 DNA의 길 이가 점점 짧아진다. 따라서 만약 DNA의 끝부분에 중요한 유전자가 있을 경우 복제 과정에서 유전자가 유실될 가능성이 있는데, 염색체 말단에 있는 텔로미어가 중요한 유전자의 유실을 막아 주는 역할을 한다. 세포 분열이 반복됨에 따라 텔로미어는 점점 짧아지고, 텔로미어의 길이가 어느 정도 짧아지면 세포는 분열을 멈추고 죽는다. 생식세포가 만들어질 때에는 새로 만들어지는 DNA의 텔로미어가 원래의 길이로 복원되어야 하는데, 이때 텔로미어의 합성을 촉매 하는 효소가 텔로머레이스이다. 암세포의 경우 텔로머레이스의 활성이 매우 높아서 세포가 분열할 때마다 텔로미어가 원래의 길이로 복원된다. 암세포는 세포 분열 횟수의 제한 없이 거의 반영구적인 수명을 갖는다. 많은 과학자들은 텔로머레이스의 활성을 억제함으로써 암을 억제하는 항암제 연 구와 텔로머레이스 유전자를 이용하여 노화와 관련된 질병뿐만 아니라 근위축증, 뇌질 환 등의 질병 치료 방법을 연구하고 있다. 텔로미어 텔로머레이스가 없을 때 염색체 텔로미어 텔로머레이스가 있을 때 텔로머레이스의 작용 생각해 보기 110 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 노화 방지를 위해 텔로머레이스를 어떻게 이용할 수 있는지 조사하여 토의해 보자. 3 학습 목표 유전부호와 유전자의 발현 • 유전부호를 이해하고 코돈표를 사용하여 유전 정보를 해독할 수 있다. • 전사와 번역 과정을 거쳐 유전자가 발현됨을 이해할 수 있다. • 모형을 이용하여 유전자 발현 과정을 설명할 수 있다. 여름철 산이나 들에 갔다가 독버섯을 식용 버섯으로 알고 먹은 후 심하게 앓거나 심지어 사망에 이르렀다는 뉴스를 접하곤 한다. 실제로 식용 버섯과 매우 비슷하게 생긴 알광대 버섯은 버섯 하나가 성인 한 명을 죽일 수 있는 치명적인 독을 가지고 있다. 알광대버섯이 우리 몸속에서 어떤 작용을 하기에 이처럼 치명적인 것일까? 알광대버섯 DNA로부터 단백질이 생성되기까지의 유전 정보의 흐름 핵심 용어 한 개체가 가지는 유전자형은 DNA에 포함되어 있는 유전 정보를 말하며, 표현형은 유전 정보로부터 발현된 독특한 특성을 말한다. 개체의 유전적 특성은 유전자에 의해 특 유전부호 전사 1유전자 1효소설 발현 번역 정 단백질이 합성됨으로써 결정된다. 즉, 다양한 유전자에 의해 합성된 각각의 단백질이 세포 내에서 특정 기능을 함으로써 다양한 표현형이 나타난다. 유전자로부터 어떻게 단백질이 합성되는 걸까? DNA가 RNA를 통해 유전 정보를 전달함으로써 세포질에서 단백질 합성이 일어난다. 즉, DNA의 유전 정보가 전달되는 과정은 DNA → RNA → 단백질 순서로 이루어지는데, 이것을 유전 정보의 중심 원리 라고 한다. 복제 DNA 전사 핵 RNA 세포질 리보솜 RNA 번역 폴리펩타이드 진핵세포와 원핵세포 에서 전사와 번역이 일어나는 장소는 어떻게 다를까? 그림Ⅳ- 10 진핵세포에서 유전 정보의 중심 원리 DNA로부터 RNA가 합성되어 DNA의 정보가 RNA로 전달되는 과정을 전사, RNA의 정보로부터 단백질이 합성되는 과정을 번역이라고 한다. 그리고 DNA는 세포 분열 전에 자기 복제를 하여 유전 물질이 증식된다. 3. 유전부호와 유전자의 발현 111 더 알아 보기 1 유전자 1 효소설 1909년에 영국의 의사인 개로드는 유전자와 단백질의 연관성을 처음으로 제안하였 다. 그는 유전자가 효소를 통해 표현형을 결정한다고 생각하였고, 알캅톤이라는 화학 물질 때문에 검은색 소변이 만들어지는 선천성 대사 질환 유전병인 알캅톤뇨증을 예로 들어 자신의 가설을 주장하였다. 정상인은 알캅톤을 분해하는 효소를 가지고 있으나 알캅톤뇨증 환자는 해당 효소가 결핍되어 있다고 생각하였다. 이러한 그의 생각은 몇 십 년 뒤에 실험으로 증명되었다. •1 유전자 1 효소설 미국의 유전학자인 비들과 테이텀은 포자로 증식하는 붉은빵곰팡이의 돌연변이를 이 개로드(Garrod, A., 1857~1936) 유전 자가 효소를 통해 표현형을 결정한다고 주장 하였다. 용한 실험 결과 1개의 유전자가 1개의 효소를 합성한다는 것을 밝혀내어 1유전자 1효 소설을 주장하였다. •1 유전자 1 폴리펩타이드설 1 유전자 1 효소설은 이후 몇 가지 중요한 변화를 겪었다. 우선 효소가 아닌 다른 단 백질도 유전자에 의해 합성된다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어 인슐린과 같은 호르몬 이나 머리카락을 구성하는 케라틴 등의 구조 단백질은 효소가 아니라는 점이다. 이에 따라 과학자들은 비들과 테이텀의 가설을 1 유전자 1 단백질설이라는 개념으로 이 해하기 시작하였고 많은 종류의 단백질은 두 개 이상의 폴리펩타이드로 이루어져 있다는 것이 알려졌다. 예를 들어 혈액에서 산소를 운반하는 단백질인 헤모글로빈은 두 개의 서 로 다른 유전자에 의해 만들어지는 두 종류의 폴리펩타이드로 이루어져 있다. 이에 따라 1 유전자 1 단백질설은 다시 1 유전자 1 폴리펩타이드설로 발전하게 되었다. 철 헴 å 사슬 ∫ 사슬 적혈구 å 사슬 ∫ 사슬 적혈구의 헤모글로빈 분자는 4개의 폴리펩타이드 사슬로 이루어진다. 112 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 비들(왼쪽)(Beadle, G. W., 1903~1989) 과 테이텀(오른쪽)(Tatum, R. E., 1909~ 1975) 붉은빵곰팡이 실험을 통해 하나의 유 전자가 특정한 효소의 형질을 지배하고, 이 효소의 작용에 의해 특정 형질이 발현된다는 1유전자 1효소설을 주장하였다. 유전부호 단백질은 아미노산이 일정한 순서에 따라 결합된 고분자 화합물로, 아미노산의 순서는 DNA의 염기 서열에 의해 결정된다. 그런데 DNA가 가지고 있는 염기는 A, G, C, T 의 4종류로 단백질을 구성하는 20여 종의 아미노산에 비해 훨씬 적다. 1개의 아미노산을 지정하기 위해서 몇 개의 DNA 염기가 필요할까? 만약 1개의 염기 가 한 종류의 아미노산을 지정한다면 4종류의 아미노산만 지정할 수 있다. 2개의 염기가 조합을 이루어 1개의 아미노산을 지정한다고 해도 42인 16종의 아미노산만 지정할 수 있 다. 그런데 3개의 염기가 한 조가 된다면 43인 64종의 조합이 가능하므로 모든 아미노산 을 지정할 수 있다. 이와 같은 추론을 통해 3개의 염기가 한 조가 되어 1개의 아미노산을 지정한다는 3염기설이 등장하였다. 탐구 활동 자료 해석 유전부호의 해독 실험 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 유전부호의 해독 과정을 관련 도서나 인터넷으로 알아보고 해독 과정을 설명해 보자. 과정 1. 대장균으로부터 mRNA 이외에 단백질 합성에 필요한 모든 물질(단백질 합성계)을 추 도움말 단백질 합성계에 대해 알아본다. 출하였다. 2. 단백질 합성계에서 유라실(U)로만 이루어진 합성 mRNA(5′⋯⋯UUUUUU⋯⋯3′: 폴 리 U)로부터 단백질을 합성하였더니 페닐알라닌(Phe)으로만 이루어진 폴리펩타이드가 생성되었다. 3. 같은 방법으로 폴리 A, 폴리 G, 폴리 C를 합성하였더니 각각 라이신(Lys), 글리신 (Gly), 프롤린(Pro)으로만 이루어진 폴리펩타이드가 생성되었다. 4. 생성된 폴리펩타이드의 아미노산의 수는 항상 mRNA 염기 수의 ;3!; 이었다. 단백질 합성계 폴리 U 폴리 폴리UU U U U U U U U U U Phe Phe Phe 폴리 폴리UU ++ Codon Codon Codon U U U U U U U U U U U U U U U UU U + + 폴리 A + UULys UULys U A A A A A AUAU AUAUU UU UU UU UU Lys CodonCodon Codon Codon CodonCodon 폴리 C Codon Codon Codon Codon Codon Codon + 폴리 C폴리 C CA CA C C C C C Pro Pro Pro 폴리 폴리 A A ++ ++ A AA AA AA AA AA AA AA AA A A AA AA AA AA AA AA AA AA A + Phe PhePhe PhePhe Phe Phe PhePhe PhePhe Phe Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys 결과 및 정리하기 폴리 폴리C C 폴리 폴리CC ++ + + C CC C항상 C CC CmRNA C CC CC CC염기 CC C 수의 ;3!; 인 것은 무엇을 의미하는가? ❶ 생성된 폴리펩타이드의 아미노산의 수가 Pro Pro Pro Pro Pro Pro CCCCCCCCCCCCCCCCCC Pro Pro Pro Pro Pro Pro ❷ 21개로 이루어진 폴리 U를 이용하여 폴리펩타이드를 합성하였다면 가장 길게 형성될 수 있는 폴리펩타이드에 포함된 아미노산의 수는 몇 개인가? ❸ 만약 U와 A를 무작위로 섞어 만든 mRNA로부터 단백질 합성계를 이용하여 단백질을 합성 한다면, 어떤 폴리펩타이드가 생성될 수 있는가? (표 Ⅳ-1의 코돈표를 참조하시오.) 스스로 평가하기 단백질 합성계가 무엇인지 설명할 수 있는가? 유전부호가 어떻게 해독되었는지 설명할 수 있는가? 3. 유전부호와 유전자의 발현 113 1961년에 니런버그와 마테이는 유라실 중합체인 폴리 U를 이용한 단백질 합성 실 험 결과 페닐알라닌으로만 구성된 단백질이 생성된다는 것을 발견하고, 페닐알라닌 에 대한 mRNA 유전부호가 UUU인 것을 알아냈다. 그 후 여러 과학자들에 의해 유 사한 방법으로 연구가 진행되어 각 mRNA 유전부호에 대한 아미노산이 모두 결정되 었다. DNA에서 3개의 염기로 된 유전부호를 3염기 조합이라고 하며, 이에 대응하는 그림Ⅳ- 11 니런버그(오른쪽)와 마테이 (왼쪽) DNA가 지닌 생명 정보인 유 전부호를 해독하였다. mRNA의 3개의 염기 서열, 즉 3개의 염기로 된 mRNA의 유전부호를 코돈이라고 한 다. 각 코돈이 결정하는 아미노산의 종류는 표 Ⅳ- 1과 같다. 64개의 코돈 중 61개만 아 미노산을 지정한다. <mRNA 코돈의 특징> 1. 특정 아미노산을 지정하는 코돈이 하나 이상 존재한다. 2. AUG는 메싸이오닌을 지정하며 동시에 개시 코돈으로 작용한다. 3. UAA, UAG, UGA는 어떤 아미노산도 지정하지 않아 종결 코돈으로 작용한다. 4. 대부분의 생명체에서 아미노산을 결정하는 코돈은 동일하다. 5. 종결 코돈에 도달할 때까지 겹쳐짐이나 건너뜀이 없이 연속적으로 읽힌다. 표Ⅳ- 1 코돈표 두 번째 염기 U UUU U UUC UUA UUG C 첫 ] 페닐알라닌(Phe) ] 류신(Leu) CUU ) CUC \ } 류신(Leu) CUA \ CUG 0 C UCU ) UCC \ } 세린(Ser) UCA \ UCG 0 CCU ) CCC \ } 프롤린(Pro) CCA \ CCG 0 A UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG ] 타이로신(Tyr) ] G UGU UGC ] 시스테인(Cys) U C 종결 코돈 UGA 종결 코돈 A 종결 코돈 UGG 트립토판(Trp) G CGU ) CGC \ } 아르지닌(Arg) CGA \ CGG 0 U ] 히스티딘(His) ] 글루타민(Gln) C A G 세 번 째 번 째 AUU 염 기 AUC ¡ 아이소류신(Ile) A AUA AUG 메싸이오닌(Met) ACU ) ACC \ } 트레오닌(Thr) ACA \ ACG 0 AAU AAC AAA AAG ] 아스파라진(Asn) ] 라이신(Lys) AGU AGC AGA AGG ] 세린(Ser) U ] 아르지닌(Arg) A C 개시 코돈 G GUU ) GUC \ } 발린(Val) GUA \ GUG 0 114 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 GCU ) GCC \ } 알라닌(Ala) GCA \ GCG 0 GAU GAC GAA GAG ] 아스파트산 (Asp) ] 글루탐산(Glu) GGU ) GGC \ } 글리신(Gly) GGA \ GGG 0 G U C A G 염 기 유전자 발현의 첫 번째 단계 - 전사 DNA를 주형으로 이와 상보적인 RNA를 합성하는 과정을 전사라고 하며, 이 과정 프로모터 유전자의 앞부분에 존재하는 특수한 염기 에서 DNA에 저장되어 있는 유전 정보가 RNA로 전달된다. 그림 Ⅳ- 12 와 같이 전사 서열로, RNA 중합 효소가 결합하며 전 사가 시작되는 부위를 나타낸다. 는 RNA 중합 효소에 의해 일어나며, 이 중합 효소가 유전자의 시작 부분 앞에 존재하 는 프로모터라고 불리는 특정 염기 서열을 인식함으로써 시작된다. RNA 중합 효소가 프로모터에 결합한 다음 이중 나선의 DNA가 풀려 단일 가닥으 로 나누어지고, 그중 한 가닥을 주형으로 하여 DNA를 따라 이동하면서 새로운 뉴클레 오타이드를 첨가함으로써 이에 상보적인 RNA 가닥을 합성한다. RNA 중합 효소는 DNA 주형을 따라 계속 중합 반응을 진행하다가 종결 신호를 만나면 전사가 종결된다. ❶ RNA 중합 효소가 프로모터에 결합하여 DNA 사슬을 풀기 시작한다. 개시 5' 프로모터 3' 개시점 주형 가닥 종결점 RNA 3' 중합 효소 5' 신장 ❷ RNA 중합 효소가 3'에서 5' 방향으 로 DNA 주형을 읽어 3' 말단에 뉴클레 오타이드를 첨가함으로써 RNA 전사 물을 만든다. 5' 3' 5' 합성 중인 RNA 전사 방향 3' 5' 뉴클레오타이드 (ATP, UTP, CTP, GTP) ❸ RNA 중합 효소가 종결점에 도착하면 RNA 전사물이 주형에서 떨어져 나온다. 종결 3' 5' 3' 5' 3' 5' RNA 그림Ⅳ- 12 전사 과정 3. 유전부호와 유전자의 발현 115 스스로 정리 하기 세포에는 그림 Ⅳ-13과 같이 여러 종류의 RNA가 만들어진다. 이 중 전령 RNA (mRNA)는 세포질의 리보솜으로 전달된 후 단백질이 합성되도록 한다. 운반 RNA •RNA의 종류: (tRNA)는 세포질에 흩어져 있는 아미노산을 단백질 합성이 진행되는 리보솜으로 운반하 •RNA의 기능: 는 기능을 하며, 리보솜 RNA(rRNA)는 리보솜 단백질과 더불어 리보솜을 형성한다. DNA 전사 rRNA 처음 만들어진 RNA tRNA 아미노산 결합 리보솜 단백질과 결합 가공 아미노산 mRNA 단백질 합성 아미노산이 결합한 tRNA 리보솜 mRNA 그림Ⅳ- 13 RNA의 종류와 기능 더 알아 보기 mRNA 가공 진핵세포에서 전사 과정의 결과로 생성된 RNA의 정보 가 그대로 단백질로 번역되는 것은 아니다. 전사된 유전자 RNA로 전사되는 부분 DNA 영역에서 많은 부분은 절단되어 제거되는데, 이를 가공 과 전사 정이라고 한다. RNA로 전사된 유전자 영역은 대부분의 경우 인트론이 엑손 인트론 엑손 인트론 엑손 처음 만들어진 RNA 라고 불리는 영역과 엑손이라고 불리는 영역이 교대로 나 RNA 가공 열되어 있다. 인트론은 처음 만들어진 RNA 가공 과정에 단백질로 번역되는 부분 서 잘려 나간다. 인트론이 잘려 나가 만들어진 mRNA가 mRNA 최종적으로 단백질로 번역되는 암호를 제공한다. 번역 하지만 원핵생물의 유전자에는 인트론이 존재하지 않으 며, 전사된 RNA가 그대로 단백질로 번역된다. 또한, 진 핵생물의 경우도 모든 유전자에 인트론이 존재하는 것은 아니다. 116 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 폴리펩타이드 mRNA 가공 과정 유전자 발현의 두 번째 단계 - 번역 유전자 발현 과정의 두 번째 단계로서 mRNA의 유전 정보에 따라 단백질을 합성하 는 과정을 번역이라고 하며, 진핵생물에서 이 과정은 세포질의 리보솜에서 일어난다. 리 보솜에서 번역이 일어나는 동안 mRNA의 염기 서열에 따라 폴리펩타이드를 구성하는 이것이 궁금해요 RNA의 정보로부터 폴리펩타이드가 만들어지는 과정을 번역이라고 하는 까닭은 무엇인가요? 아미노산 서열이 결정된다. 운반 RNA 운반 RNA(tRNA)는 아미노산을 단백질 합성 장소인 리보솜으로 운반 한다. tRNA는 단일 가닥으로 이루어진 작은 RNA 분자이다. 번역 과정에서 중요한 tRNA 부위는 두 곳인데, 그중 첫 번째 부위는 mRNA의 코 돈과 상보적 염기쌍을 이루는 3개의 염기로 이루어진 안티코돈이다. 종결 코돈인 UAG, UGA, UAA와 상보적인 안티코돈을 지닌 tRNA는 존재하지 않기 때문에 mRNA의 종결 코돈을 번역할 차례가 되면 종결 코돈에 tRNA 대신 방출 인자가 결합하여 번역이 종결된다. 두 번째 부위는 아미노산 결합 장소로서 tRNA가 결합하는 mRNA의 코돈 에 상응하는 아미노산이 이 말단에 결합하게 된다. (가) 3' A 아미노산 5' 3' 아미노산 결합 부위 .. .. .. .. .. .. .. .. ... C 아미노산 결합 부위 C A 5' .. C G G .. C C .. G U G U ..A A .. U A ..U . U C U . A G . C AC AG A C U C . G UG U . G C G AG C . .G . A C G G .U G A .. G C G..C 수소 결합 U..A . .. G . ...A A C . U (나) tRNA와 아미노산의 결합 세포질 내에 있는 아미노산은 효소의 작 용으로 자신에 맞는 tRNA와 결합한다. 안티코돈 안티코돈 그림Ⅳ- 14 tRNA의 평면 구조(가)와 3차원 구조(나) 리보솜 세포내에는 매우 많은 수의 리보솜이 있으며 이들에 의해 단백질이 합성된다. 리보솜은 rRNA와 단백질로 구성되어 있다. 리보솜은 mRNA 분자의 염기 서열이 아 E P A 미노산 서열로 번역될 수 있도록 mRNA 분자와 아미노산이 결합한 tRNA를 적당한 위치에 배치되도록 한다. 모든 리보솜은 크고 작은 2개의 단위체로 구성되어 있다. 리보솜의 소단위체에는 mRNA 결합 부위가 있고, 리보솜의 대단위체에는 아미노산 이 붙어 있는 tRNA가 결합하는 자리(A 자리)와 신장되는 폴리펩타이드가 붙어 있는 tRNA가 결합하는 자리(P 자리) 및 tRNA가 빠져나가기 전에 잠시 머무르는 자리(E 리보솜의 구조 리보솜을 구성하고 있는 성분은 무엇일까? 자리)가 있다. 3. 유전부호와 유전자의 발현 117 번역 과정 번역 과정은 개시, 신장, 종결의 3단계로 이루어진다. 개시는 번역에 필요 한 모든 구성 요소들이 결집하는 단계이다. 리보솜을 비롯한 번역 기구의 구성 성분들 이 mRNA로 모이고, mRNA가 리보솜 소단위체와 결합하며 mRNA의 개시 코돈인 AUG에 메싸이오닌이 부착된 상보적인 tRNA가 결합한다. 이어서 리보솜 대단위체가 결합하는데 이때 tRNA는 대단위체의 P 자리에 위치한다. 신장 단계에서 대단위체 리보솜의 A 자리에 개시 코돈의 다음 코돈과 상보적인 결합 을 하는 tRNA가 결합하면 tRNA가 운반한 아미노산과 P 자리의 tRNA에 부착된 메 싸이오닌 사이에 펩타이드 결합이 형성되고, 메싸이오닌은 tRNA와 분리된다. 이어서 리보솜 복합체가 mRNA의 다음 코돈으로 자리를 옮기면 펩타이드 결합을 한 tRNA 는 P 자리에 오게 되고, 메싸이오닌과 분리된 tRNA는 E 자리에 위치한 후 결국 리보 솜으로부터 떨어져 나간다. 신장이 계속됨에 따라 폴리펩타이드의 길이는 길어지게 된다. mRNA의 종결 코돈인 UAA나 UAG 또는 UGA가 리보솜의 A 자리에 오게 되면 종결 코돈과 상보적인 결 합을 할 수 있는 tRNA가 없어 대신 방출 인자가 붙으면 번역이 종결된다. 번역 과정이 종결되면 리보솜은 각각의 단위체로 나누어지고, mRNA와 tRNA도 분리되면서 완성 된 폴리펩타이드는 방출된다. 1. 개시 2. 신장 첫 번째 아미노산을 운반하는 tRNA 신장되는 Met 폴리펩타이드 Met Met 5' mRNA AUG E 자리 P 자리 3' 5' mRNA 리보솜 소단위체 AUG 5' E P A Met Met 대단위체 방출 인자 3' 5' 소단위체 그림Ⅳ- 15 번역 과정 118 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 P A 3' 3. 종결 5' mRNA E 5' 3' 5' 방출된 폴리펩타이드 P A 3' Met Met A 자리 Met 5' 펩타이드 결합 E 3' UAG(또는 UAA, UGA) 종결 코돈 E P A 3' 3' 그림 Ⅳ- 16은 진핵생물에서 전사, 가공, mRNA의 세포질로의 이동 및 번역 등 단백 질 합성의 전 과정을 나타낸 것이다. 전사 1.핵의 DNA가 주형으로 작용한다. 핵막 처음 만들어진 RNA 가공 2. 가공 후 mRNA가 되어 핵을 떠난다. m 리보솜 대단위체 A N R 6.종결 후 리보솜과 mRNA가 분리된다. 아미노산 리보솜 소단위체 핵공 세포질 4.안티코돈을 가지는 tRNA가 아미노산을 운반한다. tRNA 5.A 자리로 들어온 아미노산tRNA 는 펩타이드 결합 후 P 자리로 이동하고, 리보솜도 E 자리 P 자리 A 자리 리보솜의 이동 방향 코돈만큼 이동한다. 폴리펩타이드 사슬 번역 3.세포질로 이동한 mRNA는 리보솜과 결합한다. 7.완성된 폴리펩타이드는 각 기능에 따라 이동한다. 폴리펩타이드 그림Ⅳ- 16 진핵생물의 유전자 발현 과정 mRNA는 전사에 의해 DNA 주형으로부터 핵 안에서 만들어진 다음, 가공 단계를 거쳐 mRNA로 된다. 이 mRNA 는 세포질로 이동하며, 리보솜과 tRNA와의 협동 작용으로 폴리펩타이드를 합성한다. 유전자 발현은 DNA의 유전 정보를 이용하여 생명 활동에 필요한 단백질을 만드는 과정이다. DNA의 유전 정보는 먼저 mRNA로 전사되어 코돈 단위의 정보를 만든다. mRNA의 코돈 정보는 리보솜에서 tRNA가 운반해 온 아미노산을 순차적으로 결합하 여 폴리펩타이드 사슬을 만든다. 폴리펩타이드 사슬은 접힘 과정을 통해 입체 구조를 형 성하여 기능을 할 수 있는 단백질이 된다. 3. 유전부호와 유전자의 발현 119 다음 활동에서 생명의 중심 원리의 유전 정보 흐름을 알아보자. 탐구 활동 실험 중심 원리의 정보 흐름을 모의 실험으로 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 mRNA의 염기 서열 모형과 tRNA-아미노산 결합체 모형을 이용하여 중심 원리의 준비물 mRNA와 아미노산이 결합된 tRNA 가 인쇄된 종이, 셀로판테이프, 가위 유전 정보 흐름을 설명해 보자. 과정 1. DNA 유전부호(가)에 해당하는 mRNA의 염기 서열을 (나)의 밑줄 위에 적는다. 3' T A C A A A C G T C A G G T A T C A T G C G G T C T C C C G A C C G C T A A G A T C 5' (가) 3' T A C A A A C G T C A G G T A T C A T G C G G T C T C C C G A C C G C T A A G A T C 5' (가) (나) 5' A U G (나) U A G 3' UG 5'-A G 5' A U 3' U AG G - 3' UA 2. mRNA의 각 코돈에 상보적으로 결합하는 tRNA－아미노산 결합체를 아래 그림과 같 이 하나씩 오려 상보적인 쌍을 찾아 (나)의 위쪽에 차례대로 맞춘다. 3. 두 아미노산을 셀로판테이프로 연결하고 점선을 따라 안티코돈 부분을 잘라 버린다. 4. 같은 방법으로 마지막 코돈에 이를 때까지 반복한다. 메싸이오닌 5'-A UG 5' AUG 메싸이오닌 페닐알라닌 5'-A UG 5' AUG 정리하기 ❶ mRNA의 염기 서열을 써 보자. ❷ mRNA 상의 각각의 코돈에 결합한 tRNA의 안티코돈은 각각 어떻게 되는지 써 보자. ❸ 셀로판테이프는 실제 단백질 합성 과정에서 무엇을 의미하는가? 스스로 평가하기 실험 과정에 적극 참여하였는가? 생명 중심 원리의 유전 정보 흐름을 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 유전부호를 해독한 방법을 이야기해 보자. 2. 전사 과정에 참여하는 요소를 말해 보고, 그 과정을 이야기해 보자. 3. 번역 과정에 참여하는 요소를 말해 보고, 그 과정을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 120 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 교과서 113쪽~114쪽 교과서 115쪽~116쪽 교과서 117쪽~119쪽 4 학습 목표 유전자 발현의 조절 • 원핵생물과 진핵생물의 유전자 발현 조절 과정을 비교하여 설명할 수 있다. 말라리아는 말라리아 모기가 전염시키는 열원충이 원인인 질병으로 한 해에 약 50만 명 이상이 목숨을 잃는다. 열원충은 인체 내에서 적혈구에 기생하며 자신의 단백질을 생 산하여 적혈구 표면에 발현시킨다. 인간은 강력한 면역 체계를 가지고 있음에도 불구하고 왜 열원충을 제거하지 못하는 것일까? 말라리아 병원충은 숙주에 따라 다른 단백질을 적혈구에서 만듦으로써 숙주 면역계의 감시망을 피할 수 있는데, 그 까닭은 말라리아 병원충이 유전자 발현을 선택적으로 변화 시키는 정교한 조절 능력이 있기 때문이다. 단백질 합성 과정은 원핵세포와 진핵세포 모두 매우 정교하고 복잡하게 조절되며 세포 핵심 용어 오페론 프로모터 작동 부위 구조 유전자 조절 유전자 전사 인자 단백질 합성 인트론 mRNA 가공 에 필요한 양만큼의 단백질이 생산되도록 한다. 원핵세포에서는 젖당 오페론이 유전자 발현 조정 과정에 관여하고 진핵세포에서는 여러 가지 전사 조절 인자들이 관여한다. 원핵생물에서 일어나는 유전자 발현 조절 원핵세포에는 하나의 프로모터에 의해 여러 개의 유전자 발현이 함께 조절되는 단위인 오페론이 있다. 젖당 오페론 원핵생물의 오페론 원핵생물의 모든 유전자가 오페론 구조로 되어 있는 것은 아니다. 대장균의 경우 전 젖당 오페론은 젖당의 분해 및 이용에 관여하는 여러 가지 효소 유전자 체 유전자의 약 30 %만이 오페론으로 되 어 있다. 들의 발현이 함께 조절되는 유전자 발현 단위이다. 대장균은 일반적으로 배지 내에 있 는 포도당을 선호하지만, 만약 배지에 포도당이 고갈되고 젖당이 있으면 젖당을 분해하 여 이용한다. 젖당을 이용하기 위해서는 젖당 분해 효소와 운반 단백질인 젖당 투과 효 소가 필요하다. 그림 Ⅳ- 17과 같이 이들 구조 유전자들은 프로모터 및 작동 부위와 같이 DNA 위에 나란히 위치한다. 구조 유전자란 무엇을 말하는 걸까? 오페론 조절 유전자 프로모터 작동 부위 구조 유전자 (효소를 암호화하는 유전자) DNA lacZ 억제 단백질 결합 부위 lacY (∫ 갈락토시 (투과 효소 데이스 유전자) 유전자) lacA (아세틸 전이 효소 유전자) 그림Ⅳ- 17 젖당 오페론의 구조 4. 유전자 발현의 조절 121 젖당 오페론 앞에는 조절 유전자가 있어서 오페론의 발현을 조절한다. 만약 배지에 젖 이것이 궁금해요 오페론을 구성하는 부위 중 작동 부위 당이 없으면 이 효소들은 필요 없게 되고 따라서 젖당 오페론의 구조 유전자는 발현되지 와 프로모터를 유전자라고 하지 않는 까닭은 무엇인가요? 않는다. 이 경우 그림 Ⅳ-18과 같이 조절 유전자에 의해 만들어진 억제 단백질이 프로모 터에 인접해 있는 작동 부위와 결합하여 프로모터에 RNA 중합 효소가 부착하지 못하 게 하므로 구조 유전자의 전사가 일어나지 않는다. 억제 단백질은 젖당 유도체가 결합하면 구조 변화를 일으켜 더 이상 작동 부위에 결합 하지 못하게 된다. 따라서 배지에 젖당 유도체가 있으면 젖당 유도체와 결합한 억제 단 백질은 더 이상 작동 부위에 결합하지 못하므로 RNA 중합 효소가 작용할 수 있어 전사 가 일어난다. 젖당이 없을 때 젖당이 없을 때 조절 유전자 조절 유전자 DNA 프로모터 작동 부위 전사가 일어나지 못함 프로모터 작동 부위 전사가 lacZ 못함 일어나지 lacZ DNA lacY lacA lacY lacA mRNA RNA 중합 효소가 프로모터에 결합하지 못한다. mRNA RNA 중합 효소가 프로모터에 결합하지 못한다. 억제 단백질 억제 단백질 젖당이 있을 때 전사가 일어남 젖당이 있을 때 전사가 일어남 DNA lacZ RNA 중합 효소가 프로모터에 결합한다. DNA mRNA lacZ RNA 중합 효소가 프로모터에 결합한다. mRNA lacY lacY lacA lacA mRNA mRNA 억제 단백질 억제 단백질 스스로 정리 하기 젖당 유도체 •젖당 오페론의 조절 기작: 젖당 유도체 불활성화된 단백질 ∫ 갈락토시데이스 투과 효소 아세틸 전이 효소 불활성화된 단백질 ∫ 갈락토시데이스 투과 효소 아세틸 전이 효소 그림Ⅳ- 18 젖당 오페론의 구조와 유전자 발현 조절 과정 122 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 진핵생물에서 일어나는 유전자 발현 조절 원핵세포와는 달리 진핵세포의 유전자는 구조가 훨씬 복잡하다. 또한, 진핵생물을 구 성하는 다양한 종류의 세포들은 각각 동일한 유전자를 가졌으나 그 기능은 매우 다르다. 이러한 차이점은 세포의 종류에 따라 유전자가 서로 다르게 발현되기 때문이다. 진핵생물의 유전자는 원핵생물의 유전자와 마찬가지로 RNA 합성을 위한 RNA 중 합 효소가 결합하는 부위인 프로모터와 단백질을 암호화하는 부위를 가진다. 그러나 하 나의 조절 부위에 여러 유전자가 무리로 존재하는 원핵생물의 오페론과는 달리 진핵생 물의 유전자는 유전자마다 조절 부위가 존재한다. 진핵세포에서 일어나는 유전자 발현 조절은 전사 단계, 전사 후 RNA 가공 단계, 번 역 단계 및 번역 후 단백질의 활성화 단계 등에서 일어나는데, 이 중 전사 단계의 조절이 가장 중요한 단계로 작용한다. 전사는 전사 인자라고 불리는 다양한 전사 조절 인자에 의해 조절된다. 전사 인자에 는 전사 촉진 인자와 전사 억제 인자가 있으며, 이들 전사 인자들은 DNA의 조절 부위 에 결합하여 유전자의 전사를 조절한다. 전사 촉진 인자는 염색질의 구조를 풀어 주거나 전사 인자 유전자의 전사 조절 부위에 결합하여 그 유전자의 전사를 조절하는 단백질이다. RNA 중합 효소가 프로모터에 잘 결합할 수 있도록 도와주어 전사가 개시될 수 있도록 해 준다. 전사 촉진 인자가 프로모터에서 멀리 떨어져 있는 원거리 조절 부위, 즉 인핸서 에 결합하면, DNA가 휘어져 전사 촉진 인자가 프로모터 근처에 자리하게 된다. 이후 전사 촉진 인자가 다른 전사 인자, 매개자 단백질 및 RNA 중합 효소와 연결되어 전사 개시 복합체를 형성하여 프로모터에 결합하면, 전사가 개시된다(그림 Ⅳ-19). 진핵생물의 유전자는 여러 개의 조절 부위를 가지고 있으며 이와 상호작용하는 다양한 전사 조절 인자를 발생 단계나 환경 조건에 따라 다르게 사용함으로써 세포의 종류 및 시 기에 따라 수많은 유전자를 선택적으로 발현시켜 세포마다의 고유 기능을 수행한다. 전사 촉진 인자 근거리 조절 요소 전사 시작 부위 엑손 5' 위쪽 인트론 인트론 엑손 엑손 3' 프로모터 원거리 조절 요소 전사 촉진 인자 전사 개시 RNA 중합 효소 진핵생물의 한 유전자에 존재하는 엑손과 인트론의 수는 어떤 관계를 가질까? 그림Ⅳ- 19 기본적인 진핵생물 유전자의 구조와 전사 조절 인자에 의한 유전자 발현 조절 전사 조절 인자들은 서로 협력하여 유전자의 발현을 조절한다. 4. 유전자 발현의 조절 123 진핵세포에서는 일단 mRNA가 만들어진 후 번역을 위해 세포질로 나가기 전에 mRNA에 존재하는 인트론을 제거하는 등 일련의 가공 과정을 거친다. 이러한 가공 과 정은 mRNA의 안정성과 정확한 번역을 위해 필요한 전사 후 조절 과정이다. mRNA의 가공 이후에는 mRNA의 분해 조절이 일어나며, 나아가 단백질 합성의 단백질 가공 합성된 폴리펩타이드가 기능을 가진 단백 질이 되기 위해 일부 부위의 절단이나 탄 수화물 첨가 등의 화학적 변형이 일어나 는 과정이다. 개시 속도 등 번역 단계에서의 조절도 일어난다. 번역 후의 탄수화물 부착과 같은 단백 질 가공 과정의 조절과 합성된 단백질의 분해 조절 또한 매우 중요한 진핵세포 유전자 발현의 과정이다. 세포질 핵 염색질 전사 조절 •유전자가 전사될 수 있게 하는 염색질 재조정 •전사 개시의 조절 DNA 처음 만들어진 RNA 인트론 전사 엑손 전사 후 조절 •처음 만들어진 RNA 가공 조절 mRNA 가공 mRNA 핵공 단백질 가공으로 생기는 당단백질 이란 무엇을 말하는 것일까? 핵막 mRNA 새로운 폴리펩타이드 사슬 •mRNA 분해 조절 번역 번역 조절 •단백질 합성의 개시 속도 조절 단백질 가공 번역 후 조절 •단백질 가공 과정 조절 완성된 단백질 스스로 정리 하기 •단백질 분해 조절 •진핵생물의 유전자 발현 조절 단계: 단백질 분해 그림Ⅳ- 20 진핵생물의 유전자 발현 조절 단계 친구와 묻고 답하기 1. 원핵생물과 진핵생물 유전자 발현의 차이점을 이야기해 보자. 2. 젖당 오페론의 발현 조절을 이야기해 보자. 3. 진핵생물에서 유전자 발현 조절의 단계를 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 124 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 교과서 121쪽~123쪽 교과서 122쪽 교과서 123쪽~124쪽 발생의 유전적 조절 5 • 진핵생물의 발생과 세포 분화에서 유전자 발현 과정을 설명할 수 있다. 학습 목표 아름다운 가을 하늘을 수놓는 빨간 고추잠자리는 하나의 세포인 수정란에서 비롯되었 다. 그런데 수정란에서 비롯된 여러 세포 중에서 어떤 세포는 얇은 날개가 되고, 또 어떤 세포는 눈이 된다. 발생 과정 동안 어떤 일이 일어나 수정란이 이런 아름다운 모습의 고추 잠자리로 되는 것일까? 발생은 다세포 생물이 하나의 세포인 수정란에서 시작하여 세포 분열과 일련의 분화 과정을 거쳐 완전한 성체로 되는 과정이다. 이 과정은 수정란의 세포 분열 과정인 난할, 핵심 용어 발생 결정 혹스 유전자 분화 형태 형성 핵심 조절 유전자 하나의 세포로부터 구조와 기능이 다른 여러 가지 세포가 생성되는 분화, 분화된 조직을 특이한 구조로 체계화해 나가는 형태 형성 과정을 통해 진행된다. 발생 과정에서 분화된 세포는 형태뿐만 아니라 기능 면에서도 큰 차이를 보인다. 발생의 4가지 주요 과정 수정 후 초기 발생 과정의 세포 분열은 일반 체세포의 세포 분열과 어떻게 다를까? 생물의 발생 과정은 다음의 4가지 주요 과정을 포함한다. ❶ 결정 발생 초기에 각 세포가 어떤 종류의 세포가 될 것인지 발생 운명이 결정된다. ❷ 분화 한 세포로부터 구조와 기능이 서로 다른 세포가 생성되는 과정이다. ❸ 형태 형성 ❹ 생장 스스로 정리 하기 •발생의 주요 과정: 분화된 세포들이 조직화되어 몸의 외형과 형태를 이루는 단계이다. 세포 생장과 세포 분열에 의해 기관과 몸의 크기가 증가하는 것이다. 그림Ⅳ- 21 불가사리의 수정에서부터 성체까지의 발생 단계 하나의 세포인 수정란이 이와 같은 발생 과정을 거쳐 한 생물의 특징을 가지는 성체가 되는 과정은 어떻게 조절될까? 5. 발생의 유전적 조절 125 유전자의 선택적 발현에 의한 세포 분화 핵심 조절 유전자 전사 인자와 같은 유전자의 발현을 조절 하는 인자를 암호화하는 조절 유전자 중 에서 최상위에 위치한 조절 유전자이다. 한 개체에 존재하는 모든 세포는 모든 종류의 단백질 합성에 필요한 유전자를 전부 가 지고 있다. 그러나 각각의 세포는 발생 단계의 특정 시점에서 이들 유전자 모두를 발현 시키는 것이 아니라 일부만을 발현시킨다. 즉, 특정 시점에서 어떤 유전자가 발현되는가 에 따라 바로 세포의 발생 운명과 분화의 방향이 결정된다. 예를 들어 손톱을 만드는 세포는 손톱의 주성분인 케라틴 단백질을 형성하는 반면, 다 른 종류의 세포는 그렇지 않다. 이것은 유전자 발현 조절이 일어나서 손톱을 만드는 세 포에서만 케라틴을 만들기 때문이다. 이처럼 특정 유전자가 선택적으로 발현되는 까닭 은 무엇일까? 세포 분화와 관련하여 가장 잘 연구된 예로는 근육 세포 분화가 있다. 근육 세포의 분 화 과정에는 마이오디(MyoD) 유전자가 핵심 조절 유전자로 작용한다. 이 유전자의 산 물인 마이오디(MyoD) 단백질은 전사 인자로 작용하여 다른 조절 유전자의 발현을 촉 진하여 또 다른 전사 인자가 생성된다. 이 전사 인자는 마이오신 유전자와 액틴 유전자 근육 모세포 근육 세포로 분화할 수 있는 배아의 세포 이다. 의 발현을 촉진하여 근육의 특이 단백질인 마이오신과 액틴이 만들어지게 함으로써 근 육 모세포를 근육 세포로 분화시킨다. 그림Ⅳ- 22 근육 세포의 분화에서의 핵심 조절 유전자의 작용 이것이 궁금해요 근육 세포를 이루는 주요 단백질은 무 엇인가요? 근육의 생성을 조절하는 핵심 조절 인자와 같은 전사 인자의 조절에 의한 세포의 유전 자 발현의 차이는 세포 내부에 존재하며 유전자의 발현을 조절하는 특정 세포질 인자가 세포마다 불균등하게 분포되어 있어 일어나기도 한다. 또한, 세포 외부의 특정 유도 인 자에 대한 각 세포마다의 반응이 달라 유전자 발현에 차이가 나타나기도 한다. 126 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 더 알아 보기 전사 인자의 조절은 어떻게 일어나는가? 모든 세포는 동일한 유전자를 가지고 있지만 그 발현이 달라져서 특정 세포로의 분화가 일어난다. 유전자의 발현을 차등적 으로 일어나게 하는 가장 중요한 요소는 전사 인자이다. 그림은 세포 내에서 유전자 발현의 차이가 일어나게 되는 과정을 나타낸 것이다. 동물극 식물극 수정란에서 세포질 인자가 불균등하게 분포된다. 세포가 분열함에 따라 불균등한 분포는 딸세 포에 보존된다. 이후의 세포 분열에서 이 세포질 인 자는 특정 세포의 세포질 성분으로 격리된다. 지금부터 위쪽과 아래쪽 세포는 서로 다른 운명을 가진다. 세포질 인자의 불균등 분포에 따른 세포의 운명 결정 1 세포가 유도 인자를 생산한다. 유도 인자 2 유도 인자의 확산은 농도 기울기를 형성한다. 3b 이 세포는 매우 적은 유도 인자를 받는다. 전사 인자 수용체 3a 이 세포는 많은 유도 인자를 받는다. 4 유도 인자 결합은 전사 인자의 활성화 또는 핵 으로 이동을 초래한다. 전사 없음 5 전사 인자는 프로모터 와 결합하여 유전자의 전사를 활성화한다. DNA 6a 유전자에 암호화된 단백질은 세포 분화를 자극한다. 프로모터 전사 mRNA 6b 단백질이 만들어지지 않아 세포는 분화하지 않는다. 단백질 생각해 보기 외부 유도 인자에 의한 유전자 발현의 조절 1. 세포질 인자의 불균등이 어떻게 세포의 운명을 결정할까? 2. 외부 유도 인자에 대한 각 세포의 반응이 다른 이유는 무엇일까? 유전자 발현의 공간적 차이에 의한 형태 형성 생물의 외형과 형태가 만들어지는 형태 형성 과정에서 수많은 세포 분열과 분화가 일 어난다. 형태 형성의 유전적 조절은 사람을 비롯하여 초파리에 이르기까지 매우 유사하 다. 초파리의 경우, 형태 형성은 수정란에서 성체에 이르기까지 다양한 유전자들이 순차 적으로 발현되어 일어난다. 5. 발생의 유전적 조절 127 초파리의 배아는 서로 다른 체절로 이루어져 있으며, 성체의 앞쪽에 3개의 머리 체절, 중간에 3개의 가슴 체절, 뒤쪽에 8개의 복부 체절을 가진다. 각각의 체절은 서로 다른 몸 의 부위로 발달한다. 더듬이와 눈은 머리 체절에서, 날개는 가슴 체절에서 발생한다. 이러한 초파리의 형태 형성에는 여러 유전자가 관여하는데, 이중 중요한 유전자의 중 의 하나가 혹스 유전자이다. 혹스 유전자는 형태 형성 과정 중 앞으로 몸의 각 체절에서 만들어질 기관을 결정하는 유전자이다. 초파리 3번 염색체 혹스 유전자 집단 C 혹스 유전자가 진화의 측면에서 의미하는 바는 무엇일까? 초파리 3번 염색체 초파리 쥐 3번6번 염색체 염색체 혹스 유전자 집단 C 혹스 유전자 집단 C집단 혹스 유전자 A 3번 염색체 초파리 초파리의 배 초파리의 배 초파리의 배 혹스 유전자 집단 C 염색체 쥐 11 쥐 6번번염색체 쥐 6B 번 염색체 혹스 유전자 집단 A 혹스 유전자 집단 A 쥐 6번 염색체 쥐 쥐 15 11번 번 염색체 염색체 혹스 유전자 집단 A 쥐 11번 염색체 C 쥐의 배 쥐의 배 B B 쥐 11번 염색체 2번번염색체 쥐 15 염색체 쥐 B 쥐 15번 염색체 D C C 쥐 15번 염색체 쥐 2번 염색체 C 쥐 2번 염색체 D D 쥐 2번 염색체 쥐의 배 D 초파리의 배 쥐의 배 그림Ⅳ- 23 혹스 유전자 색으로 표시된 것은 혹스 유전자의 염색체상의 위치와 배에서의 발현 위치를 나타낸다. 혹 스 유전자는 많은 동물에서 염색체상의 위치와 발현 양상이 비슷하다. 초파리 배아에서 체절이 형성된 후 혹스 유전자는 각 체절마다 여러 개가 특이적인 조 합을 이루어 작용하며, 각 체절 내의 세포 운명을 결정하는 전사 인자를 암호화하여 특 스스로 정리 하기 •혹스 유전자에 의한 형태 형성 과정: 정 기관이 형성되도록 유도한다. 예를 들어 머리 체절의 혹스 유전자는 눈 형성을 유도 하고, 가슴 체절의 혹스 유전자는 날개 형성을 유도한다. 그러므로 만약 혹스 유전자에 돌연변이가 생기면 안테나가 생길 자리에 다리가 생기거나 날개가 한 쌍 더 생기기도 한 다. 혹스 유전자는 모든 생물에 존재한다. 눈 안테나 다리 그림Ⅳ- 24 안테나 자리에 다리가 달린 초파리 128 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 그림Ⅳ- 25 혹스 유전자의 돌연변이로 생긴 2쌍의 날개를 가진 초파리 다음 활동에서 유전자 발현 조절에 관한 최신 연구를 알아보자. 탐구 활동 조사•발표 유전자 발현 조절 및 발생과 관련된 최신 연구 자료 조사하기 과학적 참여와 평생 학습 유전자 발현 조절 및 발생과 관련된 최신 연구 자료를 조사하고 보고서로 작성해 보자. 과정 1. 생물학연구정보센터에 접속하여 ‘유전자 발현 조절’ 또는 ‘발생’을 검색한다. 과학적 사고력 도움말 생물학연구정보센터 홈페이지나 다른 관 련 기관, 뉴스 등을 통해 유전자 발현 조절 및 발생과 관련된 최신 연구 자료를 조사해 본다. 2. 이와 관련된 최신 연구 자료나 서적, 과학자 등 여러 항목 중에서 모둠별로 하나의 주제 생물학연구정보센터 를 선택한다. 3. 모둠별로 선택한 주제를 조사하고 발표 자료를 준비한다. 4. 모둠별로 조사한 자료를 보고서로 작성한 후 발표해 보자. http://www.ibric.org 생물학계의 동향과 전망을 알아볼 수 있다. 결과 및 정리하기 ❶ 모둠별로 발표 내용을 다음 표에 정리해 보자. 모둠 ( ) 모둠 선택한 주제 발표 내용 ❷ 조사한 내용을 교과서에서 배운 내용과 관련지어 설명해 보자. 스스로 평가하기 조사·발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 조사한 최신 자료 중 관심있는 내용을 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 발생의 4가지 주요 과정을 이야기해 보자. 2. 생물의 발생 중 세포의 분화는 어떻게 일어나는지 이야기해 보자. 3. 생물의 발생 중 형태 형성은 어떻게 일어나는지 이야기해 보자. 교과서 125쪽 교과서 126쪽~127쪽 교과서 127쪽~128쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 5. 발생의 유전적 조절 129 대단원 마무리 유전자 발현의 조절 발생의 유전적 조절 ● 아데닌(A)은 항상 타이민(T)과 비율이 같고, 구아닌(G)은 항상 사이토신(C)과 비율이 같다는 법칙을 ❷ 이라고 한다. ● 원핵생물의 유전자는 ❸ 구조를 가진다. ● DNA의 ❹ ● DNA 복제에서 주형 DNA를 따라 연속적으로 합성되는 DNA 가닥을 ❺ 복제는 메셀슨과 스탈에 의해 증명되었다. 단편으로 비연속적으로 합성되는 가닥을 지연 가닥이라고 한다. ● 유전부호는 3개의 염기가 한 조가 되는 ❻ 조합이다. ● DNA로부터 RNA가 합성되는 과정을 ❼ 라고 한다. ● 번역은 ❽ ● 오페론은 프로모터, ❿ ● 원핵생물의 오페론과는 달리 진핵생물의 유전자는 각각의 유전자마다 를 가진다. ● 진핵생물의 유전자 발현 조절은 전사 조절, 전사 후 조절, 번역 조절, 등 여러 단계에서 일어난다. ● 발생의 4가지 주요 과정은 결정, ● 세포 분화는 유전자의 ● 형태 형성은 유전자 발현의 코돈에서 시작하며, 끝은 ❾ 코돈에서 일어난다. 와 구조 유전자로 구성된다. , 형태 형성 및 생장이다. 에 기인한다. 에 기인한다. 공간적 차이 조절 부위 번역 후 어 ❶ 에이버리 ❷ 샤가프의 법칙 ❸ 오페론 ❹ 반보존적 ❺ 선도 가닥 ❻ 3염기 ❼ 전사 ❽ 개시 ❾ 종결 ❿ 작동 부위 용 이라고 하며, 짧은 길이의 선택적 발현 유전부호와 유전자의 발현 의 실험을 기점으로 증명되었다. 분화 DNA의 반보존적 복제 DNA가 유전 물질이라는 증거는 ❶ 조절 유전체의 구성과 유전자의 구조 ● 정답 단 원 한 눈 에 보 기 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 찾 기 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 두 상보적 가닥이 나선형을 이루는 DNA 구조이다. 형 혹 스 유 전 자 작 오 태 이 사 전 미 안 록 페 형 반 중 체 사 티 자 론 4. DNA 복제 시 DNA 부분이 Y자형으로 나타나게 되는 부위이다. 성 보 전 나 프 코 돈 프 5. DNA 복제에서 비연속적으로 합성되는 가닥이다. 분 존 발 생 선 돈 원 로 화 적 지 연 가 닥 핵 모 7. tRNA에 존재하며, 자신과 적합한 코돈을 인식하는 3개의 염기 서열이다. 젖 복 제 분 기 점 진 터 8. DNA에 결합하여 전사를 조절하는 조절 단백질이다. 당 제 생 물 전 사 인 자 130 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 2. 한 생물을 구성하는 모든 유전자의 집합이다. 3. DNA의 2가닥 중 한쪽 사슬이 보존되는 복제 방식이다. 6. DNA나 RNA에서 특정 아미노산이나 종결 신호를 지정하는 3염기로 된 유전부 호의 기본 단위이다. 9. 한 세포로부터 구조와 기능이 서로 다른 세포가 생성되는 과정이다. 10. 몸의 각 체절에서 특정 기관의 형성을 유도하는 유전자이다. 개념 확인하기 개념 응용하기 1 DNA의 이중 나선 구조는 나선으로 꼬여진 사다리와 유사한 5 아래의 뉴클레오타이드 서열을 가진 DNA 주형 가닥에 A～E 모양이다. 사다리의 발판 가로대와 세로 지지대는 각각 무엇에 의 돌연변이가 일어났을 때 가장 적은 수를 가진 폴리펩타이드 해당하는지 쓰시오. 로 번역되는 돌연변이체는 어느 것인가? 주형 가닥 DNA 서열 3′- TAC CGA CCG TTA GTT GAT ATA ATC - 5′ 1 2 3 ⋯⋯ (서열 아래 번호는 뉴클레오타이드 번호이다.) 2 한 생물의 DNA 중 아데닌이 19 %이다. 바르게 설명한 것은? ① 퓨린이 38 %이다. ① 돌연변이체 A: 7번 뉴클레오타이드의 결실 ② 타이민이 50 %이다 ② 돌연변이체 B: 9번 뉴클레오타이드의 G가 T로 바뀌었다. ③ 피리미딘이 62 %이다. ③ 돌연변이체 C: 13번 뉴클레오타이드의 G가 A로 바뀌었다. ④ 사이토신이 31 %이다. ④ 돌연변이체 D: 5번 다음에 GGT가 삽입되었다. ⑤ 구아닌이 19 %이다. ⑤ 돌연변이체 E: 18번 뉴클레오타이드의 T가 A로 바뀌었다. 6 그림은 원핵생물의 세포 내의 한 유전자에서 일어나는 전사와 번역 과정을 보여 주는 모식도이다. 3 그림은 DNA 분자의 일부를 나타낸 것이다. 주형 가닥 5' T G A G G A C T T T T T A C T C C T G A A A A A 3' {D} {E} {A} DNA (1) RNA 코돈은 무엇인지 쓰시오. (2) tRNA의 안티코돈은 무엇인지 쓰시오. (3) 단백질의 아미노산 서열은 무엇인지 쓰시오 (본문 114쪽의 mRNA {C} {B} 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 표 Ⅳ-1 코돈표를 참조하시오). 보기 ㄱ. 전사는 (B)에서 (A)로 일어난다. ㄴ. mRNA의 (C) 부위는 5′ 말단이다. ㄷ. (D)의 리보솜에서 합성된 폴리펩타이드가 (E)의 리보솜 에서 합성된 폴리펩타이드보다 길이가 길다. 4 메셀슨과 스탈의 실험에서 부모 세대에 있는 DNA가 모두 15 N15N이고, 복제 1세대에는 DNA가 모두 15N14N였다면, 복 ①ㄱ ②ㄴ 제 3세대에는 어떤 DNA가 어떤 비율로 관찰되겠는지 쓰시오. ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 자기주도학습노트 ③ ㄱ, ㄴ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 131 7 과학자들이 유전부호가 3글자로 구성되어 있다고 생각한 까닭 과학적 핵심 역량 기르기 은 무엇이며, 어떤 방법을 사용하여 유전부호를 해독하였는지 과학적 탐구 능력 쓰시오. 10 다음은 DNA를 단일 가닥으로 분리시키는 헬리케이스의 성질 을 알아보기 위한 실험이다. <과정 1> 8 다음은 원핵생물과 진핵생물의 유전체와 유전자를 비교한 표 5,000개 염기의 단일 가닥 DNA에 방사선으로 표지된 350개 이다. 염기로 된 짧은 단일 가닥 DNA를 (가)와 같이 결합시킨다. 유전체와 유전자의 특징 원핵생물 진핵생물 <과정 2> 유전체의 선형 또는 원형 헬리케이스와 열(100 ℃)을 각각 혹은 동시에 처리하고 전기 오페론 구조 A, B, C는 헬리케이스와 열을 각각 또는 동시에 처리한 결 유전자의 인트론 존재 과 중의 하나이다. 영동을 하여 (나)와 같은 결과를 얻었다. 방사선으로 표지된 A B 350개 염기의 단일 가닥 DNA 위 표의 빈칸에 들어갈 말을 각각 쓰시오. C DNA 이동 방향 9 그림은 DNA의 복제 모식도를 나타낸 것이다. 5,000개 염기의 단일 가닥 DNA 방사선으로 표지되지 않은 방사선으로 표지된 DNA 밴드 (가) (나) 3' ★ 5' 위 실험 결과에 대한 설명으로 옳은 것만을 있는 대로 고르시 3' 오. (단, 헬리케이스 처리 시 효소 작용에 필요한 ATP 에너지 5' 위 그림에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 를 공급한 것으로 가정한다.) ① (나)에서 젤의 아래에 나타난 밴드는 350개 염기의 DNA 이다. ② (나)에서 젤의 윗부분에 나타난 밴드는 5,000개 염기의 단 일 가닥 DNA이다. 보기 ㄱ. 로 표시된 부분이 복제 원점이다. ㄴ. 연속 복제는 위의 가닥을 주형으로 하여 일어난다. ③ (가)의 DNA를 헬리케이스만을 처리하면 (나)의 A와 같이 나타날 것이다. ㄷ. 아래 가닥을 주형으로 하여 합성되는 DNA는 짧은 단 편으로 합성된 후 연결된다. ④ (가)의 DNA를 헬리케이스와 열처리를 동시에 하면 (나)의 ㄹ. 복제 분기점의 이동 방향은 왼쪽에서 오른쪽이다. ①ㄱ ② ㄱ, ㄴ ④ ㄴ, ㄷ, ㄹ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ 자기주도학습노트 ③ ㄴ, ㄷ C와 같이 나타날 것이다. ⑤ (가)의 DNA를 헬리케이스 처리 없이 열처리만 하면 (나) 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 132 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 의 B와 같이 나타날 것이다. 과학 글쓰기 후성 유전 DNA, 특히 유전자의 염기 서열에 생기는 변화를 돌연변이라고 하며, 이것은 DNA에 영구적인 변화를 일으켜 다음 세대로 유전된다. 하지만 생물이 처한 환경의 변화, 즉 음식이나 화학 물질에 대한 노출, 온도 등 물리적 요인의 영향으로 DNA 염기 서열의 변화 없이 유전자 또는 유전체의 구조 변화로 유전자 발현의 양상이 변하기도 한다. 이러한 변화를 후성 적 변화라고 하는데, 이것은 DNA 염기 서열에 변화가 일어나는 일반적인 돌연변이와는 전혀 다르다. 다음은 DNA에 메틸기(-CH3)가 첨가됨으로써 일어나는 후성적 변화를 보여 주는 그림이다. 후성적 변화는 체세포 분 열을 거쳐 딸세포로 전달되고 감수 분열에 의해 다음 세대로 유전되기도 하며, 때로는 자손 대대로 전달되기도 한다. 유전적 변화 정상 DNA AAGTCCGAGCCT 후성 유전적 변화 AAGTCCGAGCGT 메틸화 되지 않음 메틸기 메틸기 돌연변이 DNA AAGTCCTAGCCT AAGTCCGAGCGT 메틸화 동일한 유전체를 가진 일란성 쌍생아가 서로 다른 질환을 나타내는 것도 후성 유전에서 그 근거를 찾을 수 있다. DNA의 후성적 변화는 암의 발병, 생물의 정상적인 발생과 생장에 영향을 미친다. 예를 들어 염기 서열의 변화를 일으키지 않는 독 성 물질이 암 유발원이 될 수 있다. 후성 유전적 변화는 획득 형질이 다음 세대에 유전될 가능성이 있음을 말해 준다. 따라서 음식, 운동 등의 환경 조건이 사람의 유전자에 변화를 일으켜 다음 세대에 새롭게 변화된 유전자 유산을 남겨 줄 수 있을 것 이다. 과학적 사고력 1 후성 유전적 변화는 진핵생물의 유전자 발현 조절의 여러 단계 중 어디에 해당되는지 설명해 보자. 과학적 의사소통 능력 2 후성 유전적 변화와 일반 돌연변이의 유전자 변화의 차이점을 토의해 보자. 과학적 문제 해결력 3 최근 한 다큐 방송에서 ‘당신이 먹는 게 3대를 간다.’라는 프로그램을 방영한 적이 있다. 이 내용을 후성 유전학과 관련지어 글 로 써 보자. 과학 글쓰기 133 중학 과학 통합과학 생물의 다양성, 생물 분류 방법과 목적, 생명 과학Ⅰ 화석, 대멸종, 진화와 생물의 다양성 생태계와 상호 작용, 개체군과 군집 생물 다양성과 유지 생태계와 상호 작용 종의 개념과 분류 체계 생물의 다양성 배 운 내 용 확 인 하 기 ● 분류 계급은 역, 계, 문, ❶ , 목, ❷ , 속, ● 종으로 이루어져 있다. ● 5계 분류 체계에서는 생물을 원핵생물계, 원생생물 계, 균계, ❸ , 동물계로 분류한다. 끊임없는 지구 환경 변화에 적응하는 과정에서 생 물 ❹ ● 생물은 ❺ 한다. ● 와 ❻ 생물 다양성은 유전적 다양성, ❼ 다양성, 생태계 다양성을 포함한다. 이 형성되었다. 의 과정을 통해 진화 ● 같은 종에서 형태나 지리적 분포가 다른 무리를 ❽ 이라고 한다 생물의 진화와 다양성 이 단원에서는 지구상에서 최초의 생명체가 탄생한 과정과 원핵생물에서 진핵생물로, 단세 포 생물에서 다세포 생물로 진화한 과정을 알아본다. 또한, 3역 6계를 토대로 식물과 동물을 분류해 보고 진화의 원리와 종의 분화 과정을 알아본다. 생명 과학Ⅱ 생명의 기원과 진화, 3역 6계 분류 체계, 식물과 동물의 분류, 진화의 원리, 종분화 생물의 진화와 다양성 답 ❶ 강 ❷ 과 ❸ 식물계 ❹ 다양성 ❺ 변이 ❻ 자연 선택 ❼ 종 ❽ 아종 1 생명의 기원 2 생명체의 진화 3 생물의 분류 체계 4 식물과 동물의 분류 5 진화의 원리 6 종의 분화 끈끈이주걱, 파리지옥, 벌레잡이통풀(네펜데스)은 스스로 광합 생 각 열 기 성을 하는 식물이지만 곤충 등의 작은 동물을 잡아먹기도 하는 벌 레잡이 식물이다. 이들은 다양한 형태의 발달된 벌레잡이 기관을 가지고 있다. 끈끈이주걱은 주걱 모양으로 변형된 잎의 돌기에서 분비된 이 다양한 형태의 벌레잡이 식물들 슬방울 모양의 점액에 달라붙는 곤충을 잡고, 파리지옥은 감각모 와 돌기가 발달한 넓적한 잎에서 분비되는 달콤한 점액에 이끌려 다가오는 곤충을 잡으며, 벌레잡이통풀은 벌레잡이통의 입구에서 꿀 등의 달콤한 점액을 분비하여 통 속으로 유인된 동물을 잡는다. 심지어 어떤 벌레잡이 식물들은 도마뱀이나 쥐 등을 잡아먹기도 한다. 벌레잡이 식물들은 광합성을 하는 데도 불구하고 동물을 잡아먹는 생물로 진화한 이유는 무엇일까? 136 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 1 학습 목표 생명의 기원 • 화학적 진화를 통한 원시 세포의 탄생 과정을 설명할 수 있다. • 원시 세포 탄생 과정에서 막 형성의 중요성을 설명할 수 있다. 활화산의 분화구 내부와 마찬가지로 원시 지구는 뜨거워서 생명체가 살 수 없었다. 그 런데 지구상에 어떻게 생명체가 나타나게 되었을까? 20세기 초에 지구 생성의 비밀이 보 다 상세히 밝혀지면서 과학자들은 원시 지구에서 화학적 진화의 과정을 거쳐 생명체가 탄생하였다는 가설을 제시하였다. 생명체는 어떤 과정을 통해 생겨났을까? 화학적 진화를 통한 생명체의 탄생 과정 핵심 용어 46억 년 전에 처음 생성된 원시 지구는 운석의 빈번한 충돌과 활발한 화산 활동으로 표면이 매우 뜨겁고 녹아 있는 상태였다. 물은 증발하여 두꺼운 구름층을 형성하고 있었 화학적 진화 마이크로스피어 원시 세포 코아세르베이트 리포솜 자기 복제 체계 고, 대기 성분은 화산 분출물로 뿜어져 나온 질소, 이산화 탄소, 수증기가 대부분이었다. 또한, 지표에는 태양으로부터 막대한 양의 에너지가 유입되었고, 두꺼운 구름층으로부 터 공중 방전이 끊임없이 일어나고 있었다. 시간이 지남에 따라 지표면은 냉각되어 지각 을 형성하였고, 수증기가 비로 내려 원시 바다를 이루었다. 이와 같은 원시 지구에서 최 초의 생명체가 어떻게 생겨났을까? 환원성 대기 성분 CH , NH , H , H 공중 방전 저분자 유기물 아미노산, 유기산, 단당류 등 화산 폭발 C 고분자 유기물 원시 바다 단백질, 핵산, 지질 등 유기물 복합체 그림Ⅴ- 1 원시 지구 표면의 상상도 코아세르베이트, 마이크로스피어, 리포솜 20세기 초에 오파린( parin, A. I., 1894~1980)과 홀데인(Haldane, . B. S., 1892 ~1964)은 원시 지구에서 생명체가 화학적 진화의 과정을 거쳐 자연적으로 발생하였다 는 가설을 발표하였다. 화학적 진화란 그림 Ⅴ- 2 와 같이 원시 지구에서 무기물로부터 저 분자 유기물, 고분자 유기물, 유기물 복합체 단계를 거쳐 원시 생명체가 탄생하기까지의 과정을 말한다. 원시 생명체 살아 있는 세포 그림Ⅴ- 2 오파린의 가설에 따른 화학적 진화의 과정 1. 생명의 기원 137 다음 활동에서 원시 지구에서 무기물로부터 저분자 유기물이 어떻게 생성될 수 있었는 지 알아보자. 해 보기 자료 해석 밀러의 실험 알아보기 과학적 사고력 과학적 문제 해결력 다음은 밀러의 실험을 나타낸 것이다. 1953년에 밀러는 오른쪽 그 림과 같은 실험 장치에 메테인 (CH ), 암모니아(NH ), 수소 (H ), 수증기(H )의 혼합 기체 진공 펌프로 감압 고전압 전류 수 증 기 를 넣고 한쪽으로는 뜨거운 수 증기를 공급하면서 고전압의 전 기 방전을 일주일 동안 계속한 후 실험 장치의 아래쪽 U자관에 모인 혼합물을 분석하였다. CH¢,`H™ H™O,`NH£ 물 물 냉각 장치 방전에 의해 생성된 유기물이 혼합된 물 끓는 물 그는 첫 번째 실험에서 사이 안화 수소(HCN)와 폼알데하이 드(CH 방전 유기물 U자관 )가 생성된 것을 확인 하였으며, 이후 여러 차례의 실험에서는 몇 종의 아미노산과 유기산, 당류 등의 저분자 유기 물이 생성된 것을 확인하였다. 정리하기 ❶ 유기물 합성에 이용된 에너지는 무엇인가? ❷ U자관은 원시 지구의 무엇에 해당하는가? ❸ 위 실험 장치에서 암모니아와 아미노산의 양은 각각 시간에 따라 어떻게 변하는지 설명해 보자. 환원 대기설 원시 지구의 대기가 수소, 메테인, 암모니 아, 수증기 등의 환원성 대기로 이루어져 있었다는 학설이다. 오파린은 환원성 대기 성분으로부터 간단한 유기물이 생성되었다고 주장하였다. 그런 데 최근의 연구에 따르면 원시 지구의 대기 성분은 환원성 대기가 아니라 질소, 이산화 탄소 및 수증기가 주성분이었다. 이와 같은 대기 성분에서는 유기물이 생성되어 축적되 기 어려우므로 과학자들은 유기물 합성이 일어난 곳이 원시 대기가 아니라 물에 잠긴 화 산 분화구 속이나 심해 열수구가 더 유력하다고 주장한다. 특히 심해 열수구는 환원성 상 태일 가능성이 크며, 압력이 높고 화학 물질과 에너지가 풍부하여 환원성 대기에서 보다 더 많은 유기물이 합성되어 축적될 수 있었을 것이다. 그림Ⅴ- 3 심해 열수구 수백 C의 뜨 거운 가스와 물이 분출된다. 138 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 원시 지구에 축적된 다양한 유기물들은 상호 작용을 통해 원시 생명체가 탄생하는 토 대를 이루었다. 원시 세포 탄생 과정에서 막 구조 형성의 중요성 최초의 생명체는 원시 세포 형성 단계를 거쳐 탄생하였다. 원시 세포는 인지질의 막으 로 둘러싸여 있고 자기 복제가 가능하며, 그 속에서 간단한 물질대사가 일어난다. 원시 세포의 막 구조는 어떻게 생성되었을까? 오파린은 탄수화물, 단백질 및 핵산의 혼합물로부터 액체 방울 형태의 복합체인 코아세르베이트를 만들고, 이것으로부터 원시 생명체가 생겨났다고 주장하였다. 코아세르베이트는 세포막처럼 외부와 경계가 형성되 어 있고 물질을 선택적으로 흡수하며, 크기가 커지면 분열하는 특성이 있다. 효소 한편, 폭스는 고온 건조한 상태에서 아미노산으로부터 합성한 폴리펩타이드 용액을 냉 각하여 액체 방울 형태의 복합체인 마이크로스피어가 형성되는 것을 관찰하고, 마이크로 유전 물질 스피어 단계를 거쳐 원시 생명체가 생겨났다고 주장하였다. 마이크로스피어는 단백질로 된 막이 선택적 투과성을 가지며 주위의 조건에 따라 물질을 흡수하거나 방출하고, 크기 세포막(인지질) 그림Ⅴ- 4 원시 세포 모형 가 커지면 분열하기도 한다. 이후 과학자들은 여러 가지 유기물과 지질의 혼합물로부터 리포솜이라는 작은 구조물 을 만들어 냈다. 리포솜은 현재의 세포막처럼 선택적 투과성을 가진 인지질 2중층의 막 으로 되어 있는데, 주위의 조건에 따라 물질을 흡수하거나 방출하고 더 작은 리포솜을 생성하여 방출하는 등 증식에 해당하는 특징도 나타낸다. 일부 리포솜은 몇 가지 효소와 기질을 첨가하면 물질대사를 하고 생성물을 밖으로 배출하기도 한다. 현존하는 세포들의 막 구조를 통해 추정해 볼 때 원시 세포의 막 구조는 단백질보다는 리포솜과 같은 인지질을 기반으로 형성되었다고 생각할 수 있다. 5μm 100μm 20μm 친수성 친수성 친수성 표면 물층 소수성 소수성 단백질과 탄수화물의 고체 입자 그림Ⅴ- 5 코아세르베이트(좌), 마이크로스피어(중앙), 리포솜(우)의 모습과 구조 1. 생명의 기원 139 원시 세포의 형성 과정에서 막 구조의 형성이 중요한 이유는 무엇일까? 세포막처럼 막 구조는 외부와 경계를 이루어 내부 환경을 독립적이고 안정적으로 만들어 준다. 그뿐만 아니라 막은 물질대사가 일어날 수 있는 확률을 높여 준다. 생명체의 구성 분자들이 아 무리 많아도 막으로 싸여 있지 않으면 분산되어 지속적으로 화학 반응이 일어나기 어려 자기 복제 체계와 유전 물질은 어떤 관계가 있을까? 운데 이들 분자들이 막 구조에 의해 둘러싸이면 분자들이 확산되지 않고 높은 농도로 유 지되어 화학 반응이 더 활발하게 일어날 수 있게 된다. 인지질로 된 막 구조는 단백질 등이 포함되면서 외부 경계로서의 기능뿐만 아니라 선 택적 투과성을 나타내고, 삼투압에 반응하여 물질 출입을 조절하는 등 생명 활동에 필수 적인 다양한 기능들을 수행할 수 있도록 점차 진화하였을 것이다. 이와 같이 막 구조가 형성되고 생명 현상을 나타내는 데 필요한 주요 물질 분자들을 둘러싸게 되면서 원시 세 포는 어느 정도 외부와 구조적 · 기능적으로 독립된 단위가 될 수 있었다. 화학적 진화의 마지막 단계에서는 다양한 형태의 원시 세포가 형성되었을 것이다. 그 중에서 막 구조를 가지고 외부와 물질 교환을 충분히 하고 다양한 효소들을 가지고 있어 이것이 궁금해요 화학적 진화와 생물학적 진화는 어떻 게 구별하나요? 서 필요한 물질과 에너지를 이용하며, 유전 물질을 가지고 지속적으로 자기 복제를 통해 번식할 수 있었던 것이 최초의 생명체로 진화했을 것이다. 화학적 진화 생물학적 진화 RNA-단백질 체계 형성, DNA 생성 지속적인 자기 복제 체계 유기물 원시 세포 고분자 유기물 저분자 유기물 원시 생명체 정교한 효소계 (에너지 대사 능력 획득) 구형의 지질막 형성 무기물 원시 지구에서 무기물로부터 생성된 다양한 유기물들은 코아세르베이트와 같은 복합체를 형성하였고. 이 복합체들은 지질 막 구조를 가지고 자기 복제가 가능하며 물질대사가 일어나는 원시 세포를 형성하였다. 그리고 원시 세포는 진화하여 유전 물 질을 가지고 자기 복제를 통해 번식이 가능하며 보다 정교한 효소계를 가지고 에너지 획득을 위한 물질대사를 하는 원시 생 명체로 발전하게 되었을 것이다. 그림Ⅴ- 6 원시 생명체의 탄생 과정 140 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 더 알아 보기 최초의 유전 물질 생명체에서 DNA에 저장되어 있는 유전 정보는 RNA를 거쳐 단백질로 번역됨으로써 형질로 발현된다. 그리고 생명체 내 에서 효소는 화학 반응에 대한 촉매 작용을 하여 물질대사가 일어나게 하며, 이러한 효소 기능을 수행하는 것은 대부분 단백 질이다. 미국의 체크(Cech, T. R., 1947~ )와 올트먼(Altman S., 뉴클레오타이드 ... ... ... ... ... ... ... 주형 RNA ... 5' ... RNA 중합 효소 기능을 갖는 상보적 RNA 복사본 ... 로 리보자임이라고 명명하였다. 3' ... ... 하고 이를 RNA 효소라는 뜻으 5' ... ... ... ... ... ... ... ... ... 리보자임은 매우 짧은 단일 가닥 의 뉴클레오타이드 사슬로 되어 있고 자기 복제가 가능하며, 뉴클 여 짧은 주형 RNA로부터 상보 적으로 새로운 RNA 가닥을 합 ... ... ... ... ... ... 소 없이도 스스로 효소로 작용하 리보자임(RNA 분자) ... ... ... ... 레오타이드가 공급되면 다른 효 ... ... ... ... ... ... 소처럼 작용하는 RNA를 발견 ... ... ... 1939~ )은 한 원생생물에서 효 리보자임의 구조 입체구조를 가진 리보자임이 RNA 중합 효소로 작용하여 주형 RNA로부터 상보적 RNA 복사본이 합성되고 있다. 성한다. 이후 여러 종의 리보자임이 추가로 발견되고 있다. 리보자임의 발견에 따라 생명의 초기 단계에서 DNA보다는 RNA가 유전 물질로서 자기 복제 체계의 중심 역할을 수행하였으며 효소 기능까지도 수행하였다는 ‘RNA 우선 가설(RNA 세계 가 설)’이 등장하게 되었다. 생각해 보기 1. 최초의 유전 물질이 무엇인지 추정해 보고, 그렇게 생각한 이유를 설명해 보자. 친구와 묻고 답하기 1. 화학적 진화 과정을 이야기해 보자. 2. 원시 세포 형성 과정에서 막 형성이 중요한 이유를 이야기해 보자. 3. 현존하는 세포에서 세포막이 수행하는 다양한 기능을 이야기해 보자. 교과서 137쪽~138쪽 교과서 139쪽~140쪽 교과서 140쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 1. 생명의 기원 141 2 학습 목표 생명체의 진화 • 원핵생물에서 진핵생물로 진화하는 과정을 모형으로 설명할 수 있다. • 단세포 생물에서 다세포 생물로 진화하는 과정을 모형으로 설명할 수 있다. 녹색 짚신벌레는 한 마리의 짚신벌레 내부에 수백 마리의 광합성을 하는 클로렐라가 공 생하고 있는 존재이다. 가령 이들이 하나의 생명체로 통합된다면 이것은 서로에게 큰 이익 이 되는 획기적인 사건일 것이다. 원핵생물에서 진핵생물로 진화하고, 단세포 생물에서 다 세포 생물로 진화한 것은 이보다 훨씬 큰 사건이었다. 이 과정들은 어떻게 일어났을까? 핵심 용어 광합성 생물 막 진화설 군체 산소 호흡 생물 세포내 공생설 다세포 생물 원핵생물의 진화 38억 전에 탄생한 최초의 생명체는 세포 구조가 매우 단순한 단세포 원핵생물이었다. 원시 바다에는 많은 양의 유기물이 존재하였고, 원시 대기에는 산소가 거의 없었다. 따 라서 이들은 축적된 유기물을 이용하는 종속 영양 생물이었고 무산소 호흡 생물이었다. 종속 영양 생물이 오랜 기간 번성하면서 바닷속의 유기물의 양은 점차 감소하였고, 이 러한 변화에 적응하여 무기물로부터 유기물을 합성하는 독립 영양 생물이 출현하였다. 스트로마톨라이트에서 발견된 화석상의 증거로 볼 때 최초의 독립 영양 생물은 약 35 그림Ⅴ- 7 스트로마톨라이트에서 발견 된 생물 화석 35억 년 전의 암석인 스 트로마톨라이트에서 발견된 광합성 원 핵생물 화석이다. 남세균 엽록소 a를 가지고 광합성을 하는 원핵생 물이다. 억 년 이전에 출현하였으며, 남세균과 같은 광합성 생물이었다. 광합성 생물의 등장으 로 유기물이 생성되어 축적되었고, 산소가 방출되어 대기의 산소 농도를 증가시켰다. 이 는 호흡에 산소를 이용하여 에너지를 얻는 산소 호흡 생물이 출현하는 토대가 되었다. 그 리고 훗날 산소는 오존층을 형성하여 지표면에 도달하는 자외선을 차단함으로써 생물이 육상으로 진출하는 토대가 되었다. 그림Ⅴ- 8 스트로마톨라이트 스트로마톨라이트는 남세균과 퇴적물 알갱이가 결합하여 형성된 층상 침전물이다. 142 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 진핵생물의 출현 원핵생물은 최초의 생명체가 탄생한 이후 약 17억 년 동안 지구상에 유 일한 형태의 거주자였다. 그런데 약 21억 년 전쯤에 원핵생물이 진화하여 훨씬 더 크고 복잡한 새로운 형태의 세포 구조를 가진 진핵생물이 출현하 였다. 원핵세포가 진핵세포로 진화하는 과정은 크게 두 가지 가설로 구분 하여 설명된다. 첫째, 막 진화설은 세포막이 안으로 함입되어 겹쳐지면서 소포체, 골지체 그림Ⅴ- 9 엽록체를 가진 진핵생물의 화석 와 같은 단일막으로 된 세포 소기관들이 생겨났고, 함입된 막의 일부가 유전 물질을 둘 진핵세포와 원핵세포의 차이점은 무엇일까? 러싸서 핵막을 형성하였다고 설명한다. 둘째, 세포내 공생설은 원래 단독 생활을 하던 세균이 숙주 세포 내에서 공생하다가 미 토콘드리아와 엽록체가 되었다고 설명한다. 즉, 산소 호흡 세균과 광합성 세균이 큰 숙 주 세포에 삼켜진 뒤 분해되지 않고 살아남아 숙주 세포와 공생 관계를 형성하며 살아가 다가 각각 미토콘드리아와 엽록체로 전환된 것이다. 세포내 공생 과정에서 산소 호흡 생물은 효율적으로 ATP를 생산하여 숙주 세포에 스스로 정리 하기 공급하고, 숙주 세포는 영양분을 제공함으로써 공생 관계가 형성될 수 있었다. 마찬가지 •막 진화설: 로 광합성 세균과 숙주 세포 사이에는 광합성 세균이 유기물을 합성해 주 원핵세포 고, 숙주 세포가 이산화 탄소, 물, 무기염류 등의 필요 세포질 •세포내 공생설: 한 물질을 제공하는 공생 관계가 형성될 수 있었다. DNA 세포막 안으로 접혀 들어간 세포막 과 체막 소포 산소 호흡 세균을 삼킴 미토콘드리아 의 막 핵 종속 영양 진핵생물의 조상 소포체 진 화 핵막 핵 세포내 공생에 의한 미토콘드리아와 엽록체의 진화 핵과 내막계가 있는 진핵세포 광합성 세균을 삼킴 막 진화설 엽록체 미토콘드리아 독립 영양 진핵생물의 조상 그림Ⅴ- 10 진핵세포의 진화 모델 세포내 공생설 2. 생명체의 진화 143 세포내 공생설은 다음과 같은 여러 가지 증거들에 의해 지지되고 있다. 미토콘드리아 와 엽록체의 2 중막 구조는 이들이 숙주에 들어갈 때 세포내 섭취를 통해 숙주의 세포막 에 둘러싸인 결과로 설명된다. 두 세포 소기관은 세포 내에 독자적인 DNA와 리보솜을 가지고 있어서 자기 복제를 하여 증식한다. 그리고 유전자의 특성이 원핵세포의 것과 유 사하며, 원핵세포와 유사한 방식으로 분열한다. 또한, 두 세포 소기관은 원핵세포와 크 기가 비슷하고, 가지고 있는 리보솜의 크기도 원핵생물의 것과 비슷하다. 다세포 생물의 출현 스스로 정리 하기 •단세포 생물의 군체 형성 이유: 최초의 진핵생물은 단세포 생물이었으며, 약 15억 년 전쯤에 여러 개의 세포로 이루어 진 다세포 생물이 처음으로 출현하였다. 다음 활동에서 다세포 생물이 어떤 과정을 거쳐 출현하였는지 알아보자. 해 보기 자료 해석 다세포 생물의 출현 과정 알아보기 과학적 문제 해결력 과학적 사고력 다음은 유연관계가 매우 가까운 단세포 녹조류인 클라미도모나스와 녹조류의 군체인 고니움, 판도리나, 볼복스의 특징을 비 교한 것이다. 클라미도모나스 고니움 판도리나 볼복스 (_400) 단세포 녹조류로, 각각의 개체가 독립적으로 생활함 •4개~16개의 동일한 단세포 개 체가 평면상의 군체를 형성함 •세포 분화 없음 •각 개체가 독자적으로 분열 번 식함 •8개~수십 개의 개체들이 구형 의 군체를 형성함 •영양 세포와 생식세포 분화 •군체의 모든 세포가 동시에 분 열하여 딸 군체가 형성되어 방 출됨 •수백 개~수천 개의 개체들이 구형의 군체를 형성함 •영양 세포와 생식세포의 분화가 뚜렷함 •세포들 사이에 원형질이 연결되 어 있고, 각 개체들은 독자적으 로 번식이 불가능함 •모 군체의 생식세포에서 딸 군 체가 형성되어 방출됨 정리하기 ❶ 녹조류의 군체 중에서 각 개체의 기능이 분업화된 최초의 형태는 무엇인가? ❷ 각 개체의 독자적인 번식이 불가능한 형태는 무엇인가? ❸ 녹조류의 여러 형태들이 다세포 녹조류가 출현하는 과정의 어느 한 단계라고 가정할 때, 진화하는 순서대로 나열하고, 그렇게 생각한 이유를 말해 보자. 144 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 다세포 생물은 단세포 생물 개체들이 군체를 형성하는 과정에서 출현하였다. 이들이 군체를 형성하는 이유는 포식자, 온도, 삼투압 등 환경에 적응하는 데 유리하기 때문이 다. 군체 상태에서 개체들 간의 역할과 기능이 서서히 분업화되었고, 어느 시점에 각 개 체들이 독자적으로 생존과 번식이 불가능한 상태가 되어 하나의 다세포 생물체로 통합 되었다. 그림 Ⅴ- 11 은 단세포 진핵생물로부터 다세포 생물이 출현하는 과정을 나타낸 모형이 다. 단세포 진핵생물들이 처음에는 단순한 군체를 형성하였으나 나중에는 영양 세포와 이동성 세포 등 기능이 분업화된 군체를 형성하였다. 그리고 이들이 하나로 통합되어 체세포를 가지고 생식세포를 방출하는 다세포 생물 개 체가 된 것이다. 생식세포 이동성 세포 영양 세포 단세포 생물 군체 분화된 군체 다세포 생물 그림Ⅴ- 11 다세포 생물의 진화 모형 현존하는 식물과 동물, 그리고 대부분의 균류들이 다세포 생물이다. 이들은 하나의 경 로로 다세포 생물로 진화한 뒤 계통이 갈라진 것이 아니라 각각 다른 경로로 단세포 생 스스로 정리 하기 •다세포 생물의 출현 과정: 물에서 다세포 생물로 진화하였다는 것이 밝혀졌다. 친구와 묻고 답하기 1. 막 진화설의 내용을 이야기해 보자. 2. 세포내 공생설의 내용을 이야기해 보자. 3. 단세포 생물에서 다세포 생물로 진화한 과정을 이야기해 보자. 교과서 143쪽 교과서 143쪽~144쪽 교과서 144쪽~145쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 2. 생명체의 진화 145 3 학습 목표 생물의 분류 체계 • 3역 6계의 분류 체계를 이해하고 각 분류군의 차이를 설명할 수 있다. 미국의 옐로스톤 국립 공원의 뜨거운 온천은 신비하고 다양한 색깔의 장관을 보여 준 다. 이와 같은 장관은 극호열균이라는 여러 종의 고세균이 번식하기 때문에 나타난다. 고 세균의 발견과 연구는 3역 6계 분류 체계가 등장하는 결정적인 계기가 되었다. 3역 6계 분 류 체계는 어떻게 이루어져 있으며, 각 분류군의 주요 특성 및 차이점은 무엇일까? 종의 개념 핵심 용어 종 계통 세균역 분류의 단계 학명 유연관계 3역 6계 고세균역 진핵생물역 생물을 분류하는 기본 단위는 종이다. 즉, 종은 생물 분류에서 같은 무리로 묶을 수 있 는 최소한의 단위를 말한다. 종은 어떻게 정의할 수 있을까? 다음 활동에서 종의 개념에 대해 알아보자. 분류 체계 다양한 생물들의 특징을 기준으로 생물을 체계적으로 정리한 것이다. 해 보기 조사•토의 생물학적 종의 개념 알아보기 과학적 참여와 평생 학습 과학적 사고력 다음은 외형이 유사해 보이는 말, 노새, 당나귀의 사진이다. 세 동물의 특징을 조사해 보 고, 이들이 서로 같은 종인지 다른 종인지 토의해 보자. 말 노새 당나귀 정리하기 도움말 •휴대 전화, 인터넷, 백과사전 등을 활용 하여 조사한다. ❶ 세 동물이 서로 어떤 관계가 있는지 말해 보자. ❷ 세 동물은 각각 독립적인 종이라고 생각하는가? 그렇게 생각하는 까닭은 무엇인가? ❸ 종을 어떻게 정의할 수 있는지 토의해 보자. 146 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 근대적인 분류 체계를 확립한 린네는 외부 형태가 유사한 특징을 가진 생물 개체들을 같은 종으로 묶는 형태적 종의 개념을 사용하였다. 그러나 오늘날에는 생물학이 발달하 고 진화론이 일반화됨에 따라 생식적 격리를 중요시하는 생물학적 종의 개념이 사용되고 생식적 격리 생물 분류군 사이에 서로 교배하여 생식 능력이 있는 자손을 낳을 수 없는 상태 있다. 생물학적 종의 개념은 ‘형태적 특징과 생활형이 비슷하고, 자연 상태에서 자유롭게 서로 교배하여 생식 능력이 있는 자손을 낳을 수 있는 무리’로 정의되고 있다. 계층적 분류와 분류의 단계 여러 가지 종들 사이에는 서로 공통점이 많은 종 도 있고 적은 종도 있다. 일반적으로 진화 과정에 서 최근에 갈라진 종들일수록 더 많은 공통점을 가 지고 있다. 따라서 생물종은 어떤 공통 특징을 기 준으로 한 단계 더 큰 분류군인 속으로 묶을 수 있 다. 린네는 생물종들을 더 큰 분류군인 속으로 묶고, 비슷한 속은 다시 과로 묶어 나가는 방식으로 종, 속, 과, 목, 강, 문, 계의 계층적 분류 방법을 확립하였다. 지금은 생물학의 발달에 따라 계보다 더 큰 분류군인 역(D m )의 개념을 사용하여 생물들을 분류하 고 있다. 학명 생물종에 대해 나라나 지역마다 다른 명칭을 사용하는 경우 학술 교류 및 연구에 어려 움이 많으므로 국제적으로 통용되는 명칭인 학명이 사용되고 있다. 학명은 국제 규약에 따라 린네가 창안한 이명법을 사용한다. 이명법에서는 생물의 종명을 속명과 종소명을 함께 사용하여 나타내며, 먼저 속명을 쓰고 그 뒤에 종소명을 쓰며, 그 다음에 명명한 사람의 이름을 붙인다. 종소명은 분류 단 계상의 종의 명칭을 말한다. 사람과 표범의 학명은 다음과 같이 표기할 수 있다. 사람 omo 표범 a 속명 e a a ie Linne a du L. 종소명 명명자 속명과 종소명은 라틴어 또는 라틴어화한 용어를 이탤릭체로 쓰며, 속명의 첫 글자는 대문자로, 종소명의 첫 글자는 소문자로 쓴다. 명명자는 정체로 쓰고 이름의 첫 문자만 쓰거나 생략할 수도 있다. 그림Ⅴ- 12 생물의 계층적 분류 3. 생물의 분류 체계 147 3역 계의 분류 체계 18세기 초에 린네는 생물을 식물과 동물로 분류하는 2계 분류 체계를 확립하였다. 그 후 생물학의 발달에 따라 분류 체계는 3계, 4계, 5계, 6계 체계로 점차 발전해 왔다. 20세기 후반에 우즈(Woese, C., 1928~)는 생물을 기존의 5계 분류 체계 대신 6계 로 분류할 것을 제안하였고, 더 나아가 계보다 더 큰 범주의 분류군인 역이라는 새로운 개념을 도입하여 3역 6계 분류 체계를 제창하였다. 다음 활동에서 3역 6계의 분류 체계를 알아보자. 탐구 활동 조사•토의 5계와 3역 6계의 분류 체계 비교하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 모둠별로 5계와 3역 6계 분류 체계를 비교해 보고 주요 차이점에 대해 발표해 보자. 미리 알아보기 4명~5명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 1. 조사하기 자료 내려받기 •Ⅴ- 1. 5계와 3역 6계의 분류 체계 (1) 모둠별로 참고 자료 [Ⅴ- 1. 5계와 3역 6계의 분류 체계]를 내려받아 확인한다. (2) 제시된 5계 분류 체계와 3역 6계 분류 체계 중 하나를 선택한다. 진핵생물역 식물계 고세균역 균계 동물계 균계 세균역 진정세균계 고세균계 식물계 동물계 원생생물계 원생생물계 원핵생물계 5계 분류 체계 (3) 다음 내용에 주안점을 두고 조사한다. •5계 분류 체계와 3역 6계 분류 체계의 주요 차이점 •기존의 5계 대신 6계 분류 체계가 제안된 이유 •3역이라는 새로운 분류 단계가 제안된 이유 148 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 3역 6계 분류 체계 2. 조사 내용 정리하기 우리 모둠에서 선택한 분류 체계를 기준으로 다음 내용을 조사하여 정리해 보자. 5계 분류 체계의 특징 3역 6계 분류 체계의 특징 •계의 종류 •역과 계의 종류 •각 계의 특징 및 차이점 •각 역과 계의 특징 및 차이점 도움말 •역을 분류하는 기준, 계를 분류하는 기준 이 무엇인지 알아본다. 발표 및 토의하기 발표 시 유의점 1. 모둠별로 정리한 내용을 발표하고, 다음 문제를 토의해 보자. (1) 3역 6계 분류 체계에서 고세균은 진정세균과 진핵생물 중 어느 것과 유연관계가 더 가까운가? (2) 5계 분류 체계와 3역 6계 분류 체계에서 동물계, 식물계, 균계의 유연관계는 어떤 • 발표는 중요 내용을 위주로 하며 이 해를 높일 수 있도록 시청각 자료를 활용하도록 한다. • 발표 내용을 충분히 준비하고 발표 시간을 잘 지키도록 한다. • 다른 모둠의 발표를 경청한다. 차이가 있는가? (3) 앞으로 분류 체계가 바뀌어 새로운 계가 등장한다면 새로운 여러 계로 분리될 가 능성이 큰 계는 무엇일지 생각해 보고, 그렇게 생각한 이유를 말해 보자. 평가하기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. •5계와 3역 6계의 분류 체계를 정확하게 이해한 모둠은 어느 모둠인가? •발표 내용을 충분히 잘 전달한 모둠은 어느 모둠인가? •발표 자료가 잘 준비되어 있는 모둠은 어느 모둠인가? 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 평가 기준 평가 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 모둠 내에서 나의 역할을 충실히 수행하였는가? 토론을 위한 자료 조사를 충실히 수행하였는가? 3. 생물의 분류 체계 149 오늘날 분류 체계에서는 계통과 진화적 유연관계를 매우 중요시한다. 생물의 진화 초기에 가장 먼저 일어난 중요한 사건은 모든 생물 의 공통 조상이 두 갈래로 나누어져 하나는 진핵생물과 고 세균의 공통 조상이 되고 다른 하나는 세균의 조상이 된 것이다. 고세균은 대부분 고온의 화산이나 온천, 고농도의 진핵생물역 소금 호수, 습지의 진흙 속 같은 극한의 환경에서 발 세균역 견되는 단세포 생물이다. 알려진 종이 많지 않고 오 고세균역 공통 조상 랫동안 진정세균과 함께 원핵생물로 분류되어 왔다. 그런데 여러 가지 세균의 rRNA의 염기 서열을 비교 분석한 결과, 고세균이 기존의 세균과 매우 다르고 고 유한 특징을 가진 생물군이라는 사실이 발견되면서 새로 운 계로 분류하자는 의견이 제시되었고, 더 나아가 고세균이 진정세균보다는 진핵생물과 유연관계가 더 가깝다는 사실이 밝혀지 면서 독립적인 역으로 분류되었다. 그림Ⅴ- 13 3역의 계통 3역 계 분류 체계에서의 주요 분류군의 특징 표 Ⅴ- 1은 3역 6계의 주요 특징을 비교한 것이다. 고세균역은 핵 등 막으로 된 세포 소 스스로 정리 하기 •고세균과 진핵생물의 공통점: 기관이 없고 원형 DNA가 있다는 점에서는 세균역과 같다. 하지만 세포벽에 펩티도글 리칸 성분이 없고, 히스톤과 결합한 DNA를 가진다는 점에서는 진핵생물과 유사한 특 징이 많이 있다. 진핵생물역에서 원생생물은 대부분 단세포 생물이지만 갈조류나 일부 녹조류처럼 다 세포 생물도 많이 있다. 식물계와 동물계는 모두 다세포 생물이며, 균계는 대부분 다세 포 생물이지만 효모처럼 단세포 생물인 것도 있다. 표Ⅴ- 1 3역 6계의 주요 특징 역 세균역 고세균역 계 진정세균계 고세균계 핵 및 막성 세포 소기관 없음 없음 있음 세포벽의 펩티도글리칸 있음 없음 없음 염색체 형태 원형 원형 선형 히스톤과 결합한 DNA 없음 일부 있음 있음 세포 수 단세포 단세포 특성 150 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 진핵생물역 원생생물계 단세포 또는 다세포 식물계 다세포 균계 동물계 대부분 다세포 다세포 단세포 원핵생물이며, 펩티도글리칸으로 된 세포벽을 단세포 원핵생물이며, 유전 물질로 1개의 원형 DNA 가지며 유전 물질로서 주로 1개의 원형 DNA를 가진다. 를 가지고 있고, 리보솜의 크기가 진정세균의 것과 유사 영양 방법에 따라 광합성 세균과 같은 독립 영양 세균과 하다. 세포벽에 펩티도글리칸 성분이 없고 DNA에 비 대장균과 같은 종속 영양 세균으로 구분 암호화 부위가 있는 점이 진핵생물과 유사 되고, 호흡 방법에 따라 산소 호흡 하다. 세균과 무산소 호흡 세균으로 대부분 고농도의 소금 호수, 구분된다. 대다수의 세균들 고온의 화산과 같이 극한의 은 세균역에 속한다. 환경에 살고 있다. 메테인 (_10,000) 대장균 세균역 고세균역 진정세균계 고세균계 진핵 생물역 최초의 진핵생물로부터 다양한 계통으로 갈라져 생성균, 극호염균, 극호열 (_10,000) 극호염균 균 등이 있다. 육상 생활에 적응하여 진화한 생물이다. 다세포 서 매우 다양한 특징을 가진 생물을 포함하고 있다. 생물로서 조직이 잘 발달해 있고, 엽록체를 가지고 광 대부분 단세포 생물이지만, 군체를 이루는 것과 다세포 합성을 하며, 셀룰로스로 된 세포벽을 가진다. 또한, 물 속과 달리 부력이 없고 건조한 육상에서 몸을 생물도 있다. 영양 방법에 따라 독립 영양 생 잘 지탱하고 물을 흡수하며 광합성을 물, 종속 영양 생물, 혼합 영양 생물로 잘할 수 있도록 잎, 줄기, 뿌리 구분된다. 원생생물 중 각각 다 등의 조직과 기관이 발달하 른 특정 계통으로부터 식물 였다. 계, 균계, 동물계가 진화 계 식 계 아메바 감나무 늑대 광대버섯 동 물 계 계 (_100) 물 물 원생 생 하였다. 균 버섯과 곰팡이를 포함하는 생물 군으로, 몸이 균사로 되어 있고, 키틴질로 세포에는 세포벽이 없고 다세포 생물이 며, 조직과 기관이 다양하고 잘 발달되어 있다. 모두 된 세포벽을 갖는다. 대부분 다세포 생물이지만 효 종속 영양 생물로서 운동 기관과 감각 기관이 잘 발달하여 모처럼 단세포 생물도 있다. 균류는 모두 종속 영양 생물 먹이를 능동적으로 섭취한다. 이다. 3. 생물의 분류 체계 151 자료실 rRNA와 분류 체계의 혁명 3역 6계 분류 체계는 어떻게 등장하게 되었을까? 물리학도였던 우즈는 32세가 되어서야 당시 과학계의 가장 큰 도전 과제 중 하나였던 DNA의 형질 발현 원리 규명에 관심을 가지고 생 명 과학자의 길을 걸었다. 우즈는 단백질 합성 공장인 리보솜을 연구 하던 중에 리보솜을 구성하는 rRNA가 당시에 마땅한 분류 기준이 없던 미생물의 분류에 도움이 될 수 있을 것이라는 생각을 하였다. 메테인 생성 세균 그는 메테인 생성 세균 4종의 특정 rRNA 염기 서열을 다른 세균이나 동식물의 해당 서열과 비교해 보고는 세균이나 동식물과는 뚜렷한 차이가 있다는 것을 발견하였다. 당시 지식으로 메테인 생성 세균은 당연히 다른 세균 무리에 함께 묶여야 했다. 놀란 우즈는 세균에 대한 연구 논문을 뒤지기 시작했고, 이들이 세균이나 동식물과는 다른 독특한 특성을 많이 지니고 있다는 것을 알게 되었다. 즉, 모든 세균의 세포벽에 존재한다는 펩티도글리칸이 메테인 생성 세균의 세포벽에는 없었고, 메테인 생성에 관여하는 조효소도 특 이했던 것이다. 1977년에 우즈는 원핵생물인 세균을 진정세균계와 고세균계로 나눠야 한다고 주장하는 논문을 발표하였다. 그가 고세균이란 이름 을 만든 것은 메테인 생성 세균의 생존 환경이 30억~40억 년 전 지구의 산소가 없는 환경과 비슷하다고 생각했기 때문이다. 혁신적 인 내용이 담긴 논문이었지만 발표 당시에는 별다른 반향이 없었다. 그러 나 그의 주장을 뒷받침하는 관련 자료가 계속 나오면서 사람들은 점점 이 논문에 관심을 가지게 되었다. 나아가 1990년에 우즈는 ‘역(Domain)’이 라는 새로운 분류 단계를 도입하여 3역 6계 분류 체계를 제안하는 논문을 발표하였고, 이는 큰 파장을 몰고 왔다. 우즈의 혁명적인 주장에 대해 당시의 저명한 학자들조차도 격렬한 비판 을 하였지만 결국 오늘날 우즈의 3역 6계 분류 체계는 정설로 받아들여지 고 있다. 친구와 묻고 답하기 1. 5계와 3역 6계 분류 체계의 차이점을 이야기해 보자. 2. 고세균역과 진핵생물역의 유사한 특징과 다른 특징을 이야기해 보자. 3. 진핵생물 역에서 동물계, 균계, 식물계의 유연관계를 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 152 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 교과서 148쪽~150쪽 교과서 150쪽~151쪽 교과서 151쪽 4 학습 목표 식물과 동물의 분류 • 식물과 동물 분류군의 특징을 문 수준에서 이해하고 설명할 수 있다. • 식물과 동물 분류군들 간의 유연관계를 계통수를 이용하여 표현할 수 있다. 동물은 다른 생물을 먹고 살지만 식물은 광합성을 하여 스스로 양분을 만들어 살아간 다. 이와 같이 식물과 동물은 확연히 구분되는 특징을 갖는다. 식물계와 동물계에는 어떤 분류군들이 있으며, 각 분류군들의 특징과 계통 및 유연관계는 어떠할까? 계통수 작성법 계통이란 생물이 진화해 온 경로이며, 이를 그림으로 나타낸 것이 계통수이다. 계통수 를 작성해 보면 생물들의 진화 경로와 생물들 사이의 유연관계를 더 잘 파악할 수 있다. 탐구 활동 핵심 용어 계통수 식물의 분류 기준 동물의 분류 기준 식물의 분류 동물의 분류 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 자료 해석 모형 동물의 형질을 이용한 계통수 작성하기 모형 동물의 특정 형질을 기초로 계통수를 그려봄으로써 계통수를 그리는 방법을 알아보자. 그림은 공통 조상으로부터 진화한 모형 동물 5종의 형질과 계통수의 예를 나타낸 것이 아메바 고, 자료는 계통수 작성 방법을 설명한 것이다. 소나무 표고버섯 사람 촉각 팔 몸통 다리 A B C D E 모형 동물 5종의 형질 ❶ 맨 아래쪽에 공통 조상의 큰 줄기를 그리고, 모든 종이 가진 공통 조상의 형질과 종명을 그 줄기 옆에 쓴다. 둥근 얼굴(A, B, C, D, E) 형질(해당 종) 형질(해당 종) 형질(해당 종) 계통수의 예 형질(해당 종) 형질(해당 종) 형질(해당 종) ❷ 큰 줄기 위에 두개의 가지를 그리고, 하나에는 가장 많은 종이 공통으로 가진 형질과 해당 종명을, 다른 하나에는 나머지 형질과 해당 종명을 쓴다. ❸ ❷에서와 같은 방법으로 계속해서 각 가지의 형질과 종을 나누어 써 나간다. ❹ 모든 종의 가지가 나누어지면 각 가지의 끝에 해당 종명을 쓴다. 형질(해당 종) 형질(해당 종) 형질(해당 종) 정리하기 ❶ 계통수 작성 방법을 참고하여 각 모형 동물 종의 형질을 기초로 계통수를 그려 보자. ❷ E와 유연관계가 가장 가까운 종은 어느 것인가? 스스로 평가하기 계통수 작성 활동에 적극 참여하였는가? 계통수 작성 원리를 이해하였는가? 4. 식물과 동물의 분류 153 식물의 분류 식물은 원생생물인 녹조류 계통으로부터 육상 환경에 적응하여 진화한 다세포 생물이다. 엽록소 a와 를 가지고 있고, 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 구성 세포는 셀룰로스 로 이루어진 세포벽을 갖는다. 식물은 건조한 육상 환경에 적응하면서 건조를 막는 큐티 클층과 기공, 몸체를 지지하고 토양에서 필요한 양분을 얻기 위한 뿌리, 물과 양분을 수 송하는 관다발을 갖는다. 또한, 물질을 수송하는 줄기, 풍부한 빛을 이용하기 위한 넓은 잎 구조, 물 없이 생식세포를 이동하여 수정하고 배아를 발생시키기 위한 생식 기구 등 의 특성이 발달하였다. 잎 스스로 정리 하기 큐티클층이 있어 수분 손실을 막고, 광합성을 하며 양분과 산소를 흡수함 몸 전체 몸체 물의 부력으로 몸을 지탱하고, 광합성을 하며 양분과 산소 를 흡수함 •식물의 분류 기준: 줄기 몸체를 지지하고, 관다발을 통해 물과 양분을 운반함 헛뿌리 뿌리 몸체를 부착함. 뿌리 몸체를 부착하고, 물과 무기 양분 흡수함 녹조류 식물 그림Ⅴ- 14 녹조류와 식물의 특징 비교 식물은 관다발의 유무에 따라 비관다발 식물과 관다발 식물로 분류하는데, 관다발 식물 은 잎, 줄기, 뿌리가 분화되어 있다. 또 종자의 유무에 따라 비종자식물과 종자식물로 분 류하며, 종자식물은 씨방의 유무에 따라 겉씨식물과 속씨식물로 분류한다. 그림 Ⅴ- 15 는 식물의 계통수를 나타낸 것이다. 솔이끼 우산이끼 비관다발 식물 (선태식물) 석송 고사리 은행나무 비종자 관다발 식물 소나무 장미 겉씨식물 속씨식물 (석송류, 양치식물) 씨방 없음 씨방 있음 종자식물 (겉씨식물, 속씨식물) 종자 없음 관다발 없음 그림Ⅴ- 15 식물의 계통수 154 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 종자 있음 관다발 있음 공통 조상 백합 비관다발 식물(선태식물) 관다발이 없고, 잎, 줄 기, 뿌리가 분화되지 않은 식물이다. 포자로 번식하고 배우자의 수정에 물이 필요하며, 습기가 많은 숲속이 나 물가에 서식한다. 우산이끼를 포함하는 태류식물 문, 뿔이끼를 포함하는 각태류식물문, 솔이끼를 포함 하는 선류식물문으로 분류한다. 우산이끼 비종자 관다발 식물(석송류, 양치식물) 잎, 줄 솔이끼 그림Ⅴ- 16 비관다발 식물 기, 뿌리가 분화되어 있고, 헛물관과 체관으로만 이루 어진 관다발이 발달하였다. 포자로 번식하고, 배우자 의 수정에 물이 필요하므로 주로 습한 곳에 서식한다. 비종자 관다발 식물에는 석송식물문과 고사리, 쇠뜨기 등을 포함하는 양치식물문이 있다. 양치식물의 잎과 줄기의 구조는 석송식물보다 종자식물과 더 유사하다. 석송 종자식물(겉씨식물, 속씨식물) 그림Ⅴ- 17 비종자 관다발 식물 잎, 줄기, 뿌리의 고사리 구별이 뚜렷하고 관다발이 발달해 있으며, 종자를 만들어 번식한다. 종자는 건조한 상태 로 단단한 껍질에 싸여 있기 때문에 건조하고 추운 환경에 잘 견딜 수 있다. 종자식물은 겉씨식물과 속씨식물로 구분한다. 겉씨식물은 씨방이 없고 밑씨가 겉으로 드러나 있는 식물로, 형태가 다른 암수의 생식 기관에서 각각 난핵과 정핵이 형성되어 수정이 일어난다. 겉씨식물은 은행식물문, 소철 비종자 관다발 식물이 종자식물과 같은 점과 다른 점은 무엇일까? 식물문, 마황식물문, 구과식물문으로 분류한다. 속씨식물은 꽃식물문이라는 하나의 문 으로 분류한다. 생식 기관인 꽃이 피고, 밑씨가 씨방 속에 들어 있다. 씨방 속에서 난세 포와 극핵이 만들어지고 꽃가루(화분) 속에서는 정핵이 만들어져 중복 수정에 의해 배 (2 )와 배젖(3 )을 만들어 종자를 형성한다. 떡잎의 수에 따라 외떡잎식물과 쌍떡잎식 물로 구분한다. 이것이 궁금해요 겉씨식물의 생식 기관은 왜 꽃이라고 하지 않나요? 은행나무 복숭아나무 그림Ⅴ- 18 종자식물 4. 식물과 동물의 분류 155 동물의 분류 동물은 원생생물의 한 계통으로부터 진화한 다세포 생물이다. 대부분 조직과 기관이 스스로 정리 하기 잘 발달되어 있고, 근육이 발달하여 능동적으로 움직이면서 먹이를 섭취하는 종속 영양 •동물의 분류 기준: 생물이다. 대부분 유성 생식을 하지만, 무성 생식을 하는 것도 있다. 생활사의 대부분은 이배체( )이며, 반수체 배우자( )가 수정을 통해 수정란을 형성한다. 동물은 몸을 이루는 조직의 발달 정도와 배엽의 수, 몸의 대칭성, 입과 항문의 분화 방 법, 탈피 여부, 체절의 유무, 척삭의 유무 등으로 분류하는데, 발생 과정상의 특성이 분류 기준으로 매우 중요하다. 최근에는 분자 생물학적 특징이 중요한 분류 기준이 되고 있다. 동물의 발생 과정에서 수정란은 난할을 통해 포배로 되고, 포배는 낭배 형성 과정 을 거쳐 3배엽을 갖춘 낭배로 되며, 낭배는 신경배를 거쳐 조직과 기관을 갖춘 개체로 된다. 난할 수정란 내배엽 포배강 포배강 원장 중배엽 내배엽 난할 8 세포기 포배 포배의 단면 원구 외배엽 외배엽 낭배 낭배 후기 그림Ⅴ- 19 동물의 초기 배 발생 과정 조직의 발달 정도와 배엽의 수 배의 발생 과정에서 세포 덩어리인 포배 단계를 거 쳐 낭배에서 납작한 세포층이 형성되는데, 이를 배엽이라고 한다. 동물은 몸이 포배 단 계에서 완성되어 진정한 조직과 배엽이 발달하지 않은 무배엽성 동물, 내배엽과 외배엽 만 형성되어 주머니 형태를 보이는 2배엽성 동물, 내배엽, 외배엽, 중배엽을 갖춘 3배엽 성 동물로 분류할 수 있다. 몸의 대칭성에 따라 방사 대칭과 좌우 대칭 동물로 구분한다. 좌우 대칭 몸의 대칭성 후구동물 선구동물 동물은 머리와 꼬리, 앞과 뒤, 등과 배의 방향성이 나타 체강 나고, 앞쪽에 중추 신경계와 머리가 발달하여 능동적으로 원장 움직이며 생활한다. 체강 원구 단단한 중배엽 덩어리가 갈라져서 체강을 형성함 중배엽 중배엽 원구 원장의 주름에서 체강이 형성됨 항문 입 입과 항문의 분화 발생 과정에서 입과 항문의 기 원에 따라 선구동물과 후구동물로 구분한다. 원구가 입 이 되고 나중에 항문이 반대쪽에 생기는 동물은 선구 동물이라고 하고, 반면 원구가 항문이 되고 나중에 입이 반대쪽에 생기는 동물은 후구동물이라고 한다. 입 원구에서 입이 발달 선구동물 그림Ⅴ- 20 선구동물과 후구동물 156 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 항문 원구에서 항문이 발달 후구동물 동물계는 해면동물문, 자포동물문, 편형동물문, 연체동물문, 환형동물문, 선형동물문, 절지동물문, 극피동물문, 척삭동물문 등으로 분류한다. 해면동물은 진정한 조직이 발달하지 않은 무배엽성 동물이고, 자포동물은 방사 대칭이 고 2배엽성 동물이며, 그 외의 동물들은 좌우 대칭이고 3배엽성 동물이다. 3배엽성 동물 은 선구동물과 후구동물로 분류되는데, 선구동물은 촉수담륜동물과 탈피동물로 분류되 체절 동물의 몸을 이루고 있는 마디이다. 탈피 파충류나 곤충류 등이 성장함에 따라 피 부의 허물이나 표피를 벗는 것이다. 고, 후구동물은 극피동물과 척삭동물로 분류된다. 촉수담륜동물은 먹이를 잡는 데 쓰이는 촉수를 가지거나 담륜자 유생(트로코포라) 시 기를 거치는 동물이고, 탈피동물은 큐티클층의 외골격을 가지고 생장 과정에서 탈피를 척삭 몸의 축을 따라 길게 뻗어 있는 세포덩어 리로서 몸의 지지 작용을 한다. 하는 동물이다. 그림 Ⅴ-21 은 최근의 동물 계통수를 나타낸 것이다. 그림Ⅴ- 21 동물의 계통수 4. 식물과 동물의 분류 157 해면동물 자포동물 편형동물 배엽이 형성되지 않은 동물로 진정 몸은 주머니 모양으로 방사 대칭이고 2배엽성 3배엽성 동물로 몸은 납 한 조직이 없다. 몸은 비대칭이며 주 동물이다. 입 주변의 촉수를 이용하여 먹이를 포 작하고 좌우 대칭이다. 입 머니 모양의 2개의 세포층으로 되어 획하며, 촉수에는 자세포가 있어서 먹이를 잡거 은 있으나 항문이 없으며, 있다. 나 몸을 방어하는 데 사용한다. 자포동물에는 히 선구동물이다. 몸속의 갈 드라, 해파리, 말미잘, 산호 등이 있다. 라진 소화관이 순환 기관 의 역할을 겸하고 있다. 플 라나리아, 촌충, 디스토마 등이 있다. 해 화산 히드라 면 해파리 목욕해면 플라나리아 회충 가재 선충 선형동물 파리 절지동물 선구동물이며, 몸이 긴 원통형으 선구동물이며, 몸은 좌우 대칭이고 체절로 되어 있다. 큐티클층의 외골격을 로 좌우 대칭이고 체절이 없다. 체표 가지며, 탈피를 한다. 아가미 또는 기관으로 기체 교환을 하며, 개방 혈관계를 면은 큐티클층으로 덮여 있으며 성장 갖는다. 절지동물에는 게, 가재 등의 갑각류, 거미, 전갈 등의 거미류, 파리, 개 하면서 주기적으로 탈피를 한다는 점 미 등의 곤충류, 노래기, 지네 등의 다지류가 있다. 에서 절지동물과 유연관계가 가깝다. 선형동물에는 선충, 회충 등이 있다. 158 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 연체동물 환형동물 선구동물이며, 몸이 연하고 체절이 없으며 외투막으로 싸여 있다. 아가미 선구동물이며, 몸은 긴 원통형이고 수 로 기체 교환을 하고, 개방 혈관계를 가진다. 발생 중 담륜자(트로코포라) 유 많은 체절로 되어 있다. 체표면으로 기 생 시기를 거친다. 연체동물에는 달팽이, 오징어, 대합, 군부 등이 있다. 체 교환을 하며, 순환계는 폐쇄 혈관계 이다. 발생 중 담륜자(트로코포라) 유생 시기를 거친다. 환형동물에는 지렁이, 갯지렁이, 거머리 등이 있다. 거머리 대합 이 지렁 달팽이 오징어 멍게(미삭류) 불가사리 성게 호랑이(척추동물) 극피동물 척삭동물 후구동물이며, 유생은 좌우 대칭이고 성체는 후구동물이며, 몸은 좌우 대칭이고, 척삭을 갖는다. 미삭류(멍 방사 대칭이다. 몸 표면에 돌기가 많고 단단한 게)는 유생 시기에만 척삭을 가지고, 두삭류(창고기)는 일생 동안 내골격이 있다. 수관계가 발달하였고, 운동과 감 척삭을 가진다. 척추동물(어류, 양서류, 파충류, 조류, 포유류)은 각을 담당하는 관족이 돌출되어 있다. 극피동물 발생 초기에 척삭을 가지지만 성체로 자라면서 척추로 대치된다. 에는 불가사리, 성게, 해삼 등이 있다. 4. 식물과 동물의 분류 159 주변 식물과 동물의 조사 및 분류 주변의 동식물들이 가진 특징들을 조사하고 검색하여 분류해 보면 이들의 계통과 유연 관계를 파악할 수 있다. 또한, 조사, 분류 활동을 하면서 동식물 도감을 이용한 검색법과 채집 도구 사용법을 익히고, 관찰 및 자료 수집 능력을 기를 수 있다. 다음 활동에서 주변의 식물과 동물의 계통과 유연관계를 알아보자. 탐구 활동 조사•관찰 주변의 식물과 동물을 조사하고 계통과 유연관계 파악하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 여러 식물과 동물의 특징을 조사해 보고 문 수준에서의 계통과 유연관계를 설명해 보자. 준비물 카메라, 식물도감, 동물도감, 식물 채집 및 관찰 도구, 동물 채집 및 관찰 도구 과정 1. 4명~5명씩 모둠을 구성하여 주변 지역에서 식물과 동물을 각각 5~10종씩 찾아 생물명 과 문 수준에서의 특징을 알아보고 어느 문에 속하는지 검색해 보자. •카메라로 사진을 찍고, 필요한 경우 여러 가지 채집 및 관찰 도구를 활용한다. •조사한 식물과 동물들 각각의 유연관계를 알아보고 계통수를 그려본다. 2. 다음은 주변에 서식하는 5종의 식물 사진이다. 각 식물의 특징을 정리하고 식물도감을 이용하여 생물명과 문의 명칭을 알아보자. 식물 A 돋보기 돋보기 채집삽 채집삽 가위 가위 비닐 비닐 주머니 주머니 식물 B 식물 C 식물 식물 D 특징 식물 E 생물명 A B 채집통 채집통 C D 채집책 채집책 E 식물 채집 및 관찰 도구 유의점 • 휴대 전화의 카메라로 사진을 찍어 두 었다가 도감을 검색할 때 활용한다. • 움직임이 빠르고 작은 동물의 경우 포충망, 채집병 등을 이용하여 채집 한다. 160 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 3. 조사한 식물들의 유연관계와 계통을 알아보고 계통수를 그려 보자. 문 4. 다음은 주변에 서식하는 5종의 동물 사진이다. 각 동물의 특징을 정리하고 동물도감을 이용하여 생물명과 문의 명칭을 알아보자. 동물 A 동물 B 동물 동물 C 특징 동물 D 생물명 동물 E 문 A 삼각통 삼각자 B 돋보기 C 포충망 핀셋 D E 독병 동물 채집 및 관찰 도구 5. 각 동물들의 유연관계와 계통을 알아보고 계통수를 그려 보자. 정리하기 ❶ 식물 A와 유연관계가 가장 가까운 식물은 식물 B ~식물 E 중 어느 것인가? ❷ 동물 A와 유연관계가 가장 가까운 동물은 동물 B ~동물 E 중 어느 것인가? ❸ 위 활동에서 미처 조사하지 못한 식물과 동물의 문과 그 문에 해당하는 생물을 찾아보자. 스스로 평가하기 조사한 생물의 특징을 고려하여 해당하는 문을 찾았는가? 식물도감과 동물도감 등을 이용하여 생물들을 검색할 수 있는가? 채집 및 관찰 도구를 알맞게 사용할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 계통수를 작성하는 방법을 이야기해 보자. 2. 식물의 분류 기준과 주요 특징을 이야기해 보자. 3. 동물의 분류 기준과 주요 특징을 이야기해 보자. 교과서 153쪽 교과서 154쪽~155쪽 교과서 156쪽~159쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 4. 식물과 동물의 분류 161 5 i௝❭ŁᜅǑࠥ ┽⠪᧲ 학습 목표 ԉᦥີญ⋕ 진화의 원리 • 진화의 증거 사례를 조사하여 변이와 자연 선택에 의한 진화의 원리를 설명할 수 있다. • 하디 - 바인베르크 법칙을 이해하고 유전자풀의 변화로 진화를 설명할 수 있다. 다윈이 비글호를 타고 갈라파고스 군도를 탐사한 것은 진화론이 확립되는 계기가 되었 다. 그는 그곳에서 진화의 증거를 발견하고 진화가 일어나는 과정에 대한 영감을 얻을 수 있었다. 생물의 진화를 보여 주는 증거에는 어떤 것이 있으며, 진화가 일어나는 원리는 무 엇일까? 비글호의 탐사 경로 핵심 용어 변이와 자연 선택을 통한 진화 자연 선택 진화의 증거 하디 - 바인베르크 법칙 유전자풀 유전적 부동 생물이 진화한다는 것은 환경에 적응하는 과정에서 유전적 형질이 변하는 것을 의미한 다. 다윈은 진화가 변이와 자연 선택의 과정에서 일어난다는 자연 선택설을 주장하였다. 갈라파고스 군도의 여러 섬에는 먹이에 따라 부리의 모양과 크기가 다양한 핀치들이 서 식하고 있다. 핀치들은 왜 종마다 각각 다른 크기의 부리를 갖게 되었을까? 그림 Ⅴ- 23 은 갈라파고스 군도의 한 섬에서 큰 부리 핀치가 변이와 자연 선택을 통해 진화한 과정 을 나타낸 것이다. 그림Ⅴ- 22 갈라파고스의 핀치 부리가 작고 작은 씨를 먹는 ❶ 씨를 먹는 개체들이 갈라 ❶ 작은 작은 씨를 먹는 개체들이 갈라 개체들이 갈라파고스 군도의 파고스 군도의 한 이주 파고스 군도의 한 섬에 섬에 이주 한 섬에 이주해 와서 정착하 해와서 해와서 정착하였다. 정착하였다. 였다. 유전적 변이가 ❷ 변이가 일어나서 부리 ❷ 유전적 유전적 변이가일어나서 일어나서부리 부리 크기가 다양한 많은 수의수의 자손 자 크기가 다양한 많은 크기가 다양한 많은 수의 자 을 낳았다. 손을 낳았다. 손을 낳았다. 경쟁이일어나고, 일어나고, 섬에는 ❸ 이 섬에는 씨 ❸ 경쟁이 경쟁이 일어나고, 이이 섬에는 씨 부리가 큰 개체들이 가 커서 부리가 큰 씨 가씨가 커서커서 부리가 큰 개체들이 개체들이 씨 씨를 깨 먹는 데 유리하여 살 를 를깨 깨 먹는데 먹는데 유리하여 유리하여 살아남 살아남 아남아 자손을 낳았다. 아 아 자손을 자손을 낳았다. 낳았다. 형질들이 추가되어 ❺ 다른 변이 형질들이 추가되어 ❺다른 다른변이 변이 형질들이 추가되어 큰큰 가진 새로운 종으로 부리를 가진 새로운 종으로 큰부리를 부리를 가진 새로운 종으로 분화되었다. 분화되었다. 분화되었다. 더큰 큰 부리를 부리를 가진 ❹ 가진 개체군을 ❹더 더 큰 부리를 가진 개체군을 개체군을 이루었다. 이루었다. 이루었다. 그림Ⅴ- 23 큰 부리 핀치의 진화 자연 선택이란 환경에 잘 적응할 수 있는 형질을 가진 개체들이 그렇지 못한 개체들보 다 더 많이 생존하여 더 많은 자손을 남기는 현상을 말한다. 162 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 다음은 변이와 자연 선택에 따른 진화의 과정을 나타낸 것이다. 유전적 변이의 생성 어떤 생물이 환경에 적응하는 과정에서 개체군 내에는 다양한 유전적 변이가 생 긴다. 자손의 과잉 생 생물은 종족의 유지를 위해 제한된 환경에 비해 많은 자손을 낳는 경향이 있으 산과 생존 경쟁 며, 개체군의 개체들 사이에는 생존 경쟁이 일어난다. 자연 선택 다윈은 변이가 일어나는 원인을 정확 히 설명하지 못했다. 그 이유는 무엇일까? 다양한 변이를 가진 개체들 중 주어진 환경 조건에서 생존과 번식에 유리한 특성 을 가진 개체들이 더 많이 살아남아 더 많은 수의 자손을 남긴다. 진화 : 유전적 다음 세대는 이전 세대와 다른 유전적 특성을 갖게 되며, 이러한 과정이 누적되 특성의 변화 어 원래의 집단과 유전적 특성이 다른 생물 집단이 형성된다. 진화의 증거 진화는 오랜 세월에 걸쳐서 일어나는 과정이기 때문에 직접 관찰하기는 어렵다. 그런 데 생물이 진화한다고 말할 수 있는 것은 과거에 살았던 다양한 생물들의 흔적과 현존하 는 생물들의 특성 및 여러 실험 결과들이 진화가 일어난다는 것을 보여 주기 때문이다. 진화의 증거에는 화석상의 증거, 진화 발생학적 증거, 비교 해부학적 증거, 생물 지리 학적 증거, 분자 진화학적 증거 등이 있다. 연속적으로 퇴적된 퇴적암층의 화석의 특징을 조사해 보면 생물이 점진적으로 변해 온 것을 알 수 있다. 이것을 화석상의 증거라고 하는데, 신생대 지층에서 발견되는 말의 화 석이나 고래의 화석 등이 있다. 생물의 발생 과정을 비교해 보면 생물이 공통 조상으로부터 진화해 온 것을 알 수 있다. 이것을 진화 발생학적 증거라고 하는데, 척추동물들의 초기 배아의 공통 특징, 혹스 유전 스스로 정리 하기 •진화의 증거: 자 구성과 생물의 몸 체제 변화, 환형동물과 연체동물의 공통 유생인 담륜자 등이 있다. 해부학적으로 동일한 기관이 서로 다른 환경에서 다른 모습과 기능을 가진 기관으로 발달한 경우와 기원이 다른 기관이 유사한 환경에서 유사한 모습과 기능을 갖도록 변한 경우를 볼 수 있다. 이를 비교 해부학적 증거라고 하는데, 상동 기관, 상사 기관, 흔적 기 관 등이 있다. 산맥, 바다와 해협, 사막, 대륙 이동 등과 같이 지리적으로 생물의 이동이 제한된 경우 에 생물의 분포가 크게 달라지는 경우가 있다. 이것을 생물 지리학적 증거라고 하는데, 오세아니아 지역에만 분포하는 캥거루와 오리너구리 등이 있다. 생명체를 구성하는 기본 물질인 핵산의 염기 서열이나 단백질의 아미노산 서열을 분석 하여 비교해 보면 생물 사이의 유연관계나 진화 과정을 알 수 있는 데, 이것을 분자 진화 학적 증거라고 한다. 5. 진화의 원리 163 다음 활동에서 진화의 증거 사례로 어떤 것이 있는지 조사해 보자. 탐구 활동 조사•발표 진화의 증거 사례 조사하기 과학적 참여와 평생 학습 과학적 사고력 모둠별로 여러 가지 진화 증거 사례들이 진화의 증거가 되는 이유를 조사하여 발표해 보자. 미리 알아보기 자료 내려받기 •Ⅴ- 2. 진화의 증거 사례 4명~5명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 1. 조사하기 (1) 모둠별로 참고 자료 [Ⅴ- 2. 진화의 증거 사례]를 내려받아 확인한다. (2) 다음의 제시된 진화의 증거 사례 유형 중 한 가지를 선택한다. 도움말 화석상의 증거 •다양한 증거 사례를 찾아보도록 한다. •고래와 말의 화석 진화 발생학적 증거 •혹스 유전자와 몸 체제의 발생 생물 지리학적 증거 분자 진화학적 증거 •오리너구리와 유대류의 특징 •단백질의 아미노산 서열의 유 과 분포 사성 비교 해부학적 증거 •상동 기관과 상사 기관 현재 진행 중인 진화의 사례 •낫 모양 적혈구 유전자의 분포 2. 조사 내용 정리하기 우리 모둠이 선택한 진화의 증거 사례 유형을 조사하고 정리해 보자. 발표 및 토의하기 발표 시 유의점 • 조사한 자료를 미리 준비하며 발표 한다. • 다른 모둠의 발표를 경청한다. • 발표 내용이 잘 전달될 수 있도록 시 각적 자료를 활용한다. 1. 모둠별로 정리한 내용을 발표해 보자. 2. 다른 모둠에서 발표한 내용을 종합하여 정리하고, 각 사례가 진화의 증거가 되는 이유 를 설명해 보자. 평가하기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. •발표한 진화의 증거 사례를 정확하게 이해한 모둠은 어떤 모둠인가? •발표 내용을 충분히 잘 전달한 모둠은 어떤 모둠인가? •발표 자료가 잘 준비되어 있는 모둠은 어떤 모둠인가? 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 평가 기준 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 각 사례가 진화의 증거가 되는 이유를 이해하였는가? 164 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 평가 집단의 진화와 하디 - 바인베르크 법칙 진화는 개체군 집단 단위로 일어나며, 진화는 집단의 유전적 특성인 유전자풀이 변하 는 현상으로 설명된다. 유전자풀은 한 개체군 내에 존재하는 모든 대립유전자의 총합을 말한다. 유전자풀의 특성은 어떤 형질에 대한 대립유전자의 구성과 대립유전자의 빈도 •전체 대립유전자 수: 10개체_2 •대립유전자 a의 빈도( ) 유전자 전체에 대한 특정 대립유전자의 상대적 빈도를 말한다. 로 나타낼 수 있다. •대립유전자 A의 빈도( ) 대립유전자 빈도 집단 내에서 개체들이 가지고 있는 대립 5_2 AA aa 20 2_1 20 3_2 2_1 20 12 0.6 20 8 0.4 20 Aa AA aa AA Aa AA aa AA 그림Ⅴ- 24 대립유전자의 빈도 어떤 집단에서 대립유전자의 구성과 대립유전자 빈도가 오랜 기간 동안 안정적으로 유 지되는 상태를 유전적 평형이라고 한다. 그런데 집단 내에서 유전적 변이가 발생하면 대 립유전자의 구성이 달라지거나 대립유전자의 빈도가 변한다. 하디 - 바인베르크 법칙이 성립되기 위한 멘델 집단의 조건 ① 집단의 크기가 충분히 크다. ② 다른 개체군과 격리되어 있어서 유전 영국의 하디(Hardy, G. H., 1877~1947)와 독일의 바인베르크(Wein erg, W., 1862~1937)는 각각 독자적인 연구를 통해 이상적인 조건을 갖춘 멘델 집단에서 대 를 거듭하여도 유전자풀이 변하지 않고 유전적 평형이 유지된다는 것을 밝혔는데, 이를 자의 이출입이 없다. ③ 돌연변이가 일어나지 않는다. ④ 교배가 무작위로 일어난다. ⑤ 자연 선택이 일어나지 않는다. 하디 - 바인베르크 법칙이라고 한다. 이상적인 조건을 갖춘 멘델 집단에서 대를 거듭하면서 어떻게 유전적 평형이 유지될 까? 표 Ⅴ- 2는 어떤 가상의 가마우지 개체군의 유전자풀의 특성을 나타낸 것이다. 물갈 퀴가 없는 형질의 대립유전자(W)는 물갈퀴가 있는 형질의 대립유전자( )에 대해 우성 이고, 대립유전자의 빈도는 (W) 0.8이고, ( ) 0.2이며, 1이다. 이 집단에서 교배가 일어나 다음 세대(F )가 만들어질 때 생식세포가 갖는 대립유전자 의 빈도는 정자와 난자에서 똑같이 (W) 0.8, ( ) 0.2이다. 표Ⅴ- 2 가마우지 모집단의 유전자풀 표현형 유전자형 WW W 개체수 (총 500마리) 320 160 유전자풀 내의 대립유전자 수 (총 1,000개) 640W 대립유전자의 빈도 160W 20 160 40 물갈퀴가 있음 물갈퀴가 없음 그림Ⅴ- 25 가상의 가마우지 (W) 800 1,000 0.8 ( ) 200 1,000 0.2 5. 진화의 원리 165 스스로 정리 하기 교배를 통해 다음 세대가 형성된 결과를 정리하면 표 Ⅴ- 3과 같다. •하디-바인베르크 법칙: w난자 q=0.2 W난자 p=0.8 WW W정자 p=0.8 p@=0.64 Ww pq=0.16 wW qp=0.16 ww q@=0.04 교배 결과 형성되는 다음 세대 w정자 q=0.2 표Ⅴ- 3 다음 세대 가마우지 집단의 유전자풀 유전자형의 빈도 (WW) 0.64 대립유전자의 빈도 (W) 0.64 0.32 2 (W ) 0.32 2 ( ) 0.04 0.8, ( ) 0.04 0.32 2 0.2 다음 세대의 가마우지 집단에서 대립유전자의 빈도는 제1세대 가마우지 집단에서와 같 이 (W) 0.8, ( ) 0.2, 1로 나타났으므로 유전자풀이 변하지 않고 유전적 평형이 유지된다는 것을 알 수 있다. 다음 활동에서 하디 바인베르크 법칙을 알아보자. 탐구 활동 모의 실험 모의 실험으로 하디 - 바인베르크 법칙 알아보기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 바둑알을 이용한 모의 실험으로 하디-바인베르크 법칙이 성립되는 원리를 설명해 보자. 준비물 검은색 바둑알 160개, 흰색 바둑알 40 개, 종이 상자 2개, ♂와 ♀ 붙임딱지 과정 1. 검은색 바둑알을 대립유전자 A, 흰색 바둑알을 대립유전자 a로 가정한다. 유의점 • 바둑알을 꺼낼 때 눈을 뜨고 하면 실 험자의 의도가 작용할 수 있으므로 안대로 눈을 가리고 꺼낸다. 2. 두 개의 종이 상자에 수(♂), 암(♀) 표시를 하고, 각 상자에 검은색 바둑알 80개와 흰색 바둑알 20개씩을 넣고 흔들어 잘 섞는다. 3. 두 개의 상자에서 임의로 바둑알을 하나씩 꺼내어 짝을 짓고, 조합의 경우를 기록한 후, 바둑알을 꺼낸 상자에 다시 넣은 다음, 이 과정을 10회 반복한다. 4. 과정 3의 결과를 통해 얻은 각 조합의 수를 표에 기록한 후 대립유전자의 빈도를 계산한다. 바둑알 조합 (유전자 조합) (AA) ◯ (Aa) 출현한 조합의 수 결과 및 정리하기 ❶ 모집단에서 A와 a의 빈도 , 는 각각 얼마인가? ❷ F 에서 A와 a의 빈도 , 는 각각 얼마인지 계산해 보자. ❸ 위의 결과는 하디 - 바인베르크 법칙을 지지하는가? 스스로 평가하기 하디 - 바인베르크 법칙을 설명할 수 있는가? 166 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 실험 결과를 하디 - 바인베르크 법칙과 연관지어 설명할 수 있는가? ◯◯ (aa) 유전자풀의 변화 요인 집단의 유전자풀을 변하게 하는 요인에는 자연 선택, 돌연변이, 유전적 부동, 이주에 수컷 공작의 날개가 암컷보다 크고 화려 한 까닭을 어떻게 설명할 수 있을까? 의한 유전자 흐름 등이 있다. 다음 활동에서 유전자풀의 변화 요인 및 사례를 알아보자. 탐구 활동 자료 해석 유전자풀의 변화 요인 및 사례 조사하기 과학적 의사소통 능력 과학적 사고력 다음 유전자풀의 변화 요인과 사례를 자세히 조사하고, 요인별로 유전자풀이 변하는 원리를 설명해 보자. ❶ 자연 선택 ❷ 돌연변이 방사선, 화학 물질 [사례] 항생제 내성 세균의 증가 [사례] 알비노의 출현, 배수체 돌연변이 발생 ❸ 유전적 부동 ❹ 유전자 흐름 [사례] 무분별한 포획으로 바다코끼리 집단의 유전적 다양성 감소 [사례] 유럽인의 신대륙으로의 이주 정리하기 ❶ 다음 표에 유전자풀이 변하는 원리를 정리해 보자. 자연 선택 돌연변이 유전적 부동 유전자 흐름 ❷ 각 요인에 해당하는 사례를 조사하여 정리해 보자. 스스로 평가하기 조사 활동에 적극적으로 참여하였는가? 유전자풀을 변화시키는 여러 가지 요인과 사례를 설명할 수 있는가? 5. 진화의 원리 167 자연 선택이 집단 내에서 일어나면 특정 형질이 선택되어 더 많은 자손을 남기고 선택 되지 못한 형질은 도태되므로 대립유전자의 구성과 빈도가 변한다. 돌연변이는 유전 물질인 DNA의 변화로 새로운 형질이 나타나는 것으로서 새로운 대 립유전자가 생기므로 대립유전자의 구성 및 대립유전자의 빈도를 변화시킨다. 집단의 크기가 너무 작아졌을 때 대립유전자 빈도가 우연히 변하는 이유는 무엇일까? 유전적 부동은 여러 가지 요인으로 집단의 크기가 급격하게 감소하였을 때 대립유전자 의 구성과 빈도가 우연히 변하는 현상으로 병목 효과와 창시자 효과가 있다. 병목 효과는 동일한 장소에서 자연 재해 등으로 집단의 크기가 크게 감소하였을 때 대립유전자의 구 성이나 빈도가 우연히 변하는 것으로 집단의 크기가 이전 수준으로 회복되더라도 대립 유전자의 구성과 빈도는 이전과 달라진다. 창시자 효과는 원래의 집단에서 소규모의 집 단이 분리되어 다른 곳에 정착하였을 때 대립유전자의 빈도가 모집단과 달라지는 현상 이다. *대립유전자 빈도가 원래 집단과 달라짐 처음 집단 병목 효과 살아남은 집단 집단 크기 커짐 그림Ⅴ- 26 병목 효과 스스로 정리 하기 •유전자풀의 변화 요인: 유전자 흐름은 한 개체군에서 다른 개체군으로 특정 대립유전자를 가진 일부 개체가 이주하여 대립유전자 구성과 빈도가 변하는 것을 말한다. 자연 상태의 모든 생물 집단은 유전적 평형이 유지되지 않고 여러 가지 요인으로 끊임 없이 유전자풀이 변하여 진화가 계속해서 일어나고 있다. 친구와 묻고 답하기 교과서 162쪽~163쪽 1. 자연 선택설에 대한 진화의 원리를 이야기해 보자. 교과서 165쪽~166쪽 2. 하디 - 바인베르크 법칙으로 알 수 있는 점을 이야기해 보자. 3. 유전자풀의 변화를 일으킬 수 있는 요인으로 어떤 것이 있는지 이야기해 보자. 교과서 167쪽~168쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 168 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 읽기 자료 과학 . 기술 . 사회 인류는 야생 겨자를 약 4,000년 전부터 개량하기 시작하여 그림과 같이 우리 의 식탁을 풍부하게 하는 다양한 품종을 만들어 냈다. 또한, 10,000년 이전부터 전 세계 의 다양한 지역에서 인위적으로 개의 품종을 개량하여 다양한 품종을 만들어 냈다. 인 위 선 택 과 품 종 개 량 야생 겨자로부터 개량된 다양한 품종 양배추 콜리플라워 브로콜리 브뤼셀 콜라비 야생 겨자 케일 불독 그레이하운드 개의 다양한 품종 진돗개 시베리안허스키 삽살개 오늘날에는 훨씬 진보된 기술로 광범위하게 다양한 생물의 품종 개량이 이루어지고 있다. 이와 같은 품종 개량은 인위적으로 자손에게 전달될 형질이 결정되는 것으로, 인 위 선택이라고 한다. 여러 가지 인위 선택에 대해 잘 알고 있던 다윈은 인위 선택과 유 사한 원리인 자연 선택에 의해 진화가 일어난다고 주장하였다. 생각해 보기 1. 인위 선택과 자연 선택의 과정에서는 각각 어떤 형질이 자손에게 전달되는지 토의해 보자. 2. 인위 선택을 통한 품종 개량의 또 다른 예를 조사해 보자. 5. 진화의 원리 169 북아메리카 돼지 물고기 파나마 지협 6 학습 목표 종의 분화 • 지리적 격리에 의한 종분화 과정을 이해하고 설명할 수 있다. • 종분화의 사례를 조사하고 발표할 수 있다. 파나마 지협을 경계로 하여 두 대양에 서식하는 두 종의 돼지 물고기는 유연관계가 매 남아메리카 우 가까운 종으로 지협이 형성되면서 종이 분화되었다. 종의 분화 과정은 오랜 시간에 걸 파나마 돼지 물고기 쳐 일어나므로 직접 관찰하기 어렵고 현존하는 생물종들 사이의 관계를 분석하여 종분화 의 과정을 추정한다. 파나마 지협의 형성에 따른 돼지 물 고기의 종분화 핵심 용어 종분화 종은 서로 교배하여 생식 능력이 있는 자손을 낳아 종족을 유지해 나갈 수 있는 생물 들을 묶는 단위이다. 기존의 종으로부터 새로운 종이 생겨나는 것을 종분화라고 하는데, 종분화 생식적 격리 지리적 격리 고리종 지구상의 다양한 생물종은 종분화를 통해 출현하였다. 하나의 개체군이 어떤 요인에 의해 두 개로 분리되면 각 개체군에서는 유전자풀이 돌 연변이, 자연 선택, 유전적 부동 등으로 변하며, 그러한 변화는 시간이 지날수록 계속해 서 누적된다. 이렇게 유전자풀의 변화가 누적되다 보면 어느 순간부터는 원래의 집단과 교배가 일어나지 않는 새로운 종이 출현하게 된다. 지리적 격리에 의한 종분화 종이 분화되려면 두 집단 사이에 생식적 격리가 일어나야 한다. 생식적 격리가 일어나 는 요인은 매우 다양하지만 가장 중요한 요인으로는 지리적 격리가 있다. 지리적 격리로 종분화가 일어난 사례에는 그림 Ⅴ- 27과 같이 중앙아메리카의 파나마 지협을 경계로 놀래기 두 종이 분화된 것을 들 수 있다. 파나마 지협 코르테즈 무지개 놀래기( a a oma u a a um) 그림Ⅴ- 27 지리적 격리로 분화된 놀래기의 종분화 사례 170 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 파란머리 놀래기( a a oma bi a ia um) 코르테즈 무지개 놀래기와 파란머리 놀래기는 같은 속에 속하는 계통이 매우 가까운 바다 어류이다. 약 500만 년 전에 파나마 지역은 대서양과 태평양이 연결되어 있었고 두 지협 두 대양 사이에서 두 개의 육지를 연결하 는 좁고 잘록한 땅을 말한다. 종의 조상은 하나의 종이었다. 그런데 이 지역에서 대륙이 융기하여 파나마 지협이 형성 되고 약 350만 년 전쯤에는 두 대양이 완전히 분리되었다. 두 지역의 놀래기 개체군에 서는 각각 서로 다른 변이가 계속해서 축적되었고 생식적 격리가 일어나 현재 두 종으로 완전히 분화가 일어났다. 그림 Ⅴ- 28은 종의 분화가 일어난 다른 사례로서 그랜드 캐니언 협곡을 경계로 영 스스로 정리 하기 양 다람쥐의 종분화가 일어난 것을 보여 준다. 협곡의 남쪽에는 해리스영양다람쥐(A. •종의 분화 과정: a i i)가, 북쪽에는 흰꼬리영양다람쥐(A. eu u u )가 산다. 두 다람쥐 종은 생식적 으로 격리가 일어난 상태이므로 함께 있어도 서로 교배가 불가능하다. 새처럼 협곡을 오 갈 수 있는 다른 생물들에서는 종이 분화되지 않은 것으로 보아 지리적 격리 때문에 종 이 분화되었음을 알 수 있다. 위의 사례에서 볼 수 있듯이 어떤 한 종의 생물 개체군이 지리적 장벽으로 두 개체군으 로 분리되면 서로 다른 환경에서 각 개체군에 다른 변이가 축적된다. 그리고 각 개체군 에서 자연 선택의 과정이 반복되다 보면 두 개체군의 형질은 점점 차이가 커지게 되며, 어느 순간에는 서로 교배가 불가능한 생식적 격리 상태가 되어 두 종으로 분화되는 것 이다. 그림Ⅴ- 28 그랜드 캐니언을 경계로 한 영양다람쥐의 종분화 협곡이 형성되기 전에 두 영양다람쥐의 조상은 하나의 종이었다. 해리스영양다람쥐 흰꼬리영양다람쥐 6. 종의 분화 171 다음 활동에서 지리적 격리로 종이 분화되는 원리를 알아보자. 해 보기 자료 해석 지리적 격리에 의한 종의 분화 과정 알아보기 과학적 사고력 다음은 어떤 나비 집단에서 지리적 격리로 종이 분화되는 과정을 순서 없이 나타낸 것이다. (가) (나) (다) (라) 정리하기 ❶ 다음 빈칸에 종의 분화 과정을 순서대로 적고, 그 과정을 설명해 보자. ❷ 종분화의 실제 사례를 한 가지씩 조사하여 발표해 보자. 고리종 지리적 격리와 생식적 격리의 관계, 그리고 더 나아가 종의 분화 가능성을 보여 주는 예로는 고리종의 사례가 있다. 고리종이란 한 종으로부터 분화된 여러 아종 개체군들이 연속적으로 잡종 지대를 형성하면서 고리형의 분포를 이루고 있을 때, 인접한 아종 개체 군 사이에는 교배가 가능하지만 고리의 양 끝에 있는 개체군들 사이에는 서로 교배가 불 가능한 생식적 격리 상태가 나타나는 경우를 말한다. 고리종의 사례로는 북아메리카 서 부의 엔사티나 도롱뇽과 유라시아 대륙에 분포하는 버들솔새가 잘 알려져 있다. A 교배 불가능 B E C 그림Ⅴ- 29 버들솔새 172 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 D A 교배 불가능 E B C D 그림Ⅴ- 30 고리종의 분포 띠 모형 색이 다른 띠 부분은 서로 다른 아종 분포 지역이다. 인접한 아종들 사이에는 서 로 교배가 가능하다. 다음 활동에서 종분화가 일어나는 원리를 알아보자. 탐구 활동 조사•토의 고리종의 사례를 조사하고 토론하기 과학적 의사소통 능력 과학적 사고력 여러 아종들의 관계를 분석하여 고리종과 종분화의 관계에 대해 토의해 보자. 다음은 고리종인 북아메리카 서부의 엔사티나 도롱뇽의 사례이다. 오리건 도롱뇽 북아메리카의 엔사티 나 도롱뇽( a i a a ama de )은 캘리포니 아 중앙 협곡 주위에서 고 채색 도롱뇽 시에라네바다 도롱뇽 리 모양으로 분포하고 있 다. 7개의 도롱뇽 아종에 서 인접한 아종들 사이에 중앙 협곡 는 교잡이 일어나지만 양 끝 부분에 있는 두 아종 큰 노랑 얼룩 도롱뇽 얼룩 도롱뇽과 몬터레이 도롱뇽은 가까이 분포하지 노란 눈 도롱뇽 만 상호 교배가 일어나지 않는다. 큰 얼룩 도롱뇽 몬터레이 도롱뇽 정리하기 ❶ 위의 사례에서 특성이 다른 아종이 생겨나는 과정을 설명해 보자. ❷ 큰 얼룩 도롱뇽과 몬터레이 도롱뇽은 서로 같은 종인지, 다른 종으로 분화된 것인지 토론해 보자. ❸ 위의 사례 외에 다른 고리종의 사례가 있는지 조사하여 발표해 보자. 스스로 평가하기 조사 및 토론 활동에 적극적으로 참여하였는가? 지리적 격리에 의한 종분화를 설명할 수 있는가? 고리종은 개체군 내에 변이가 누적되다 보면 어떤 시점부터는 같은 종의 다른 개체군들 사이에 생식적 격리가 생겨 종이 분화될 수 있다는 것을 보여 준다. 친구와 묻고 답하기 1. 지리적 격리로 종이 분화되는 원리를 이야기해 보자. 2. 고리종의 사례에 어떤 것이 있는지 이야기해 보자. 교과서 171쪽~172쪽 교과서 173쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 6. 종의 분화 173 대단원 마무리 ● 생명의 기원 ● ❶ 는 생명체 탄생의 토대가 된 화학 물질의 변화이다. 인지질의 막으로 둘러싸이고 자기 복제 체계를 가지며, 기본적인 물질대사가 가능한 존재인 ❷ ● 진핵생물의 진화는 막 진화설과 ❸ 로 설명된다. ● 다세포 생물은 단세포 생물의 ❹ 단계를 거쳐 진화하였다. 생물의 분류 체계 ● 오늘날에는 ❺ ● 진핵생물은 세균보다 ❻ 식물과 동물의 분류 ● 동물은 다세포성 ❼ ● 식물은 ❽ ● 다윈은 변이와 ❿ ● 이상적인 멘델 집단에서는 대를 거듭하여도 생명체의 진화 진화의 원리 분류 체계로 생물을 분류하고 있다. 과 유연관계가 가깝다. 생물이다. 이 있는 세포로 되어 있고, ❾ 이 진화의 원동력이라고 주장하였다. 이 일정하게 유지되는데, 이를 이라고 한다. 격리 상태가 나타나는 경우이다. 가 일어나 종이 분화된다. 고리종 생식적 지리적 격리 가 먼저 일어나고 ● 하디 - 바인베르크 법칙 종의 분화 생식적 격리 ❶ 화학적 진화 ❷ 원시 세포 ❸ 세포내 공생설 ❹ 군체 형성 ❺ 3역 6계 ❻ 고세균 ❼ 종속 영양 ❽ 세포벽 ❾ 광합성 ❿ 자연 선택 유전자풀 어 을 하는 독립 영양 생물이다. 은 고리의 양 끝에 있는 개체군들 사이에 서로 교배가 불가능한 ● 용 단계를 거쳐 생명체가 탄생하였다. 찾 기 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 세포벽에 펩티도글리칸이 없고 진핵생물과 유연관계가 가까운 세균이다. 고 세 균 유 전 자 풀 계 돌 자 포 동 물 생 존 통 연 대 후 내 학 명 종 수 4. 두 개체군이 지리적으로 서로 나뉘어져 살게 되는 상태이다. 변 지 립 구 공 고 자 어 5. 한 개체군 내에 존재하는 모든 대립유전자의 총합이다. 이 리 양 유 동 생 식 류 엽 적 포 서 전 물 물 선 8. 하나의 종이 두 개의 종으로 분리되는 과정이다. 균 격 균 솜 류 자 선 구 9. 인지질 2중층의 막으로 둘러싸인 구조물이다. 사 리 계 종 자 종 분 화 174 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 2. 2 배엽 단계의 동물로 히드라, 해파리 등이 있다. 3. 생물이 진화해 온 경로를 그림으로 나타낸 것이다. 6. 씨를 만들어 번식하는 식물이다. 7. 원구가 항문이 되고 나중에 입이 반대쪽에 생기는 동물을 말한다. 정답 단 원 한 눈 에 보 기 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 개념 확인하기 1 다음 ( 개념 응용하기 ) 안에 들어갈 말을 각각 쓰시오. (1) 오파린은 유기물 복합체인 ( 3 다음은 화학적 진화의 과정을 나타낸 것이다. ) 단계를 거쳐 생명체가 무기물 → ( A ) → ( B ) → ( C ) → 원시 세포 탄생하였다고 주장하였다. (2) 미토콘드리아와 엽록체의 기원은 ( )에 의해 설명 A~ C에 해당되는 예를 옳게 짝지은 것은? 된다. (3) 배 발생 과정에서 원구가 입이 되고 항문이 반대쪽에 생기 는 동물을 ( (4) 속씨식물은 ( )이라고 한다. )을 통해 배와 배젖이 형성되어 종자가 만들어진다. (5) 한 개체군 내에 존재하는 모든 대립유전자의 총합을 ( )(이)라고 한다. A B C ① 단백질 아미노산 코아세르베이트 ② 다당류 단당류 마이크로스피어 ③ 아미노산 단백질 코아세르베이트 ④ 리포솜 아미노산 단백질 ⑤ 핵산 리포솜 뉴클레오타이드 (6) 두 개체군이 지리적으로 격리된 후 각각에서 변이와 자연 선택이 반복되면 ( )가 발생하여 종이 분화된다. (7) 한 종에 속하는 여러 아종 개체군들이 지리적으로 고리형 의 분포를 이루고 있는 것을 ( )이라고 한다. 4 그림은 단세포 생물로부터 다세포 생물이 진화하는 과정을 나 타낸 것이다. D 2 다음 ( ) 안에 들어갈 말을 각각 쓰시오. 식물은 셀룰로스로 된 ( A )을 가진 진핵세포로 되어 있 고, 엽록체를 가지고 광합성을 하는 ( B ) 생물이다. 육상 E A B C 위 그림에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? 환경에 적응하면서 건조를 막기 위한 ( C )과 기공, 몸체 ① A는 원핵생물이다. 를 지지하고 토양에서 필요한 양분을 얻기 위한 ( D ), 관 ② B는 독립된 개체들의 군체이다. 다발을 가진 줄기, 풍부한 빛을 이용하기 위한 넓은 잎 구조, ③ C에서 개체들의 역할이 분업화되었다. ( E ) 없이 생식세포를 이동하여 수정하고 배아를 발생시 키기 위한 생식 기구 등의 특성이 발달하였다. 자기주도학습노트 ④ D는 생식을 위해 형성된 배우자이다. ⑤ E는 다세포 생물의 체세포이다. 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 175 5 그림은 식물 4종의 계통수를 작성한 것이다. 소나무 B C 과학적 문제 해결력 7 그림은 원핵세포에서 진핵세포로 진화하는 과정을 나타낸 것이다. C 장미 독립 영양 진핵세포 B 고사리 A E A 종속 영양 진핵세포 우산이끼 D A~ C에 해당되는 분류 기준을 옳게 짝지은 것은? 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 보기 ㄱ. A에는 핵막과 소포체가 없다. A B C ① 포자로 번식 관다발 있음 떡잎이 2장 ㄴ. B는 광합성 세균, C는 산소 호흡 세균이다. ② 관다발 있음 포자로 번식 종자 있음 ㄷ. D는 미토콘드리아이다. ③ 포자로 번식 관다발 있음 씨방 있음 ④ 관다발 있음 종자 있음 씨방 있음 포자로 번식 종자 있음 잎, 줄기, 뿌리가 ⑤ 구분됨 ①ㄱ ②ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 과학적 문제 해결력 8 그림은 5종의 생물종 (가) ~ (마)의 계통수를 나타낸 것이다. (가) 과학적 핵심 역량 기르기 (나) (다) (라) (마) 특징 B 특징 A 특징 C 과학적 사고력 6 다음은 유전자풀의 변화 사례 중 하나이다. 특징 D 북아메리카 인디언의 혈액형은 B형이나 AB형은 거의 없 고 대부분 형 또는 A형이다. 이는 우연히 아시아에서 북아 메리카 대륙으로 이동한 소수의 이주 집단에 대립유전자 B 가 거의 없고 대립유전자 A와 가 많이 나타난 결과이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 보기 ㄱ. 5종의 생물 모두 특징 D를 갖는다. ㄴ. 특징 B보다 C가 먼저 나타난 것이다. ㄷ. (다)는 (마)보다 (라)와 유연관계가 가깝다. 이에 해당하는 유전자풀의 변화 요인은? ① 자연 선택 ② 돌연변이 ④ 병목 효과 ⑤ 창시자 효과 자기주도학습노트 ③ 유전자 흐름 ①ㄱ ②ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 176 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 ③ ㄱ, ㄴ 과학 글쓰기 인공 생명체 탄생 다음은 인공 생명체 탄생을 다룬 과학 잡지의 기사 내용이다. 물음에 답하시오. 2010년 5월 21일자 미국 의 과학 저널 ‘사이언스’에 미 국의 연구팀이 실험실에서 만 든 인공 유전체를 이용하여 처음으로 인공 생명체를 탄 생시켰다는 논문이 게재되었 다. 이에 세계 주요 언론들이 톱뉴스로 이를 보도하면서 과 학, 윤리, 정치계가 뜨거운 논 란에 휩싸였다. 크레이그 벤터 연구소는 염소에 피부병을 일으키는 ‘마이코플라스마 마이코이데스’라는 세균의 유전체를 알 려진 염기 서열에 따라 합성한 후, 핵이 제거된 다른 세균 속에 주입하는 방법으로 인공 생명체를 탄생시켰다. 이 생명체는 세포질을 제공한 세균의 특성은 거의 없고 인공 유전자의 조절을 받아 생명 활동이 일어난다. 연구팀은 이 기술이 앞으로 공해를 제거하거나 나쁜 콜레스테롤을 먹어 치우는 세균처럼 인간에게 유익한 생물을 대량 생산하는 데 이용되거나 생명의 비밀을 밝히는 데 초석이 될 수 있을 것으로 전망하였다. 과거에도 천연두 바이러스가 이와 같은 방법으로 제조되어 ‘생명 창조’에 대해 논란이 된 적이 있었으나 바이러스는 진정한 생물로 인정되지 않는다는 데에서 이번 사건과 차이가 있다. 문제는 아직 새로운 생명체에 대한 관리 지침이나 규제가 전혀 마련되어 있지 않다는 데 있 다. 원시 지구에서의 생명체 탄생과 인공 생명체 탄생은 어떤 관련성이 있을까? 출처: 과학동아, 2010. 7. 295호 과학적 의사소통 능력 인공 세균을 탄생시킨 기술의 원리를 정리하고 이 기술로 인공 생명체가 탄생한 것이 원시 지구에서 생명체가 탄생한 것과 1 다른 점을 설명해 보자. 과학적 문제 해결력 인공 세균을 탄생시킨 기술을 유용하게 사용할 수 있는 방법과 문제점을 추론하여 설명해 보자. 2 과학적 탐구 능력 3 인공 세균 탄생이 생명 창조를 의미하는지 자신의 견해를 밝히고 세균의 합성이 생명 창조를 의미한다면 국가와 사회는 어떤 대책을 세워야 하는지 방안을 제시해 보자. 과학 글쓰기 177 중학 과학 배 운 내 용 확 인 하 기 통합과학 생명 과학Ⅰ 생식, 염색체, 체세포 분열, 생식세포 분열, 발생, 유전자 DNA , 단백질, 생태계 평형 염색체 구조, 유전체, 염색체 조합, 상염색체 유전, 과학 기술, 인류 문명 생태계와 환경 성염색체 유전, 가계도 분석, 유전병의 종류와 특징 생식과 유전, 과학 기술, 인류 문명 생명 시스템 유전, 생태계와 상호 작용 ● ● 생물은 ❶ 분열을 통해 세포의 수를 늘려 생장하고, ❷ 을 통해 자손을 만든다. 과학적 원리 발견, ❸ 의 발달은 인류 문명의 발달에 많은 영향을 주었다. ● 세포 또는 ❹ 등과 같은 시스템에서 이루어 ● 지는 물질의 순환과 에너지 흐름의 결과로 다양한 생명 현상이 나타난다. ❺ 이상과 유전자 이상에 의한 ❻ 의 다양한 치료 기술의 원리를 이해한다. ● 생명 공학 기술이 발전함에 따라 환경적 측면에 서 ❼ 한다. 의 보존, 생태계의 평형 등을 고려해야 생명 공학 기술과 인간 생활 이 단원에서는 나날이 발전하고 있는 생명 공학 기술의 원리를 이해하고 우리 생활에 어떻 게 활용되고 있는지 알아본다. 한편, 생명 공학의 기술과 이용, 생명 공학의 전망 가능성 그리고 더 윤택하고 풍요로운 미래를 위해 해결해야 할 과제를 알아본다. 1 생명 과학Ⅱ 생명 공학 기술의 원리와 사례, 생명 공학 기술의 영향, 생명 윤리 생명 공학 기술과 인간 생활 답 ❶ 체세포 ❷ 생식 ❸ 과학 기술 ❹ 생태계 ❺ 염색체 ❻ 유전병 ❼ 생물종 DNA 재조합 기술의 활용 2 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 3 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 의 영향 4 유전자 변형 생명체 5 생명 공학의 전망과 과제 어둠 속에서 자외선을 비춘 생쥐의 얼굴 일부에서 녹색 형광이 생 각 열 기 나타나는 것을 본 적이 있는가? 이 녹색 형광의 실체는 형광 단백 질로, 과학자들은 해파리 세포 속에 있는 형광 단백질을 만드는 유 전자를 동물의 세포 속에 주입하여 형질 전환 동물을 만들었다. 과학자들은 왜 형광 단백질을 생산하는 형질 전환 동물을 만들 형광을 내는 동물들 었을까? 이들을 이용하면 살아 있는 세포나 생체 내에서 세포의 생장과 분화 양상을 실시간으로 분석 가능하다. 예를 들면, 뇌의 신경 세포에서 형광 단백질이 만들어지는 형질 전환 동물이 있다 면 신경 세포가 생장, 분화, 사멸되는 과정을 살아 있는 상태로 관 찰하고 추적할 수 있다. 이를 이용하면 알츠하이머병, 파킨슨병 등 의 질병 발병 과정과 원인을 밝혀낼 수 있고, 질병 치료와 신약 개 발 및 약효 검증이 보다 쉬워지게 된다. 형질 전환 동물은 어떻게 만들까? 180 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 1 학습 목표 DNA 재조합 기술의 활용 • DNA 재조합 기술의 원리를 이해하고 활용 사례를 조사하여 발표할 수 있다. 생명 공학자들은 파란색 색소가 있는 꽃에서 파란색 색소 유전자를 분리한 다음 장미 에 이식하여 이전에는 없던 파란 색깔의 장미를 만들어 내었다. 다른 개체의 유전자를 또 다른 개체에 이식하여 새로운 개체를 만드는 DNA 재조합 기술은 우리 생활에 어떻게 이용될까? DNA 재조합 기술의 원리 DNA 재조합은 생명 공학 분야에서 가장 핵심이 되는 기술이다. 이 기술은 특정 단백 질을 만드는 DNA 절편을 DNA 운반체에 삽입하여 재조합 DNA를 만든 후 다른 세 핵심 용어 DNA 재조합 DNA 연결 효소 제한 효소 DNA 운반체 포에 삽입하여 특정 유전자를 복제하거나, 복제된 유전자를 발현시켜 원하는 특정 단백 질을 대량으로 얻을 수 있도록 하는 기술이다. 이 기술을 이용하여 특정 유전자를 증폭 DNA 운반체 하거나 유전적으로 조작된 새로운 생물을 만들 수 있다. 외부의 특정한 DNA를 다른 세포로 운반 재조합 DNA를 만들기 위해서는 제한 효소, DNA 연결 효소, DNA 운반체가 필요 하다. 제한 효소로 특정 유전자와 DNA 운반체를 자르고, 연결 효소로 유전자 절편과 제한 효소로 절단 염색체 플라스미드 이러스의 DNA를 DNA 운반체로 사용 한다. DNA 운반체를 연결하여 재조합 DNA를 만든다. 플라스미드 분리 할 수 있는 DNA 분자를 말하며, 벡터라 고도 한다. 주로 소형의 플라스미드나 바 DNA 분리 특정 유전자 DNA 재조합 DNA DNA 연결 효소로 연결 대장균에 넣음 형질 전환된 대장균 스스로 정리 하기 증식 유전자를 대량으로 얻음 그림Ⅵ- 1 대장균을 이용한 DNA 재조합의 원리 •DNA 재조합의 원리: 단백질 대량 생산 클론 1. DNA 재조합 기술의 활용 181 EcoRI 재조합 DNA를 대장균 등의 숙주 세포에 삽입하여 원하는 유전자 제한 효소 인식 부위 -GAATTC-CTTAAG- 를 복제하거나 유전자 발현 생산물을 대량으로 얻을 수 있다. 제한 효소는 유전자 재조합 기술의 핵심 요소이다. 제한 효소는 특 자름 EcoRI ..TAAGAGTTGAATTCAATTGCATGCATGCATGCATTTACTGAATTCGATCCA.. ..ATTCTCAACTTAAGTTAACGTACGTACGTACGTAAATGACTTAAGCTAGGT.. ..TAAGAGTTG AATTCGATC CA.. AATTCAATTGCATGCATGCATGCATTTAC CG ..ATTCTCAAC TTAA GTTAACGTACGTACGTACGTAAATGACTTAA GCTAGGT.. 제한 절편 정 염기 서열을 인지하고 잘라 내므로 동일한 제한 효소로 특정 유 전자와 운반체 DNA를 자르면 잘린 부위의 염기 서열이 같아서 두 DNA를 연결할 수 있다. 다음 활동에서 재조합 DNA가 어떻게 만들어지는지 알아보자. 그림Ⅵ- 2 제한 효소의 작용 예 탐구 활동 실험 유전자 재조합 모의 실험 하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 종이 DNA 모형으로 재조합 DNA를 만들어 보고 각 과정의 특징을 알아보자. 과정 준비물 종이 띠로 만든 선형 DNA 모형, 가 위 2개, 투명 테이프 1. 앰피실린과 테트라사이클린 저항성 유전자가 표시된 선형 DNA 모형 끝을 풀로 붙여 원 형 DNA를 만든다. Eco`RI HindÌII ampR tetR 2. 인슐린 유전자와 생장 호르몬 유전자가 표시된 선형 DNA를 준비한다. Eco`RI Eco`RI 인슐린 유전자 HindÌII HindÌII 생장 호르몬 유전자 3. 하나의 가위를 이용하여 선형 DNA 모형에서 인슐린 유전자 부위를 자른다. 4. 과정 3에서 사용한 가위를 이용하여 원형 DNA 모형에서 인슐린 유전자 부위가 들어갈 재조합 DNA 자리를 자른다. 5. 과정 4에서 자른 인슐린 유전자 부위를 과정 1의 원형 DNA 모형에 맞추어 넣고 투명 테이프를 이용하여 붙인다. 도움말 •과정 1, 2에서 oRⅠ, 효소 자리를 나타낸다. i dⅢ는 제한 결과 및 정리하기 ❶ 가위와 투명 테이프의 역할은 무엇인가? 검색 ❷ 서로 다른 제한 효소로 절단한 점착성 말단의 모양과 길이가 같아도 DNA 연결 효소로 연결 점착성 말단 되지 않는 이유는 무엇인가? ❸ DNA 운반체의 항생제 저항성 유전자 내에 외부 DNA를 넣는 이유는 무엇인가? 스스로 평가하기 DNA 모형을 가위로 절단하고 붙이는 작업을 잘 완성하였는가? 182 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 제한 효소와 DNA 연결 효소의 기능을 이해하였는가? 더 알아 보기 생명 공학의 혁명을 가져온 PCR 기술 PCR 기술은 분자 생물학 연구, 의학적 연구 및 치료, 법의학, 생물 분류 등 생명 과학 전반에 걸쳐 매우 큰 역할을 하고 있 다. PCR은 DNA의 특정 부분을 복제하여 증폭시키는 분자 생물학적 기술로서, 어떤 생물의 유전체에 포함된 수많은 염기 서열 가운데 특정 염기 서열 부분 또는 극소량인 DNA 용액에서 특정 DNA 조각만을 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 증폭에 필요한 시간이 2시간 정도로 짧고, PCR 장치 또한 매우 소형화되어 쉽게 조작이 가능하다. 특정 DNA 서열을 증폭하기 위한 방법인 PCR은 1984년에 고안되었다. 처음에는 대장균에서 유래된 중합 효소를 사용하 는 방법을 사용하였으나 이 중합 효소는 열에 약해서 PCR 과정에 5' 3' 서 두 가닥의 DNA를 한가닥으로 분리하기 위해 열을 가한 후에는 표적 서열 매 주기마다 반복적으로 새로 효소를 넣어 주어야 했다. 이 당시만 유전체 DNA 하더라도 이 기술은 수많은 시간과 지루한 단순 작업을 반복해야 하 는 번거로움이 심했다. 몇 년 후 e mu a ua i u 라는 호열 성 세균에서 발견된 DNA 중합 효소를 사용하는 방법에 대한 논문 이 발표되었는데, 이 세균의 중합 효소는 열에 강하여 PCR의 효율 을 월등히 끌어올렸다. 순환 1 3' 5' 5' 3' ❶ DNA 변성 DNA를 가열하여 두 가닥의 DNA를 한 가닥으로 분리한다. 5' 3' PCR의 원리와 과정은 다음의 세 단계로 진행되고 보통 30회~40회 정도 반복된다. ❷ 프라이머 결합 •1단계 DNA 변성: 약 90 C ~ 95 C 정도로 열을 가하여 DNA 를 단일 가닥으로 분리시킨다. 분리된 각각의 DNA 가닥은 새로 온도를 낮추어 프라 이머가 표적 서열 말단에 결합하게 한다. 운 DNA 가닥을 만드는 주형 역할을 하게 된다. •2단계 프라이머 결합: 온도를 약 50 C ~ 65 C 정도로 낮추어 프 라이머가 주형 DNA 가닥에 결합하게 한다. 프라이머가 DNA 의 특정 염기 서열, 즉 표적 서열에만 결합하기 때문에 DNA에서 ❸ DNA 합성 DNA 중합 효소가 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 프라이머 합성된 폴리 뉴클레오 타이드 순환 2 원하는 부분을 선택적으로 증폭시킬 수 있다. •3단계 DNA 합성: 약 72 C 정도의 온도에서 DNA 중합 효소 에 의해 주형 DNA 가닥에 상보적인 새로운 DNA 가닥이 합성 된다. 생각해 보기 순환 3 1. PCR 기술이 처음 소개되었을 때보다 훨씬 효과적으로 발전하게 된 결정적인 이유를 조사해 보자. 2. PCR은 법의학 분야에서 어떻게 활용되는지 알아보자. 표적 서열과 동일한 DNA 단편 PCR의 원리 1. DNA 재조합 기술의 활용 183 유전자 재조합 모의 실험으로 재조합 DNA를 만드는 과정을 알아보았다. 이처럼 재 조합 DNA를 만든 후에 그 산물인 단백질을 얻거나 재조합 DNA를 대량으로 얻기 위 해서 세균을 이용하여 증폭할 수 있다. 증폭하고자 하는 특정 세균을 배양하고 분리하는 것은 매우 중요하고 기본적인 활동이다. 다음 활동에서 세균이 자랄 수 있는 배지를 만 들고, 토양 속의 여러 세균을 배양하여 세균 콜로니를 관찰해 보자. 탐구 활동 실험 세균 콜로니 관찰하기 과학적 탐구 능력 준비물 전자저울, 약포지, 고온 고압 멸균 기, 37 C 항온기, 250 mL 삼각 플 라스크, 100 mL 증류수, 200 mL 멸균수, 500 mL 비커, 운동장 토양 1 g, 화단 토양 1 g, 호일, 멸균된 1 회용 스포이트, 배지 재료[효모 추출 물, 한천(agar), 박토트립톤( acto tryptone), NaCl] 과학적 사고력 세균이 자랄 수 있는 배지를 만들어 세균 콜로니를 배양하고 특징을 관찰해 보자. 과정 1. 250 mL 삼각 플라스크에 효모 추출물 1 g, 박토트립톤 1.6 g, NaCl 0.5 g, 한천 1.6 g (1.6 %)을 넣은 후, 100 mL의 증류수를 넣는다.(각 시료의 질량을 잴 때는 약포지에 시료를 올려놓고 전자저울로 측정한다.) 2. 과정 1의 용액이 든 삼각 플라스크를 호일로 씌우고, 고온 고압 멸균기에 넣고 습윤 멸 균한다. 3. 운동장의 토양과 화단의 토양을 준비하여 각각의 토양 1 g과 멸균수 100 mL를 삼각 플 라스크에 넣고 강하게 흔든 후 토양이 가라앉을 때까지 그대로 둔다. 4. 토양이 가라앉은 후 삼각 플라스크의 상층액을 일부 덜어 내어 1,000배 희석한 후, 멸균 된 일회용 스포이트로 두 개의 페트리 접시에 각각 5방울씩 떨어뜨린다. 5. 멸균한 배지를 손으로 만져 뜨겁지 않을 때(약 45 C)까지 식힌 후, 두 개의 페트리 접시 에 배지를 20 mL씩 붓고 잘 흔들어 섞은 후 굳힌다. 6. 배지가 굳은 후에 페트리 접시를 뒤집어 28 C 배양기에 넣고 24시간 배양하여 각 배지 의 콜로니를 관찰한다. 도움말 •전자레인지를 이용할 경우 삼각 플라스 크에 랩을 씌우고 구멍을 2개~3개 뚫어 서 사용한다. 멸균된 일회용 스포이드 멸균된 배지를 페트리 접시에 붓기 5방울 1000배 희석된 유의점 • 습윤 멸균기를 사용할 때는 화상을 입지 않도록 내열 장갑을 사용한다. • 배양된 세균은 습윤 멸균시켜서 버 린다. 토양 상층액 페트리 접시를 뒤집어 24시간 배양하기 배지를 잘 섞은 후 굳을 때까지 두기 세균 배양 과정 184 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 결과 및 정리하기 ❶ 각각의 배지에 생긴 여러 종류의 콜로니를 모양, 색, 콜로니 수 등으로 분류하고, 페트리 접시에 생긴 콜로니에서 최소한 몇 가지 종류의 세균이 존재하는지 관찰하고 결과를 기록한다. 구분 모양 색 콜로니 수 기타 특징 운동장 토양 화단 토양 ❷ 콜로니는 한 개체에서 생긴 동일한 개체군일까? 동일한 개체군이 아니라면 그렇게 생각한 이 유는 무엇인가? ❸ 배지에 세균을 배양할 때 페트리 접시를 뒤집어서 배양하는 까닭은 무엇인가? ❹ 창의력 키우기 토양에 따라 토양 속의 세균이 다른 까닭을 토의해 보자. 스스로 평가하기 실험 활동 시 안전 사항에 유의하였는가? 각각의 토양에서 생성된 콜로니를 관찰하고 그 결과를 설명할 수 있는가? 1. DNA 재조합 기술의 활용 185 DNA 재조합 기술은 의학, 농업, 원예, 축산, 환경 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 특히 DNA 재조합 기술과 PCR 등 다른 생명 공학 기술을 접목하면서 인간 생활에 미 치는 영향력은 더욱 커지고 있다. 예를 들면, 식물로부터 약용 물질을 만들고, 농작물을 바이러스, 세균, 곰팡이가 일으키는 질병에 저항성을 갖는 품종으로 개량하고 유전 물질 을 이용한 치료용 백신을 만들기도 한다. 다음 활동에서 DNA 재조합 기술의 활용 사례를 구체적으로 알아보자. 탐구 활동 조사•발표 DNA 재조합 기술의 활용 사례 조사하기 과학적 사고력 과학적 참여와 평생 학습 DNA 재조합 기술이 활용되는 다양한 사례를 조사하여 발표해 보자. 유의점 다음은 유전 공학에서 사용되는 DNA 재조합 기술로 특정 유전자나 그 산물을 대량으로 • 다른 모둠의 발표를 경청한다. 만들어 생활 속에서 활용되는 사례이다. 농업 분야 제초제 저항성을 나타내는 유채, 대두 도움말 •모둠별로 각자의 역할을 정해 활동하도 록 한다. •조사 주제는 모둠별로 협의하여 결정하 도록 한다. 식품의약품안전처 http://www.mfds.go.kr 의약학 분야 환경 분야 유전자 재조합 실험 동물(마우스 등) 제작 생분해성 플라스틱, 바이오리메디에이션(환경 정화) 식품 안전 정보, 의약품과 관련된 정보 를 찾아볼 수 있다. 정리하기 검색 육종 ❶ 각 분야에서 DNA 재조합 기술을 사용할 때의 장점을 설명해 보자. ❷ 위의 사례를 참조하여 다른 분야의 사례도 찾아보자. ❸ 사고력 키우기 육종 방법보다 DNA 재조합 기술을 사용할 때의 장점을 설명해 보자. 스스로 평가하기 자료 조사 활동에 적극적으로 참여하였는가? DNA 재조합 기술이 여러 분야에 이용되는 이유를 이해하였는가? 친구와 묻고 답하기 교과서 181쪽 1. DNA 재조합을 할 때 이용되는 효소와 효소의 역할을 이야기해 보자. 2. DNA 재조합 후에 유전자의 삽입 여부를 알 수 있는 방법을 이야기해 보자. 교과서 182쪽 교과서 186쪽 3. DNA 재조합 기술 이용 사례를 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 186 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 읽기 자료 과학자 이야기 생명 공학자 캐리 멀리스는 PCR(중합 효소 연쇄 반응)을 창안하여 1993년 노 벨 화학상을 수상하였다. ‘분자 생물학의 야생마’라는 별명에서 알 수 있듯이 그는 기존의 틀에서 벗어나서 자 신만의 자유로운 사고를 가진 연구자이다. 을 창 안 한 멀 리 스 1985년 어느 날, 멀리스는 달빛이 비추는 고속 도로를 달리면서 한 가지 생각에 빠져 있었다. 그 당시 DNA 조각을 플라스미드에 넣어 세균이 증식하면서 플라스미드에서 클로닝된 DNA를 잘라 내는 방법은 이미 알려진 상태였다. 그러나 멀리스는 이에 만 족하지 않고 특정 DNA 조각을 어떻게 하면 백만 개 또는 그 이상 복제할 수 있을지에 대한 생각에 몰두하였다. 멀리스는 어두운 밤 자동차들이 환한 불빛을 내며 고속도로를 달릴 때 자동차들이 도 로에서 다 같이 차례차례 움직이고 때로는 이리저리 휘는 모습을 보면서 창의적인 아이 디어를 생각해 냈다. 그는 DNA 반응기에서 한 사이클에서 만들어진 결과물이 다음 사 이클을 위한 주형이 되는 모습을 상상하며 한 개의 이중 나선 DNA 분자가 1백만 개의 같은 DNA 분자로 증폭하는 것은 20회 정도면 충분하다는 생각을 하였다. 실제로 자신의 생각대로 연구한 결과는 매우 성공적이었다. PCR 기술로 생물학에 중요한 영향을 끼친 멀리스는 버클리의 캘리포니아 대학의 대 학원 시절에 전공과 관계없는 천문학 분야에서 ‘시간 역전의 우주학적 중요성’이라는 제 목으로 세계적 과학 저널인 네이처에 논문을 게재하는 등 여러 분야에서도 그의 역량을 발휘하였다. 1. DNA 재조합 기술의 활용 187 2 학습 목표 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 • 핵치환, 세포 융합, 조직 배양의 원리를 이해하고, 활용 사례를 조사하여 발표할 수 있다. 분화된 세포의 핵도 완전한 유전체를 가지고 있는지 알기 위하여 사람들은 핵을 제거한 개구 리의 미수정란에 성체의 체세포 핵을 이식하여 발생시키면 어떤 결과가 나올지 실험하였다. 새로 운 핵으로 치환된 난자는 완전한 개체로 발생할 수 있을까? 생물은 발생 과정을 통해 수정란에서 개체가 되는데, 이 과정에서 난핵과 정핵의 융 핵심 용어 핵치환 조직 배양 세포 융합 합, 세포 분열과 분화 과정이 일어난다. 사람들은 핵치환, 조직 배양, 세포 융합 등의 기 술을 통해 이러한 현상에 대한 이해의 폭을 확대해 왔다. 핵치환 핵치환은 체세포에서 핵을 꺼내어 핵이 제거된 난자에 이식하여 완전한 개체로 발생시 키는 생명 공학 기술로, 핵이식 기술이라고도 한다. 핵치환 기술은 처음에는 분화된 세포의 왜 난자 제공 양과 대리모 양은 체세포 핵을 제공한 양과 다른 품종을 사용하였을까? 핵 속에 개체를 형성할 수 있는 유전 정보가 모두 들어 있는지 알아보기 위한 목적으로 시도 되었으나 1996년에 복제 양 돌리의 탄생 이후 동물 복제 기술로 널리 알려지게 되었다. 전기 자극으로 젖샘 세포와 무핵 난자를 융합시켜 핵이식 그림Ⅵ- 3 복제 양 돌리의 탄생 과정 분화가 끝난 체세포의 핵을 이용하여 복제양 돌리가 탄생하였다. 188 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 자료실 동물 복제의 역사 1952년에 미국의 브릭스(Briggs, R., 1911~1983)와 킹( ing, T. ., 1921~2000)은 개구리 배아에서 얻은 핵을 무핵의 난자에 이식해 복제 올챙이를 만들었다. 미수정란 핵을 제거 핵이식 그 이후, 1962년에 영국의 거든(Gurdone, ., 1933~)이 양서 류인 올챙이의 체세포 핵을 무핵 난자에 이식하는 핵치환 기술로 개 구리 복제에 성공하였다. 거든의 방법은 발생 중인 배아의 핵이 아닌, 완전히 분화가 끝난 성체의 체세포에서 얻은 핵을 이용하였다는 점 올챙이의 창자 창자의 상피 세포 에서 이전의 복제 기술과 완전히 다른 차이를 보인다. 1996년에는 포유류 중 양의 복제에 성공하여 돌리가 탄생하였다. 돌리의 탄생 이후 소, 쥐, 염소, 돼지, 고양이, 늑대, 개 등 여러 포유류 거든의 개구리 복제 과정 의 복제에 성공하였다. 현재 핵치환을 이용한 동물 복제는 우량 동물 의 보존과 번식, 장기 이식용 동물 생산, 멸종 위기의 희귀 동물 보전, 세포와 유전자 치료 등에 많이 활용되고 있다. 세포 융합 포마토(토감) 세포 융합은 생명 공학의 핵심 기술 중 하나로서, 서로 다른 두 종류의 장점을 모두 갖 감자와 토마토 세포를 융합하여 만들어진 는 새로운 잡종 세포를 만드는 것이다. 동물 복제 단계에서도 핵을 제거한 난자와 체세 며, 가지에는 토마토가 열리고 뿌리에는 포의 핵을 융합시키는 것도 세포 융합의 기술을 이용한 것이다. 세포 융합 기술은 포마 채소이다. 꽃이나 잎은 양쪽 중간 형태이 감자가 열린다. 토 제작과 같은 식물의 품종 개량 및 단일 클론 항체의 생산, 임상 진단, 암 치료 등에 활 용되고 있다. 그림Ⅵ- 4 세포 융합의 사례 세포 융합으로 토마토와 감자의 특성을 모두 지닌 식물을 만들었다. 2. 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 189 식물 세포는 세포벽 때문에 잘 융합되지 않으므로 셀룰레이스를 사용하여 세포벽을 제 거하고 두 원형질체를 융합한 후 배지로 옮겨 배양하여 잡종 식물체를 얻는다. 이와 같 원형질체 일반적으로 세포벽이 제거된 상태의 세포 를 말한다. 원형질체는 조직 배양 시 단세 포 유래 식물체를 분화시키기 위하여 사 용한다. 은 기술은 작물의 품종 개량에 폭넓게 이용되고 있다. 동물 세포의 경우, 세포 융합 기술 을 응용하여 잡종 세포를 만들고, 림프구와 암세포의 잡종 세포로부터 단일 클론 항체를 대량 생산하여 임신 진단이나 다양한 질병 진단 등의 여러 목적으로 사용하고 있다. 탐구 활동 자료 해석 단일 클론 항체 생산 과정 알아보기 과학적 문제 해결력 과학적 사고력 단일 클론 항체를 생산하는 과정을 알아보고 정리하여 발표해 보자. 다음은 쥐를 이용한 단일 클론 항체를 생산하는 과정과 방법을 나타낸 것이다. 도움말 •인터넷 등을 활용하여 검색해 본다. ⧎ᬱđᱶʑ 4 3 1 ⧎ᬱ 2 እᰆᖙ⡍ ᇥญ 1 2 ᰂ᳦ᖙ⡍อ ᇥญ႑᧲ ᖙ⡍ᮖ⧊ + 2 3 3 ⩩ᰆᇥญ 4 4 B ฝ⥥Ǎ ᦵᖙ⡍ 2 ᰂ᳦ᖙ⡍ 2 2 3 3 3 4 4 4 ⓕು Ab-4 Ab-1 Ab-1 Ab-2 Ab-3 Ab-4 Ab-1 Ab-2 Ab-3 Ab-4 Ab-3 Ab-2 ݉ᯝⓕು⧎ℕ ⪝⧊⧎ℕ •1단계: 쥐에게 특정 항원을 주사한 후 B 림프구를 분리해 낸다. 검색 항원, B 림프구 •2단계: 분리한 B 림프구와 암세포를 융합하여 잡종 세포를 만든다(이 과정에서 여러 종류의 잡종 세포, 융합되지 않은 림프구와 암세포가 생겨난다.). •3단계: B 림프구와 암세포가 융합된 잡종 세포만 선별해 주는 배지를 이용하여 한 종류의 항체만 생산해 내는 잡종 세포를 얻는다. 정리하기 ❶ 잡종 세포는 B 림프구와 암세포의 어떤 장점을 갖게 되는가? ❷ 암세포, B 림프구, 잡종 세포 중 잡종 세포만을 선별해 내는 선택 배지의 원리는 무엇인가? 스스로 평가하기 활동 자료를 충분히 검토하였는가? 190 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 B 림프구와 암세포를 융합하는 이유를 설명할 수 있는가? 조직 배양 조직 배양은 생물 조직의 일부나 세포를 떼어 내어 인공적인 환경에서 증식시키는 기 술로, 조직 배양 기술을 이용하여 하나의 세포에서 유전적으로 동일한 개체를 대량으로 생산 할 수 있다. 동물의 경우, 1907년에 개구리의 신경 조직을 떼어 내어 개구리의 림프액에서 배양시 킨 것이 조직 배양의 시초이다. 이후 조직 배양 기술의 발전으로 암세포를 배양하거나, 체외 수정된 난자를 포배 단계까지 배양하고 양수 속의 세포를 채취하여 배양하는 것도 가능하게 되었다. 또한, 조직 배양으로 얻은 세포들을 이용하여 유전적 이상 검사, 조직 사이의 상호 작용, 조직에 대한 화학 물질의 영향 등을 알아낼 수 있게 되었다. _1,000) 그러나 실제로 정상 세포를 생체 밖에서 배양할 때는 몇 번 분열 후에 사멸하기 때문에 그림Ⅵ- 5 조직 배양된 암세포의 형광 과거에는 실험을 할 때마다 조직에서 세포를 추출했으며, 성분이 일정하지 않은 혈청을 배양액으로 사용했기 때문에 배양 결과가 경우마다 달랐다. 최근에는 다양한 기능을 지 닌 세포주 확보 기술이 발달하였고, 혈청을 사용하지 않고 생체 밖 배지의 영양 환경을 세포주 유전자 구성이 같은 세포 집단으로, 인공 적으로 배양한 하나의 세포로부터 분열 증식한 결과로 생긴다. 조정할 수 있게 되었다. 식물의 조직이나 세포를 배지에서 배양하면 미분화된 세포 덩어리인 캘러스가 형성되 는데, 캘러스에 호르몬 처리를 하면 완전한 식물체로 자란다. 식물의 조직 배양에는 분 열 조직인 형성층이나 생장점의 세포가 주로 이용된다. 조직 배양으로 당근이나 인공 씨감자와 같은 작물 이외에, 보호 식물인 희귀한 난초, 산삼 등 관상용 식물이나 약재용 식물을 비교적 적은 비용으로 대량 생산하게 되었다. 당근의 덩이뿌리 2 mg 크기로 조각을 낸다. 분리된 세포가 분열하여 캘러스를 이룬다. 조각들을 배지 에서 키운다. 캘러스로부터 형성된 배 한천 배지에서 배양하여 기관을 분화시킨다. 생장하여 꽃이 핀다. 그림Ⅵ- 6 당근을 이용한 조직 배양 당근의 뿌리에서 형성층 세포를 떼어 낸 후, 배양하여 식물체를 얻는다. 2. 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 191 탐구 활동 조사•발표 핵치환, 세포 융합, 조직 배양의 활용 사례 조사하기 과학적 사고력 과학적 의사소통 능력 제시된 핵치환, 세포 융합, 조직 배양의 활용 사례를 조사하여 발표해 보자. 다음은 핵치환, 세포 융합, 조직 배양의 활용 사례이다. 스너피(개의 복제) 임신 진단 키트 인공 피부 정리하기 ❶ 다음의 복제 동물을 만드는 이유는 무엇인지 조사해 보자. 유의점 • 다른 모둠의 발표를 경청한다. 구분 이유 구분 쥐 고양이 돼지 늑대 이유 ❷ 세포 융합 기술 활용 사례를 조사하고 발표해 보자. 구분 활용 사례 품종 개량 단일 클론 항체 ❸ 조직 배양 기술을 활용한 사례를 조사하고 발표해 보자. 도움말 •조사 주제는 모둠별로 협의하여 결정한다. •모둠별로 각자의 역할을 정해 활동하도 록 한다. 구분 활용 사례 재조합 DNA 기술을 이용한 품종 개발 조직 배양에 의한 종묘 생산 세포 배양에 의한 유용 물질 생산 스스로 평가하기 각 활용 사례에 대한 조사를 충실히 하였는가? 조사한 자료에 대해 구체적으로 설명할 수 있는가? 친구와 묻고 답하기 1. 핵치환 초기 연구 때에 체세포 핵을 새롭게 이식하여 밝히려고 했던 것이 무엇인지 이 야기해 보자. 2. 돌리의 탄생 과정을 이야기해 보자. 3. 동물과 식물의 세포 융합의 다른 점을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 192 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 교과서 188쪽 교과서 188쪽 교과서 189쪽~190쪽 읽기 자료 과학과 사회 어느 날 갑자기, 내 심장에 이상이 생겼다면? 그런데 그 병을 치료할 수 있는 건강한 새로운 심장이 준비되어 있다면 어떨까? 인간이라면 누구나 불치병에 대한 막연 복 제 인 간 을 다 룬 영 화 생각해 보기 한 두려움과 공포심을 가지고 있다. 필요한 시점에 장기를 제공받지 못하 거나 장기 이식 시 거부 반응이 나타날 수 있기 때문이다. 현재 과학계에서는 필요한 때 필요한 장기를 이식받을 수 있도 록 동물 복제 등의 연구가 진행 중이며, 이러한 동물 복제 기술로 사람들의 수명이 연장되고 질병의 고통으로부터 벗어나서 보다 윤택한 삶을 누릴 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 동물 복제 기술 이 발전하면서 생길 수 있는 복제 기술의 남용은 영화에서처럼 생 명을 경시하고 생명의 존엄성을 무시하는 결과를 초래할 수도 있 다. 인간 복제를 다룬 몇몇 공상 과학 영화는 생명 공학의 발달과 생명의 존엄성 및 생명 윤리를 다시 생각해 보게 한다. 1. 난치병 치료를 위해 복제 인간을 만드는 것에 대한 문제점을 토의해 보자. 2. 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 193 3 학습 목표 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 • 단일 클론 항체, 유전자 치료, 줄기세포를 난치병 치료에 적용한 사례를 이해하고, 이러한 치료법의 전 망을 토의할 수 있다. 손상되거나 훼손된 세포와 조직을 대체할 수 있는 줄기세포 연구는 난치병 환자에게는 한 줄 기 희망일 수 있다. 인간의 질병, 노화 문제 등을 해결하기 위해 줄기세포 연구 이외에도 어떤 새 로운 생명 공학 기술들이 개발되고 있을까? 생명 공학 기술은 질병 치료와 관련하여 인간의 생활에 영향을 미치고 있다. 생명 공 핵심 용어 단일 클론 항체 줄기세포 유전자 치료 학 기술의 발달로 질병을 예방하고 보다 건강한 삶을 영위하게 되었으며, 평균 수명이 늘어나고 있다. 암, 뇌종양, 유전병 등의 난치병을 치료할 수 있는 다양한 생명 공학 기 술은 인간의 삶의 질을 높이는 데 기여하고 있다. 단일 클론 항체를 이용한 치료 외부 물질이 침입하였을 때 우리 몸은 이를 방어하기 위해 항체를 만들어 항원과 결합 함으로써 효과적으로 방어 작용을 한다. 일반적으로 항원은 항체에 비해 크기가 매우 크 며 하나의 항원은 많은 항원 결정기를 가지고 있다. 이때 단 하나의 항원 결정기에만 작 용하는 항체를 계속해서 얻을 수 있다면 매우 유용하게 활용할 수 있다. 일반적으로 정상 림프구만을 분리하여 배양하면 수명이 짧아 장기간 잘 증식하지 않 는다. 그러나 정상 림프구를 무한히 증식하는 능력을 가진 골수암 세포와 융합시켜 잡종 그림Ⅵ- 7 항체 분자 모형 세포를 만들어 배양하면, 이것이 무한히 증식하면서 한 종류의 항체인 단일 항체만을 만 들 수 있다. 단일 클론 항체는 의학 분야에 획기적인 발전을 일으켰으며, 임신 진단 키트 의 제작, 물질의 정제에 이용된다. 단일 클론 항체를 이용한 치료제는 암 치료제가 대부분이나, 이외에도 자가 면역 질 환, 전염성 질환, 이식 거부 반응 완화, 심장 질환 등의 치료에도 활용된다. 항암제 항체 암 환자에게 투여 암세포 항암제 암세포에 대한 단일 클론 항체 복합체 그림Ⅵ- 8 단일 클론 항체를 이용한 암세포 치료 194 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 암세포와 항원 항체 반응 암세포의 항원 결정기에 결합 암세포 사멸 유전자 치료 유전자 치료란 유전자 삽입, 유전자 제거 또는 유전자 발현을 조절하여 유전 질환을 치 료하거나 완화시키는 것이다. 유전자 치료는 일반적으로 다음과 같은 세 가지 방법이 있다. 이것이 궁금해요 첫째, 체내 유전자 치료는 병을 치료하기 위해 만든 DNA를 환자에게 직접 넣는 것이 유전자 치료 중 유전자 발현은 어떻게 조절하나요? 다. DNA를 그대로 주입하기도 하지만, 원하는 부위에 원하는 DNA나 유전자를 정확 히 전달하기 위해 운반체를 이용한다. 운반체로는 주로 바이러스가 쓰인다. 세포에 기생 하는 바이러스 때문에 병이 든 세포 안으로 조작된 DNA를 쉽게 전달할 수 있다. 둘째, 체외 유전자 치료는 환자의 혈액, 골수, 장기 등의 환부에서 세포를 채취해 병을 일으키는 DNA를 수리하고, 그 세포를 다시 환자의 몸에 넣어 몸의 기능이 정상으로 회 복되도록 하는 것이다. 셋째, 최근에는 원하는 DNA 부분을 정교하게 잘라 내는 ‘유전자 가위’ 기술이 개발되 었다. 이 기술을 사용하여 이상이 있는 DNA를 잘라 내고 새로운 DNA로 교체한다. 체내 유전자 치료 체외 유전자 치료 유전자 가위 치료 물질 생성 유전자 질병을 유발하는 DNA 치료 물질 생성 유전자 염기 서열 바이러스 (DNA 운반체) 환자의 세포 채취 질병 유발 DNA 제거 바이러스 (DNA 운반체) 치료 물질 생성 유전자를 가진 바이러스를 환자 몸에 직접 투여 치료 물질 생성 유전자를 가진 바이러스에 감염시킨 환자의 세포를 환자 몸에 투여 질병을 유발하는 DNA 제거 그림Ⅵ- 9 유전자 치료 방법 줄기세포를 이용한 치료 줄기세포를 이용하면 훼손된 조직을 대체할 수 있는 세포나 조직을 다량으로 얻을 수 있으므로 난치성 질병을 치료할 수 있다. 줄기세포는 배아 줄기세포, 성체 줄기세포, 역 스스로 정리 하기 •줄기세포: 분화 줄기세포로 구분할 수 있다. 사람의 배아는 수정란이 난할 과정을 거쳐 조직과 기관으로 분화되는 과정에서 8주까 지의 세포 덩어리를 말한다. 3. 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 195 이 시기의 배아를 포배 또는 배반포라고 하며 이 세포 덩어리에서 배아 줄기세포를 얻 스스로 정리 하기 을 수 있다. 배아 줄기세포는 성체의 모든 세포로 분화될 수 있어서 심장, 췌장, 간, 피 •줄기세포의 이용 사례: 부, 신경 등 다양한 장기로 분화가 가능하다. 그러나 인간으로 발생할 가능성이 있는 배 아를 희생한다는 점 등에서 윤리적인 문제가 있다. 성체 줄기세포는 개체의 신체 각 조직에 극히 소량만이 존재하는 미분화된 세포로서 죽은 세포나 손상된 조직을 대체할 수 있는 세포이다. 성체 줄기세포는 다른 세포로 분 화가 안정적이어서 암세포로 분화될 가능성이 없고, 배아 줄기세포와는 다르게 성체 조 직에서 얻은 것으로 배아를 파괴하지 않아 윤리적으로 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 얻을 수 있는 줄기세포 수가 적고, 배양이 어려우며 특정 세포로만 분화가 가능하다. 최근에는 면역 거부 반응을 해결한 역분화 줄기세포를 이용하는 방법이 사용되고 있 다. 역분화 줄기세포는 이미 완전히 분화된 체세포에 배아 줄기세포에서 특징적으로 발 현되는 전사 인자를 도입해 발생 과정을 거꾸로 되돌리는 것이다. 성체 줄기세포와 마찬 가지로 면역 거부 문제나 윤리적인 문제가 완화될 수 있다. 그러나 역분화 과정에서 암 과 관련된 유전자 돌연변이가 발생할 가능성이 있어 지속적인 연구가 필요하다. 유전자 삽입 환자 환자의 피부 세포 추출 뇌 역분화 줄기세포 심장 골수 간 성체 줄기세포 배아 줄기세포 탯줄 혈액 골수 뼈 배반포 형성 기증 여성 난자의 핵 제거 전기 자극 · 세포 분화 추출한 핵을 난자에 이식 환자 체세포의 핵 추출 그림Ⅵ- 10 줄기세포의 이용 196 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 다음 활동에서 단일 클론 항체, 유전자 치료, 줄기세포 기술의 활용 사례를 알아보자. 조사•토의 해 보기 난치병 치료에 적용한 사례 조사 및 치료법의 전망 토의하기 과학적 사고력 과학적 참여와 평생 학습 다음은 항체, 유전자 치료, 줄기세포 치료를 활용한 사례이다. 유의점 항체 유전자 치료 • 토의 활동을 할 때에는 사회자의 지시 에 잘 따르도록 한다. 줄기세포 치료 정리하기 ❶ 다음 표는 항체 제품의 용도와 이용 분야를 나타낸 것이다. 이용 분야 중 하나를 골라 활용 사 도움말 례를 조사해 보자. 용도 •모둠별로 각자의 역할을 정해 활동하도 록 한다. •조사 사례는 모둠별로 협의하여 결정한다. 이용 분야 진단용 면역 질환, 감염성 질환, 내분비계 질환, 암, 약물 남용 치료용 항암제, 면역 억제제, 약물 부작용 치료제, 약물 전달 제제 산업용 산업용 바이오센서, 환경용 바이오센서, 촉매 항체의 이용 연구용 생명 과학 및 의학 연구용 시약 ❷ 1990년 9월에 아데노신 디아미네이스 효소 결핍으로 면역 부전증을 앓던 4세 소녀에게 최초 로 유전자 치료가 이루어졌다. 이 내용을 조사하여 발표해 보자. ❸ 다음의 난치병 치료에 사용된 줄기세포 기술을 조사하여 정리해 보자. 백혈병 파킨슨병 친구와 묻고 답하기 교과서 194쪽 1. B 림프구와 암세포를 융합시키는 이유를 이야기해 보자. 교과서 195쪽 2. 유전자 치료가 필요한 경우를 이야기해 보자. 3. 배아 줄기세포를 이용한 치료의 문제점과 해결 방법을 이야기해 보자. 교과서 195쪽~196쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 3. 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 197 읽기 자료 ‘유전자 편집 기술’은 4차 산업 혁명으로 손꼽히는 ‘바이오 융합 기술’의 핵심 과학 이야기 적인 기술로 과학 기술계의 주목을 받고 있다. 이 기술은 가위라는 말에서 알 수 있듯이 유 전 자 편 집 기 술 은 꿈 의 기 술 인 가 문제되는 유전자만 잘라 내어 새로운 유전자로 바꾸는 기술이다. 난치병 치료, 유전자 변형 식품 생산, 멸종 위기에 있거나 멸종된 생물의 복원 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 2013년에 높은 정확도와 효율을 가진 제3세대 유전자 가위 ‘크리스퍼(CRISPR/ CAS 9)’가 개발되며 해당 연구에 불을 붙였다. 크리스퍼는 교정 대상을 찾아내는 가 이드 RNA와 해당 부분을 잘라 내는 CAS 9 절단 효소로 이루어져 있다. 크리스퍼를 이용하여 짧은 기간 안에 한번에 여러 군데의 유전자를 동시에 손볼 수 있게 되었다. 유전자 가위가 연구되는 대표적인 분야는 신약 개발 분야이다. 지난해 우리나라에서 혈우병에 걸린 사람의 세포로부터 역분화 줄기세포(iPS)를 만든 뒤 혈우병을 일으키는 원인 유전자를 유전자 가위로 교정, 정상적인 세포로 분화시켜 혈우병에 걸린 쥐에 이식 해 치료하는 데 성공했다. 유전자 가위 기술은 농업, 축산업 등에서 면역 결핍 형질 전환 복제 돼지, 품질 개량 작물, 멸종 동물들의 복원에도 새로운 방법으로 기대되고 있다. 그러나 유전자 가위가 ‘맞춤형 아기’와 같은 윤리적, 사회적 문제를 일으킬 수 있기 때 문에 몇몇의 과학자는 유전자 가위를 활용한 인간 배아 연구를 중단해야 한다고 주장하 였으며, 노벨상 수상자인 데이비드(Da id, B., 1938~) 등도 “지금은 유전자 편집을 하기 전에 멈추어서 생각해야 할 시간”이라고 경고하기도 하였다. 유전자 가위 작동 원리 가이드 RNA와 CAS-9 절단 효로소 DNA 절단 가이드 RNA 혈우병 환자 사례 (일부 유전자가 뒤집혀 발생한 질환) 절단된 DNA 수선 F8 F8 전 표적 DNA 절단 자 유 F8 전 표적 DNA 인식 유 CAS-9 + 절단 효소 자 유 전 자 유전자 복구(치료) 유전자 복구(치료) 유전자 가위 기술 발전과 작동 원리 생각해 보기 198 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 1. 유전자 가위의 긍정적인 면과 부정적인 면을 조사해 보자. 출처 헬로디디 2016. 04. 08. 4 학습 목표 유전자 변형 생명체(LMO)의 영향 • LMO가 인간의 생활과 생태계에 미치는 긍정적인 영향, 부정적인 영향을 조사하고 토론할 수 있다. 플레이버 세이버(Flavor SavrTM)는 오래 보관해도 잘 무르지 않는 유전자 조작 토마 토이다. 앞으로는 이처럼 유전자 조작 기술로 만들어진 농산물과 동물 등의 유전자 변형 생물을 우리의 식단에서 보다 쉽게 접할 수 있게 될 것이다. 유전자 조작으로 만들어진 채소, 고기, 과일 등은 우리 생활에 어떤 영향을 미칠까? 1988년에 형질 전환된 콩과 벼가 만들어진 후 형질 전환된 옥수수와 밀도 생산되었 다. 이후에는 제초제 저항성을 지닌 콩, 해충 저항성 목화, 비타민 A 강화 황금 쌀 등 형 핵심 용어 LMO와 GMO 해충 저항성 유전자 조작 제초제 저항성 질 전환된 다양한 용도의 식품들이 쏟아져 나오고 있다. LMO와 GMO는 일반적으로 같은 의미로 혼용되어 사용되기도 하지만, LMO는 살 아 있는 생물로서 생식, 번식이 가능한 것을 강조하는 용어이며, 형질 전환 생물체, 유전 자 변형 생물을 이르는 말이다. GMO는 LMO뿐만 아니라 LMO로부터 얻은 산물과 식품까지 포함하는 보다 포괄적인 용어이다. LMO(유전자 변형 생물체)란? LMO는 관련 국제 협약인 바이오 안전 의정서에서 주로 사용하고 있으며. 우리나 라에서는 ‘유전자 변형’이라는 용어로 통일 GMO: 살아 있는 것 + 살아 있지 않은 것 되어 유전자 변형 생물체, 유전자 변형 식 농산물, 수산물, 미생물, 농산물, 가공식품 품, 유전자 변형 농산물 등으로 사용되고 있다(출처: 한국바이오안전정보센터). 식용유 옥수수 전분 LMO: 살아 있는 것 한국바이오안전성정보센터 농산물, 수산물, 미생물 http://www.biosafety.or.kr LMO와 GMO의 개념, 종류, 최신 동 옥수수 향 정보를 찾아볼 수 있다. 콩 가축 사료 유채 그림Ⅵ- 11 LMO와 GMO의 비교 4. 유전자 변형 생명체(LMO)의 영향 199 탐구 활동 조사•토의 LMO가 우리 생활에 미치는 영향 조사하기 모둠별로 LMO가 우리 생활에 미치는 다양한 영향을 조사하고 토론해 보자. 검색 LMO 과정 1. LMO에 대한 사람들의 대화를 읽고, 중립적 시각에서 자신의 생각을 정리해 보자. 사람이 섭취했을 때 부작용이 생길 수 있어요. 식량 생산을 획기적으로 늘려 줄 수 있으니 좋은 일이지요. 파란색 장미와 같은 새로운 품종을 만들 수 있어요. 유전자 변형 생물이 생태계에 퍼질 수 있어요. 전통적인 교잡보다는 이 기술을 이용하면 작물 등을 더 빨리 생산할 수 있어요. 생태계의 자연적인 질서가 깨질 수 있어요. 나의 생각 도움말 •LMO의 긍정적인 면과 부정적인 면을 객관적으로 평가하도록 한다. 2. LMO가 어떤 목적으로 만들어졌는지 조사해 보자. 유의점 • 조사를 할 때는 신뢰성 있는 기관이나 관련 도서를 활용한다. 200 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 과학적 참여와 평생 학습 과학적 사고력 3. 모둠별로 LMO가 우리 생활에 미치는 영향을 조사하고, 긍정적인 면과 부정적인 면을 정리해 보자. 구분 LMO의 긍정적인 면 LMO의 부정적인 면 일상생활에 미치는 영향 환경에 미치는 영향 기술 및 시장에 미치는 영향 정리하기 ❶ 모둠별로 LMO에 대해 조사한 내용을 발표해 보자. ❷ LMO의 긍정적인 면을 홍보할 수 있는 포스터나 표어를 만들어 보자. ❸ 우리 생활에 LMO를 유용하게 활용할 수 있는 방법을 이야기해 보자. 스스로 평가하기 LMO에 대한 자신의 생각을 논리적으로 설명하였는가? LMO가 우리 생활에 미치는 긍정적, 부정적인 영향을 이해하였는가? 친구와 묻고 답하기 1. LMO는 어떤 목적으로 만들어졌는지 이야기해 보자. 2. 유전자 변형 생물의 긍정적인 면과 부정적인 면을 이야기해 보자. 교과서 199쪽 교과서 200쪽 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 4. 유전자 변형 생명체(LMO)의 영향 201 5 학습 목표 생명 공학의 전망과 과제 • 생명 공학의 발달 과정에서 나타나는 생태학적, 윤리적, 법적, 사회적 문제점을 이해하고, 미래 사회에 미칠 영향을 예측하여 발표할 수 있다. 1999년에 미국 콜로라도에 사는 부부 사이에서 한 아기가 태어났다. 부부는 판코니 빈 혈증에 걸린 첫 아이의 치료를 위해 둘째를 출산하기로 결심하였다. 부부는 첫 아이와 조 직형이 일치하는 배아를 선별하여 둘째를 출산하였고, 탯줄에서 얻은 세포를 이식받은 첫 째는 건강을 되찾게 되었다. 생명 공학의 발달은 긍정적인 면만 있는 것일까? 세기 이후에 급격히 발달한 생명 공학은 여러 학문 분야와의 긴밀한 관계 속에서 의 핵심 용어 생태학적 문제 사회적 문제 법적 문제 학, 식량, 농업, 환경 등 인류의 생활 향상에 크게 기여하였다. A 재조합 기술로 다 양한 의약품을 생산하고, 사람 유전체 연구로 유전병의 원인을 알아냄으로써 유전자 치 료의 기초를 마련하였다. 또한, 중요한 동식물의 유전체 연구로 이들의 생산성을 증대시 키고 병충해 저항성을 지닌 새로운 농작물을 개발하였다. 한편 유전자 변형 미생물을 활 용하여 노폐물을 제거하고 생물 정화 기능을 향상시켜 환경 오염 문제를 해결하였다. 특허청 http://www.kipo. go.kr 생명 공학과 관련된 특허 정보를 찾아 볼 수 있다. 그림Ⅵ- 12 생명 공학의 활용 가능성 생명 공학은 우리 생활에 어떤 영향을 미칠까? 그러나 생명 공학의 무한한 가능성은 전 인류에게 경계의 대상이 되기도 한다. 유전자 변형 생물의 이용으로 인체나 가축에 대한 안전성의 문제가 지속적으로 제기되고 있다. 유전자 변형 생물을 장기간 재배하면 유전자 전이로 슈퍼 잡초나 새로운 변형 생물체가 202 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 출현하게 되어 생태계 교란이 일어날 가능성이 높아지고, 단일 품종 LMO의 재배는 생 물종 다양성을 파괴하는 결과를 가져올 수도 있다. 난치병 환자 치료를 위해 배아 줄기세포를 이용하는 과정에서 생명 경시 풍조 현상이 심각해지고 이에 따라 생명 공학 기술 개발과 연구 결과의 올바른 사용을 위한 법적 규 제를 정해야 한다는 의견도 제기되고 있다. 생명 공학 기술은 소수의 과학자들이 연구실 에서 생명 공학의 전문적 지식을 이용하는 것뿐만 아니라 일반인, 기업인 등의 사회 구 성원 모두가 관심을 가지고 생명 공학 기술 발전으로 발생하는 다양한 문제를 해결해 나 가야 할 것이다. 생명 공학 기술의 활용은 긍정적인 면과 부정적인 면이 공존한다. 다음 활동에서 생명 윤리에 대한 쟁점을 알아보고 자신의 의사를 결정해 보자. 탐구 활동 토의 생명 윤리 쟁점에 대한 의사 결정하기 과학적 탐구 능력 과학적 사고력 모둠별로 생명 윤리 쟁점에 대해 조사하여 자신들의 견해를 정리하여 발표해 보자. 미리 알아보기 명 명을 한 모둠으로 하여 다음 탐구를 수행한다. 자료 내려받기 1. 조사하기 ⑴ 모둠별로 참고 자료 [Ⅵ- 1. 생명 공학 기술 발달에 따른 생명 윤리의 쟁점]을 내려 •Ⅵ- 1. 생명 공학 기술 발달에 따른 생명 윤리의 쟁점 자료 준비물 받아 확인한다. ⑵ 제시된 생명 윤리 쟁점 중 한 가지를 선택한다. 찬반을 위한 자료집 복제 기술의 활용 실험용 동물의 사용과 제한 사람 유전체 사업 줄기세포를 이용한 난치병 치료 5. 생명 공학의 전망과 과제 203 2. 조사 내용 정리하기 우리 모둠이 조사한 내용을 정리해 보자. •조사한 생명 윤리 쟁점 유의점 • 토론을 할 때 감정에 치우치지 않도록 한다. • 사회자를 정하고, 토론 시 사회자의 지 시에 잘 따르도록 한다. •조사한 생명 윤리 쟁점의 근거 발표 및 토론하기 생각하기 1. 모둠별로 생명 윤리 쟁점에 대한 견해를 발표해 보자. 2. 모둠별로 발표한 내용을 토론해 보자. 3. 토론을 통해 모둠별로 생명 윤리의 쟁점에 대한 견해를 통일하고, 표어나 포스터를 만 들어 보자. 평가하기 1. 조사 및 발표 활동을 모둠별로 평가해 보자. •생명 공학 기술과 관련 있는 생명 윤리 쟁점을 정확히 이해한 모둠은 어느 모둠인가? •모둠의 주장에 대한 근거를 논리적으로 제시한 모둠은 어느 모둠인가? •모둠의 입장을 정리하고 생명 윤리 쟁점에 대한 의사를 분명하게 결정한 모둠은 어느 모 둠인가? 2. 조사 및 발표 활동을 스스로 평가해 보자. 도움말 •모둠별로 표어나 포스터를 만들 때는 모 둠의 발표 내용을 잘 표현할 수 있도록 한다. 평가 항목 평가 다른 모둠의 발표 내용을 이해하였는가? 조사 및 발표 활동에 적극적으로 참여하였는가? 모둠 내에서 나의 역할을 충실히 수행하였는가? 토론을 위한 발표 준비를 충실히 수행하였는가? 토론 시 논리적인 근거를 잘 제시하였는가? 친구와 묻고 답하기 1. 생명 공학 기술의 긍정적인 면과 부정적인 면을 이야기해 보자. 2. 생명 공학 기술의 부정적인 영향을 줄이기 위한 방법을 이야기해 보자. 배운 내용을 바탕으로 질문을 만들어 친구와 묻고 답해 보자. 204 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 교과서 201쪽 교과서 203쪽 읽기 자료 직업의 세계 생 명 과 학 과 함 께 하 는 직 업 의 세 계 생명 공학 연구원 •직업 개요: 생물학, 의약, 식품, 농업 등 생명 과학 분야의 이론과 응용에 관한 연구를 수행하며 생명 공학과 관련한 여러 연구 부서와 협력하여 연구 개발 과제를 기획, 관리, 실행한다. •직업 전망: 정부 기관, 정부 출연 연구소, 기업 부설 연구소, 의약품 제조업체, 식품 제조업체, 화학제 품 제조업체, 생명 기술 회사 등으로 진출할 수 있고, 대학교수가 되어 교육과 연구를 병행할 수도 있다. 생물 정보학자 및 생물 정보 엔지니어 •직업 개요: A 등 유전 정보를 분석하고, 관련 데이터를 체계적으로 수집, 처리, 가공, 연구 개발 한다. 대량 전산 장비, 네트워크 장비를 관리하고 소프트웨어 개발 및 정보 처리 시스템을 운영한다. •직업 전망: 를 전공한 생물 정보학자 및 생물 정보 엔지니어는 산업체나 전산업계 쪽으로 진출하고 생물학을 전공한 사람들은 생명 공학 연구원, 생물 통계학자로 활동할 수 있다. 생명 과학 관련 지적 재산권 전문가 •직업 개요: 생명 과학과 관련된 특허 신청, 무역 기밀, 저작권, 출판물과 같은 지적 재산권 등의 업무 를 한다, 또한, 경쟁사의 특허를 검증하고, 자사 제품에 대한 잠재적 특허 침해에 대한 내용을 감시, 감독, 분석, 평가하며, 회사 관련 특허 검증을 위한 법적 조언을 하기도 한다. •직업 전망: 특허 관련 컨설턴트, 연구 기획자, 기술 가치 평 가사 등이 있으며, 변리사 자격증을 소지한 경우 변리사로서 법률 사무소나 기업 등으로 진출할 수 있다. 5. 생명 공학의 전망과 과제 205 대단원 마무리 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 A 재조합은 특정한 단백질을 만드는 ● A 재조합 기술의 활용 ● 조합 ● 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 ❷ 로 특정 유전자와 A 운반체를 자르고, 연결 효소로 유전자 절편과 A를 만든다. A 운반체를 연결하여 재 A를 만든다. ❸ 은 체세포에서 핵을 꺼내어 핵이 제거된 무핵의 난자에 이식하여 완전한 개체로 발생시키는 생명 공 학 기술이다. ● ❹ 기술은 생물 조직의 일부나 세포를 떼어 내어 인공적인 환경에서 증식시키는 기술이다. ● ❺ 는 유전 질환을 치료하거나 완화시키기 위해 유전자 삽입, 유전자 제거 또는 유전자 발현을 조절하는 것을 의미한다. ● 줄기세포는 ❻ 줄기세포, 성체 줄기세포, 역분화 줄기세포로 구분할 수 있다. 유전자 변형 생명체 LMO 의 영향 ● 유전자 변형 생물을 이르는 용어로, ❼ ● 유전자 변형 생물로는 제초제 저항성을 지닌 콩, 해충 저항성 목화, ❽ 는 살아 있는 생물로서 생식과 번식이 가능한 것을 말한다. 생명 공학의 전망과 과제 ● 생명 공학의 발달은 생태계의 질서를 파괴시키는 ❾ 등이 있다. 인 문제, 생명을 경시하는 생명 윤리적 문제 및 법 적, 사회적 문제 등이 발생할 수 있다. ❶ A 운반체 ❷ 제한 효소 ❸ 핵치환 ❹ 조직 배양 ❺ 유전자 치료 ❻ 배아 ❼ LMO ❽ 황금 쌀 ❾ 생태학적 어 에 삽입하여 재조합 정답 용 A 절편을 ❶ 찾 기 다음 내용에 해당하는 용어를 가로, 세로, 대각선에서 찾아 표시하시오. 1. 암세포와 림프구를 융합시킨 잡종 세포에서 생산하는 한 종류의 항체이다. 단 일 클 론 항 체 복 나 이 유 전 자 치 료 제 트 용 전 은 어 바 로 인 륨 사 자 기 미 상 이 간 캘 재 조 합 A 러 러 5. 식물의 조직을 배지에서 배양하였을 때 생기는 미분화된 세포 덩어리로, 완전한 식 물체로 생장한다. 인 작 융 세 포 융 합 스 6. 제한 자리라는 특정 염기 서열을 인지하여 람 생 배 유 전 자 가 위 직 물 호 아 제 한 효 소 206 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 2. 어떤 A 절편을 운반체 A에 삽입하여 만든 새로운 A를 말한다. 3. 유전 질환을 치료하거나 완화하기 위해 유전자 삽입, 제거, 발현을 조절하는 치료 방법이다. 4. 이종 간의 다른 세포를 합쳐 새로운 잡종 세포를 만드는 기술이다. A 가닥을 자르는 효소이다. 7. 부모의 세포 핵을 이용하여 핵치환 기술로 만든 사람이다. 8. 유전자 조작 기술로 만들어진 생물을 말한다. 9. 원하는 A 부분을 정교하게 잘라 내어 이상이 있는 부분을 새로운 체하는 기술이다. A로 교 개념 확인하기 개념 응용하기 1 다음은 유전자 재조합으로 유용한 단백질을 생산하는 과정을 순서 없이 나열한 것이다. 순서대로 바르게 나열하시오. (가) 유용한 유전자와 5 다음 그림은 A 재조합 기술을 이용하여 사람에게 유용한 단백질을 대량으로 얻는 과정을 나타낸 것이다. DNA A 운반체를 제한 효소로 절단 인슐린 유전자 DNA (나) 대장균을 증식시켜 유용한 단백질 생산 (다) 재조합된 (라) A를 대장균에 삽입 A 연결 효소로 유용한 유전자와 (마) 올바로 재조합된 숙주(세균) 연결 효소 염색체 제한 효소 A 운반체 연결 플라스미드 재조합 DNA A를 가진 대장균을 선별 인슐린 생산 항생제 A 내성 유전자 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 2 단일 클론 항체를 생산하기 위해서 것은? 림프구와 암세포를 융합 보기 ㄱ. 플라스미드와 인슐린 유전자는 동일한 제한 효소로 자 시키는 이유를 설명하시오. 른다. ㄴ. 재조합 지닌다. 3 다음은 줄기 세포에 대한 설명이다. ㄷ. 재조합 줄기세포 치료는 배아 줄기세포, 성체 줄기세포, 역분화 줄기세포를 이용하는 치료로 구분할 수 있는데, 이 중 윤리 적인 문제가 발생하지 않는 치료법은 ( A를 지닌 세균은 항생제 A에 대한 내성을 , )를 A는 대부분 숙주 안으로 들어간다. ①ㄱ ②ㄴ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ ③ㄷ 이용하는 것이다. 빈칸에 들어갈 알맞은 말을 쓰시오. 6 단일 클론 항체를 만드는 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 4 다음은 LMO와 GMO에 대한 설명이다. 보기 ㄱ. ( A )는 살아 있는 생물로서 생식, 번식이 가능한 것을 강조하는 것이며, ( 림프구는 암세포와 융합된 후 암세포에 대한 항체를 생산한다. )는 생식이나 번식이 가능하지 않 ㄴ. 은 것까지 포함하는 포괄적인 용어로, ( A )뿐만 아니라 림프구는 암세포와 융합되어 수명이 늘어난다. ㄷ. 선별 배지에 배양하면 한 종류의 잡종 세포만 남는다. ( A )로부터 얻어진 산물까지 포함한다. 빈칸에 들어갈 알맞은 말을 각각 쓰시오. 자기주도학습노트 ①ㄱ ②ㄴ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ ③ㄷ 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 대단원 마무리 207 7 다음 그림은 체세포 복제 방법으로 양을 만드는 과정을 나타낸 과학적 핵심 역량 기르기 것이다. 과학적 탐구 능력 9 그림 (가)는 유전자 재조합 기술을 이용하여 대장균 Ⅰ로부터 유전자 의 단백질과 유전자 의 단백질을 모두 생산하는 대 장균 Ⅳ를 얻는 과정을, (나)는 (가)의 대장균 Ⅰ Ⅳ를 섞어 종류의 항생제 중 하나를 첨가한 각각의 배지에서 배양한 결 과를 나타낸 것이다. 그림 (나)의 세 종류 배지에 동일한 위치의 대장균 군체는 같은 대장균 군체이다. 유전자 A 는 각각 앰 피실린 저항성 유전자, 카나마이신 저항성 유전자, 테트라사이 클린 저항성 유전자 중 하나이다. 유전자 A 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 유전자 B 것은? 앰피실린 첨가 배지 대장균 I 보기 ㄱ. 융합 세포는 양 A와 양 유전자 X 의 유전 형질을 모두 지닌다. ㄴ. 양 와 복제 양의 미토콘드리아 대장균 II ②ㄴ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 혼합 배양 테트라사이클린 첨가 배지 ㉠ A는 같다. 유전자 Y ㄷ. 이 과정에는 핵치환, 조직 배양 기술이 사용되었다. ①ㄱ 유전자 C 카나마이신 첨가 배지 대장균 III ③ㄷ : 군체 형성 : 군체 형성 못함 대장균 IV (가) (나) (1) 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? 8 다음은 여러 줄기세포를 열거한 것이다. 보기 ㄱ. A는 앰피실린 저항성 유전자이다. ㄴ. 가 삽입된 위치는 테트라사이클린 저항성 유전자이다. ㄷ. (나)에서 ㉠은 (가) 수정란의 발생 중 얻은 배아 줄기세포 의 단백질을 생산한다. (나) 체세포 복제를 통해 얻은 줄기세포 (다) 성체 세포를 역분화하여 얻은 줄기세포 ①ㄱ ②ㄷ (라) 성체 줄기세포 ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ 다음 빈칸에 들어갈 알맞은 말을 각각 쓰시오. (가)~(라) 중 모든 기관으로 분화 가능한 것은 ( ① )이고, ( ) (나)의 배지에서 유전자 제에 저촉되지 않는 것은 ( ③ )이다. 잘못 알고 있는 개념은 바로바로 확인하고, 정확하게 이해하자! 208 Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 와 유전자 의 단백질을 동시에 생산하는 대장균 Ⅳ에 해당하는 군체가 어느 것인지 쓰시오. 환자에게 거부 반응이 없는 것은 ( ② )이며, 윤리적인 문 자기주도학습노트 ③ ㄱ, ㄴ 과학 글쓰기 유전자 변형 작물의 두 얼굴 (가) 다음은 노벨 생리 의학상, 화학상, 물리학상 등의 수상자 11 명이 국제 환경 단체인 그 린피스에 개도국의 기아와 질병 문제 대처에 도움을 줄 수 있는 유전자 변형 작물, 특히 Laureates Letter Supporting Precision Agriculture (GMOs) June 29th 2016 To the Leaders of Greenpeace, the United Nations and Governments around the world ‘황금 쌀’의 생산 반대 운동을 중단할 것을 요 구하는 편지의 일부 내용이다. 이 편지는 그 린피스 외에 국제 연합( )과 각국 정부에도 전해졌다. (나) 그린피스는 이 편지의 내용을 반박하는 성명을 내어 황금 쌀을 과장 선전하는 것이라고 비판하며, 식량과 생태 농 업에 대한 공평한 접근을 통해 개도국의 식량과 질병 문제를 해결해야 한다고 주장하였다. 1 2 3 과학적 사고력 (가)에서 노벨상 수상자들의 주장을 요약해 보자. 과학적 사고력 (나)에서 (가) 의견에 대한 반대 내용을 요약해 보자. 과학적 탐구 능력 두 단체의 입장을 객관적으로 판단하고, 생물학적, 경제학적 측면을 고려하여 중재안을 작성해 보자. 대단원 마무리 209 부록 1 학습 도움 자료 • 실험실 안전 지키기 • 인터넷 추천 사이트 • 생명 과학사 연대표 2 정답 및 해설 3 찾아보기 4 참고 문헌 5 사진 및 자료 출처 1 학습 도움 자료 실험실 안전 지키기 과학 실험을 할 때에는 인화성 물질이나 인체에 유해한 물질을 다루기도 하고 깨지기 쉬운 유리 기구나 몸에 상처를 줄 수 있는 날카로운 기구를 사용하기 때문에 뜻하지 않은 사고가 일어날 수 있다. 따라서 실 험을 할 때에는 선생님의 지시에 잘 따라야 하고 보안경, 실험복 등의 보호 장비를 갖추어야 하며, 응급 처 치 방법도 알아야 한다. ●일반적인 주의 사항 ① 실험을 하기 전에 실험의 목적, 내용, 방법 등을 미리 알아 둔다. ② 실험에 사용하는 시약을 다룰 때의 주의 사항과 실험 기구 사용법을 미리 알아 둔다. ③ 화재에 대비하여 소화기의 위치와 사용법을 알아 둔다. ④ 불을 사용하는 실험에서는 인화성 물질을 가까이 놓지 않는다. ⑤ 시험관을 가열할 때 시험관 입구는 항상 사람이 없는 쪽을 향하게 한다. ⑥ 냄새를 맡을 때에는 손으로 바람을 일으켜 맡도록 하고, 직접 코에 대어 흡입하지 않는다. ⑦ 젖은 손으로 전기 기구나 콘센트를 만지지 않는다. ⑧ 실험 폐기물은 반드시 폐기물 처리 방법에 따라 처리한다. ●실험실에서의 응급 조치 실험실에서 사고가 발생한 경우에는 당황하지 말고 침착하게 간단한 응급 처치를 한 후 즉시 보건실로 가도록 한다. 중상일 경우에는 즉시 의사의 치료를 받는다. 212 부록 ➊ 화재가 발생한 경우 ➋ 상처를 입었을 때 ➌ 화상을 입었을 때 인화성 물질에 불이 붙었을 경우에는 물에 젖은 걸레나 수 건으로 덮어서 끈다. 인화성 물 질이 많으면 모래를 뿌리거나 소화기를 사용하여 끈다. 상처 부위를 묽은 과산화 수 소수로 잘 씻어 내고 외상 치료 액을 바른다. 피가 멈추지 않을 경우 지혈을 하고 즉시 의사의 치료를 받는다. 화상을 입은 부위를 흐르는 찬물에 담가 충분히 열기를 식 힌다. 화상이 심할 경우에는 바 셀린을 바른 후 즉시 의사의 치 료를 받는다. ➍ 강한 산이나 강한 염기가 묻었을 때 ➎ 유독 가스 혹은 휘발성 액체의 증기를 마셨을 때 맑은 물로 충분히 씻고, 강한 산인 경우 묽은 암 모니아수로, 강한 염기인 경우 1 아세트산 수 용액으로 씻는다. 눈에 들어갔을 때에는 눈을 뜬 채 로 1 분 이상 흐르는 물로 씻고 즉시 의사의 치료 를 받는다. 실험실 밖으로 옮겨 눕히고 옷을 느슨하게 하여 신선한 공기를 마시도록 한다. 체온이 낮아지지 않 도록 보온하고, 즉시 의사의 치료를 받는다. 실험실 안전 기호 화학 약품을 손으로 직접 만지지 않고 화학 약품 안전 맛을 보거나 직접 냄새를 맡지 않는다. 젖은 손으로 전기 기구나 콘센트를 만 전기 안전 차거나 뜨거운 물체를 다룰 때에는 집 게로 잡거나 방열 장갑을 사용한다. 열 안전 칼, 핀, 가위와 같은 날카로운 도구를 도구 안전 불을 사용할 때에는 화재에 주의하고 인화성 물질을 가까이 두지 않는다. 화재 안전 폐기물 안전 안전하게 처리한다. 옷을 훼손하거나 더럽히는 실험을 할 다룰 때에는 보안경을 쓴다. 때에는 실험복을 입는다. 피복 안전 동물을 보호하고 생명을 존중하는 마 음을 갖는다. 동물 보호 알지 못하는 식물은 함부로 맛보거나 식물 안전 피부에 닿지 않도록 하며, 반드시 선 생님의 지시를 받아 사용한다. 독극물 사용할 때에는 조심해서 다룬다. 사용한 약품은 선생님의 안내에 따라 화학 약품을 사용하거나 실험 기구를 눈 안전 지지 않는다. 먹어서는 안 된다. 손에 약품이 묻었거나 실험이 끝나면 손 씻기 비눗물로 손을 깨끗이 씻는다. 학습 도움 자료 213 학습 도움 자료 http://www.scienceall.com 인터넷 추천 사이트 사이언스올 사이버 과학 실험을 할 수 있으며, 여러 가지 과학 상식, 과학 게임, 생 활로 배우는 과학 등 한국과학창의재단이 제공하는 사이트 http://www.ssp.re.kr 서울특별시교육청 과학전시관 전시관에 대한 소개와 체험 학습 자료를 볼 수 있고, 탐구 대회 등을 안 내해 주는 사이트 http://www.ntis.go.kr 국가과학기술 지식정보서비스 국가연구개발사업에 대한 정보를 한곳에서 안내해 주는 사이트 214 부록 http://www.science.go.kr 국립중앙과학관 단원별 시뮬레이션 및 동영상이 수록되어 있으며, 과학 실험 및 과학 심화 학습 자료를 제공하는 사이트 http://www.nibr.go.kr 국립생물자연관 우리나라에 있는 종, 생물 표본, 유전 정보, 유용성 정보, 국가가 관리하는 생물 등 생물자원에 대한 모든 것을 알 수 있는 사이트 http://www.ibric.org 생물학연구정보센터 세계 각국의 고급 생물학 연구 정보의 수집, 생물 관련 정보와 생물학자들 간의 커뮤니케이션의 장을 제공하는 사이트 http://www.cng.go.kr 우포늪사이버생태공원 우포늪을 소개하고 한국의 습지, 동식물 데이터 베이스( 태 체험장 등을 제공하는 사이트 http://www.sciencecenter.go.kr ), 가상 생 국립과천 과학관 다양한 사이버 교육관을 통해 과학 학습 자료 및 과학 퀴즈를 제공하는 사이트 http://www.kahp.or.kr 한국건강 관리협회 감염병의 예방 및 관리, 질환의 조기 발견 및 예방을 위한 효율적인 건 강검진과 치료, 역학적 조사 연구 및 보건 교육 등에 관한 자료를 제공 하는 사이트 http://www.krnamu.or.kr 계룡산자연사박물관 동식물의 세계, 곤충의 세계, 자연과 사람 등과 같은 다양한 전시관에 대한 자료를 제공하는 사이트 http://www.kribb.re.kr 한국생명공학연구원 생명 현상의 근본적 이해을 위한 기초 연구를 비롯하여 보건 의료, 식 량 증산, 바이오신소재, 환경 정화, 신에너지 개발 등 첨단 생명 공학 연구에 대한 자료를 제공하는 사이트 http://www.kfri.re.kr 한국식품연구원 국민의 건강 증진과 삶의 질 향상을 목적으로 하며, 질환 예방을 위한 식품의 영양 기능성 연구 및 혁신적 신소재 개발 연구에 관련된 자료를 제공하는 사이트 학습 도움 자료 215 열 배 성 합 서 에 A 질 백 단 ) 국 (영 스 킨 ), 윌 국 명 (미 규 슨 조 ), 왓 구 국 분자 (영 명 의 릭 규 A 크 서 순 A 산 노 ) 미 국 (영 의 아 어 생 슐린 인 ) 국 (미 그 에서 버 콘 험관 시 성 합 공 성 ) 한 국 (미 합성 그 버 으로 런 니 공적 명 인 규 작 구 기 연 ) 도 작 국 전 기 (영 용 리 흥분 작 슬 의 헉 의 경 몬 신 르 ,호 ) 국 발견 (미 드 M 랜 덜 형A 창 서 ) 제 리 국 고 (미 크설 슨 콜 자이 ), 니 동 모 국 (미 의 유 어 싱 체막 생 발 개 술 기 ) 합 국 (미 재조 언 코 전자 유 견 ) 발 국 (미 전자 톡 유 발 린 개 클 이는 매 법 직 응 움 반 쇄 연 ) 국 효소 (미 스 중합 리 A 멀 216 부록 1953년 1955년 1956년 1961년 1963년 1971년 1972년 1973년 1983년 1993년 1796년 1770년 1753년 1745년 1665년 1661년 1600년경 13세기 기원전 말 현 피기 미 경 (이탈 으 로 리아 생 ) 물 의 미 훅 세 세 (영국 구 포 조 ) 의 연 발 구 견 시 및 작 명 명 니 자 덤(영 연 국 발 ) 생 설 주 장 린 동 네(스 식 물 웨덴 분 ) 류 ,이 명 법 스 제 팔 창 실 험 란차 적 니 으 로 (이탈 자 리 연 아 발 ) 생 제 설 ‘종 너(영 부 두 정 국 법 ’발 ) 견 ,예 방 의 학 의 창 시 자 아 발 리스 생 학 토텔 을 레 창 스 시 (그 ,목 리 적 스) 론 베 적 생 실 이컨 기 험 (영 론 과 국 을 학 ) 제 을 창 확 립 얀 현 선(네 미 경 덜란 의 드 발 ) 명 학습 도움 자료 생명 과학사 연대표 1809년 1943년 1941년 1838년 1940년 1839년 1937년 1856년 1935년 1859년 1933년 1865년 1930년 1868년 1928년 1881년 1926년 1882년 1892년 1910년 1900년 1904년 ) 련 (소 견 프 발 로 사 블 반 파 건 ) 조 견 크 발 마 (덴 몬 센 르 옌 호 센 장 이 보 물생 식 ) 견 국 (미 린 발 러 멀 니실 페 견 발 ) 형 일 액 (독 발견 혈 만 등 로 ) 식 A 국 장 (미 주 너 식, 설 이 자 타 전 슈 ,M 트 식 ,유 O 란 성 작 A 도 지 체 ) 국 염색 (미 의 건 술 모 파리 ’저 원 초 기 의 ) 명 일 ‘생 (독 견 만 고 페 체발 하 슈 시 성 제 형 을 론 명 ) 이 규 련 화 로 (소 회 린 의진 스 파 물 브 오 기 레 유 ,크 ) 국 발견 (영 로 스 브 틴회 레 ) 니 크 국 르 (미 오 표 텀 발 이 ), 테 소설 국 (미 1효 들 비 전자 1유 견 발 ) 국 신 (미 이 먼 토마 스 왁 트렙 스 학습 도움 자료 217 이 담 바놉 배 모 스키 자 이 (소련 크 바 ) 이 코 러 스 체 렌스 발 르 ( 독 멘 견 마 델 크 일), 법 (오 더 칙 스 프 재 트리 리스 발 견 아) (네 덜 란 드 ), 라 진 마르 화 론 크(프 으 로 랑스 용 ) 불 용 슐 설 라 ‘식 이 제 물 덴 창 세 (독 포 일 ) 설 ’주 장 슈 반 ‘동 (독 물 일 세 ) 포 설 ’주 장 베 르 이 자 나르 의 (프 기 랑 능 스 연 ) 구 다 , 항 진 윈(영 상 화 성 론 국) 의 ‘종 으 개 의 로 념 기 자연 확 원 립 멘 ’발 선 택 델 유 (오 표 설 전 을 의 스 제 ‘식 법 트리 창 물 칙 아 하 잡 발 ) 고 종 견 파 에관 , 근 스퇴 한 대 르 미 ( 실험 자 생 프랑 ’ 발 연 물 스 표 발 학 ) 생 창 시 루 설 , 실 (독일 부정 발효 험 ) 학 발 수 생 립 학 , 창 시 코 결 흐(독 핵 균 일) 발 견 2 정답 및 해설 Ⅰ. 생명 과학의 역사 대단원 마무리 용어 찾기 1. 생명 과학의 역사 친구와 묻고 답하기 p. 21 합 1. 고대 근대 주요 발견 아리스토텔레스 자연 발생설 주장, 동물의 분류 하비 혈액 순환의 원리 발견 쇄 훅 세포 발견 반 레이우엔훅 미생물 발견 린네 근대 분류학 확립 슐라이덴, 피르호 세포설 제시, 세포설 확립 다윈 진화론 확립 파스퇴르 소 유전 법칙 발견 모건 유전자설 확립 플레밍 페니실린 발견 하 니 리 비 실 유 린 자 전 세 초 연 법 포 파 선 칙 리 택 응 생 물 속 생 설 설 개념 확인하기 p. 23 1. ⑴ ㄹ(세포) ⑵ ㄱ(자연 선택설) ⑶ ㄴ(유전 법칙) ⑷ ㄷ(이중 나선) ⑸ ㅅ (중합 효소 연쇄 반응) 2. ⑴ 백조목 플라스크 ⑵ 플레밍 ⑶ 서열 ⑷ 포유동물 ⑸ 개념 응용하기 p. 23 3. ⑴ ㉡, ⑵ ㉠, ⑶ ㉢, ⑷ ㉤, ⑸ ㉣ 4. ⑴ 린네, ⑵ 모건, ⑶ 왓슨과 크릭, ⑷ 니런버그와 마테이, ⑸ 윌멋 5. ㄴ, ㄹ 6. ② [해설] 멘델은 18 년에 유전법칙을 발견하였고, 모건은 19 년에 광합성의 캘빈 회로 경로 규명 왓슨과 크릭 A 구조 규명 니런버그 유전부호 해독 코헨과 보이어 유전자 재조합 기술 개발 7. ① [해설] 사람 유전체 사업은 사업이 진행되는 동안 멀리스 중합 효소 연쇄 반응 개발 분석 기술이 발전하면서 예상보다 일찍 완성되었다. 윌멋 복제 양 돌리 탄생 유전자설을 주장했으며, 에이버리는 19 A가 유전 물질임을 과학적 핵심 역량 기르기 차 세계 대전 당시 상처의 감염으로 죽을 뻔했던 군인들의 목숨을 구해 냈다. 페니실린 이후 여러 종류의 항생제가 발견되어 세균성 질병으 로 사망하는 사람들의 수가 감소하였다. •백신 개발: 제너가 종두법을 개발함으로써 천연두를 예방할 수 있게 되었다. 파스퇴르가 탄저병, 광견병 백신을 개발하여 이들 질병을 예 방할 수 있었고 이후 여러 종류의 백신이 개발되어 다른 질병들을 예방하는 데 사용되고 있다. •유전자 재조합 기술 개발: 유전자 재조합 기술을 통해 인슐린, 생장 호르몬 등 의약품을 얻었으며, 해충에 저항성이 있는 작물 등의 개발 을 통해 식량 생산이 증가하였다. 년에 증명하였다. 사람 유전체 사업의 완성 2. •페니실린 발견: 최초의 항생제인 페니실린이 발견됨으로써 제 A ⑹ 유전 자 재조합 기술 A가 유전 물질임을 증명 캘빈 돌 연 생물 속생설 확립, 백신 개발 멘델 페 효 과학자 에이버리 현대 중 p. 22 A 염기 서열 p. 24 8. ⑤ [해설] (가)는 생물 속생설, (나)는 자연 발생설이다. 자연 발생설은 아리스토텔레스가 주장한 것이며, 파스퇴르의 백조목 플라스크 실험을 통해 생물 속생설이 옳다는 것이 증명되었다. 9. ⑤ 니런버그는 실험을 통해 첫 번째 유전부호를 해독함으로써 유전부호 를 해독할 수 있는 계기를 마련하였다. 코헨과 보이어는 A 절편을 다른 플라스미드에 삽입하여 완전히 새로운 재조합 플라스미드를 만듦 으로써 유전자 재조합 기술을 개발하였다. 멀리스는 A의 특정 부분 만을 대량으로 증폭시키는 기술인 중합 효소 연쇄 반응을 개발하였다. 과학 글쓰기 p. 25 1. 석주명은 나비 연구를 위해 전국을 돌아다니며 수많은 나비를 채집하 였다. 나비에 대한 석주명의 열의는 집념 그 자체였다. 그는 중요한 나 비가 발견되면 시간이 많이 걸리더라도 쫓아가 잡아서 관찰을 하였다. 218 부록 석주명이 나비 연구를 위해 기울인 노력과 열정적인 태도를 통해 과학 자의 끈기와 집념을 배울 수 있다. 2. 석주명은 일제 강점기 시절에 나비 연구를 한 과학자이다. 그는 만 마리의 나비를 채집하였으며, 자신의 연구를 바탕으로 당시 9 1개의 종 으로 분류되어 있던 한국산 나비를 통합하여 여 종으로 정리하였다. 4. 세포 소기관의 구조와 기능 친구와 묻고 답하기 p. 44 1. 염색체의 형태로 존재한다. 2. 소화 효소와 같은 단백질은 리보솜에서 합성된 후 소포체 내부로 들어 갔다가 골치체를 거쳐 골지 소포의 형태(분비 소낭)로 단백질이 담겨서 소포가 세포막과 융합하면 그 속에 있던 단백질은 밖으로 분비된다. 3. 세포의 모양을 유지하는 세포 골격에는 미세 섬유와 중간 섬유, 미세 소관의 종류가 있다. 5. 세포막을 통한 물질 출입 친구와 묻고 답하기 p. 51 1. 삼투는 농도가 높은 쪽으로 용매인 물이 이동하는 현상으로 식물 세포 Ⅱ. 세포의 특성 의 경우 고장액에서 원형질 분리 현상을 관찰할 수 있다. 2. 능동 수송은 농도 기울기를 거슬러서 물질을 이용시킬 수 있으며, 에 너지를 필요로 한다. 예로는 1. 생명체의 유기적 구성 펌프가 있다. 3. 암 치료에 사용되는 투약법의 하나로 리포솜을 활용한다. 수용성 약물 친구와 묻고 답하기 p. 30 A를 리포솜에 담아서 세포 내로 효율적으로 운 이나 영양소 또는 1. 세포 → 조직 → 기관 → 기관계 → 개체 반하는 운반체로 활용할 수 있다. 2. 세포 → 조직 → 조직계 → 기관 → 개체 6. 효소 3. 동물은 기관계가 있는 반면 식물은 조직계가 있고 기관계가 없다. 친구와 묻고 답하기 2. 세포를 구성하는 탄소 화합물 친구와 묻고 답하기 p. 34 1. 포도당, 과당, 갈락토스와 같은 단당류와 엿당, 젖당, 설탕과 같은 이당 2. 아밀레이스는 녹말을 분해할 수 있지만 셀룰로스를 분해하지는 못한다. 3. 온도가 높아지면 효소에 의한 화학 반응 속도가 빨라지지만 최적 온도 이상의 온도에서는 효소가 변성되어 급격히 효소의 활성도가 낮아진 류가 있고 다당류에는 녹말과 셀룰로스, 글리코젠이 있다. 있으며, 질은 지방산 개와 인산기가 결합한 화합물이다. 스테로이드는 개의 탄소 고리로 이루어진 화합물로, 콜레스테롤이 있다. 과 생리 작용을 조절하며 세포막에서 물질 수송과 수용체 역할도 담 를 하고 있는 A를 주형으로 만들어진 A는 유전 정보를 리보솜에 전달하여 직 원 형 질 분 리 현 상 아 미 노 산 펩 세 인 친구와 묻고 답하기 p. 37 효 1. 원핵세포는 원형의 하나의 염색체를 가지고 있고 세포벽이 있고 막으 소 로 둘러싸인 세포 소기관이 있다. 진핵세포는 티 액 포 능 지 3. 원핵세포와 진핵세포 p. 58 조 계 핵 단백질 합성 과정에 관여한다. 가 맞지 않으면 효소는 불활성화된다. 용어 찾기 A의 두 종류가 있다. 이중 나선의 구조 A는 유전 정보를 저장하며, 유전 정보가 발현될 때 가 대단원 마무리 3. 단백질은 몸의 주요 구성 성분으로 세포내에서 일어나는 화학 반응 A와 에 대해서도 마찬가지다. 효소는 가장 잘 작용하는 최적 다. 2. 중성 지방은 글리세롤 1분자에 지방산 개가 결합한 화합물이고, 인지 당한다. 핵산은 p. 57 1. 효소는 촉매로서 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 빠르게 한다. 도 동 질 엽 글 수 록 리 송 체 칸 A가 들어있는 핵이 있고 여러 개의 염색체를 가지고 있다. 막으로 둘러싸인 세포 소기관도 개념 확인하기 있다. 1. A: 개체, : 조직계, : 기관계 2. ① [해설] 골지체는 물질 분비에 관여한다. 소포체에서 합성된 분비 단 2. 동물 세포에는 세포벽, 액포, 엽록체가 없고 식물 세포에는 이들 세포 소기관이 있다. p. 59 백질이 골지체로 농축된 후 세포 밖으로 분비된다. 정답 및 해설 219 3. ④ [해설] 주름이 잡힌 크리스타 구조를 형성하고 있다. 그리고 내막에 의해 막 A를 이루는 탄당은 디옥시리보스이다. 개념 응용하기 p. 59 4. ③ [해설] 는 능동 수송 방법이고 는 세포외 배출로 와 모두 에 너지를 필요로 한다. 5. ② [해설] 촉진 확산과 능동 수송에는 운반체 단백질이 관여한다. 6. ③ [해설] 인지질의 머리 부분은 친수성을 띠고 꼬리 부분은 소수성을 띤다. 친수성을 띠는 인지질의 머리 부분은 물과 접하고 소수성을 띠는 꼬리 부분은 물과 접하지 않으려는 성질을 가지고 있다. 단백질은 인지 질 중층을 관통하거나 붙어 있다. 모든 단백질이 인지질 표면에 붙어 있는 것은 아니며 이 단백질은 인지질 중층에서 유동하는 특성이 있다. 7. ④ [해설] A는 골지체로 소포체에서 운반되어 온 단백질을 저장하고 변형하여 단백질을 분비하는 데 관여한다. 는 리보솜이 붙어 있는 거 친면 소포체로 리보솜에서 합성된 단백질을 가공하고 운반 소낭에 담아 골지체로 운반한다. 는 리소좀으로 세포내 소화에 관여한다. 8. ② [해설] (나)는 원형질 분리가 일어난 상태이다. 세포의 팽압은 (가)가 (나)보다 더 크다. 사이 공간과 기질로 나뉜다. 미토콘드리아 기질에서는 탈탄산 효소와 탈수소 효소의 작용으로 O 이탈이 일어나고 가 만들어지며 소량의 A 가 생성된다. 그리고 내막에서는 전자 전 달계와 A 합성 효소의 작용으로 p. 60 9. ③ [해설] A는 단순 확산, 는 수송 단백질이 관여하는 촉진 확산으로 두 가지 모두 물질의 농도 차에 의해 확산되므로 에너지가 필요 없다. 다만, 촉진 확산의 경우 수송 단백질의 도움으로 단순 확산에 비해 물질 의 초기 이동 속도가 빠르다. 10. ① [해설] A는 경쟁적 저해제이고 는 비경쟁적 저해제이다. 기질의 A 통해 피루브산 분자로 분해되고 준 인산화로 A 의 산화 및 와 8분자 및 A 로A 2. (예시) 감염증을 야기할 수 있다. 스테로이드는 염증의 원인인 세균을 제거하는 것이 아니고 우리 몸의 면역 체계를 억제하는 작용을 하므로 오히려 세균의 감염 증상이 심해질 수 있다. 3. (예시) 스테로이드 부작용을 알리고 의사의 처방대로 사용하도록 한다. 1 분자와 A 분자 분자가 가진 전자가 전자 전달계를 거 A O가 생성되며, 이 과정에서 방출된 에너지를 8분자가 생성된다. 3. 기질 수준 인산화는 유기물 분자에 있던 인산기가 A A O 분자가 생성되고, 기질 수준 인산화 A 쳐 O 에 전해져 1 에 전해져 를 생성하는 방법이고, 산화적 인산화는 전자 전달계를 통해 고 에너지 전자가 이동할 때 방출되는 에너지로 성한 다음, 어나 A 가A 의 농도 기울기를 형 합성 효소를 통해 확산될 때 화학 삼투가 일 가 생성되는 방법이다. p. 79 1. 산소 호흡은 산소를 이용하지만, 발효는 산소를 이용하지 않는다. 산 소 호흡의 경우 유기물이 완전히 분해되지만, 발효는 유기물이 완전히 분해되지 않아 중간 산물이 남는다. 발효에서는 산소 호흡에 비해 적 은 양의 A 가 생성된다. 2. 젖산 발효는 김치, 젓갈, 장류를 담그거나 치즈, 요구르트 등과 같은 유 제품을 만드는 데 이용된다. 그리고 알코올 발효는 술이나 빵을 만드 는 데 이용된다. 3. 포도당은 해당 과정을 거쳐 피루브산 분자와 A A 분자 및 분자를 생성한다. 이어 피루브산이 O 를 방출하고 아세트알 데하이드로 된다. A 는 아세트알데하이드에 전자를 전해준 후 로 재생되고 아세트알데하이드는 최종 산물인 에탄올이 된다. 3. 광합성 Ⅲ. 세포 호흡과 광합성 친구와 묻고 답하기 p. 91 1. •공통점: 미토콘드리아와 엽록체는 외막과 내막의 중막으로 싸여 1. 세포 호흡 있고, 독립적인 p. 72 1. 미토콘드리아는 외막과 내막의 중막으로 싸여 있고, 내막의 안쪽은 220 부록 분자가 생성되며, 기질 수 분자가 만들어진다. 마지막으로 산화적 인산화 단계에서는 A 친구와 묻고 답하기 A A 회로를 거쳐 완전히 산화 분해될 때 친구와 묻고 답하기 수 있다는 생각 때문이다. A 회로 그 분자가 만들어진다. 피루브산 분자가 피루브산 는 그렇치 않다. 1. (예시) 짧은 시간 동안 근육을 강화시키거나 효율적으로 운동 효과를 볼 가 가진 전 리고 산화적 인산화의 단계로 진행된다. 포도당 1분자는 해당 과정을 2. 발효 p. 61 A 가 생성된다. 2. 세포 호흡의 과정은 해당 과정과 피루브산의 산화 및 농도가 증가하면 경쟁적 저해제의 저해 효과는 감소하나 비경쟁 저해제 과학 글쓰기 A 와 자가 O 로 전해지며 이 과정에서 방출되는 에너지를 이용하여 다량의 이용하여 A 과학적 핵심 역량 기르기 와 A A A와 리보솜이 있어 독자적으로 증식한다. 또 한, 이들은 복잡한 내막 구조로 이루어져 있다. 내막에는 전자 전달 계와 A 합성 효소가 있어 전자 전달계를 통해 고에너지 전자가 이동할 때 방출되는 에너지를 이용하여 한 다음 화학 삼투에 의해 A 의 농도 기울기를 형성 를 생성한다. •차이점: 미토콘드리아와 엽록체는 각각 세포 호흡과 광합성이 일어 나는 장소이다. 미토콘드리아에서 세포 호흡이 일어날 때 유기물이 분해되며 유기물의 화학 에너지가 A 의 화학 에너지로 전환된다. 엽록체에서 광합성이 일어날 때 유기물이 합성되며 빛에너지는 유기 물의 화학 에너지로 전환된다. 미토콘드리아 내막의 전자 전달계에 서의 전자의 흐름은 유기물의 산화로 생성된 와 A A 가 고에너지 전자를 공급하기 때문에 가능하지만 엽록체 틸라코이드 막 의 전자 전달계에서의 전자의 흐름은 빛에너지를 흡수한 광계가 물 이 광분해되어 공급한 전자의 에너지 수준을 높여 주기 때문에 가능 하다. 2. •공통점: 순환적 광인산화와 비순환적 광인산화는 둘 다 빛에너지를 흡수한 광계의 작용으로 전자의 에너지 수준을 높여 줌으로써 전자 의 흐름이 가능하고, 전자가 흐를 때 방출된 에너지로 기울기를 형성한 다음 화학 삼투를 통해 A 의 농도 가 만들어진다. •차이점: 순환적 광인산화는 광계Ⅰ만 관계하며, 전자의 흐름이 순환 적이다. A 는 생성되지만, A 나 산소는 생성되지 않는다. 비순환적 광인산화는 광계Ⅰ과 광계Ⅱ가 둘 다 관계하며 전자의 흐 름이 비순환적이다. O가 광분해되면서 공급한 전자가 전자 전달 계를 따라 이동하여 A 와 로 전해지며, A 뿐만 아니라 산소 도 생성된다. A 의 환원의 단계로 진행된다. 탄 3. 캘빈 회로는 탄소 고정, 환원, 소 고정 단계에서는 O가 와 결합하여 환원 단계에서는 G는 A 로부터 인산기를 받아 음 에 의해 A GAL로 환원된다. 그리고 캘빈 회로 밖으로 배출되어 다른 한다. 마지막으로 G 분자로 된다. G로 된 다 GAL의 일부는 GAL과 결합하여 포도당을 형성 의 재생 단계에서는 GAL 분자의 탄소가 재배열되는 등의 과정을 거쳐 분자를 재생한다. 개념 확인하기 p. 93 1. (ㄱ) 기질 수준 인산화 (ㄴ) 산화적 인산화 (ㄷ) 광인산화 (ㄹ) 양성자 펌 프 (ㅁ) 화학 삼투 [해설] 호흡 기질인 유기물 분자에 있던 인산기가 에 전해져 A A 가 생성되는 방법을 기질 수준 인산화라고 한다. 미토콘드리아 내막에서 전자 전달계를 통해 A 를 합성하는 방법을 산화적 인산화라고 한다. 엽록체의 틸라코이드 막에서 광계의 도움으로 전자를 이동시켜 A 를 합성하는 방법을 광인산화라고 한다. 산화적 인산화와 광인산화에서는 전자가 이동할 때 방출되는 에너지를 이용하 여 양성자 펌프가 을 능동 수송하여 의 농도 기울기가 형성된다. 합성 효소는 화학 삼투를 통해 A A 를 형성한다. 2. ⑴ 해당 과정 [해설] 포도당은 해당 과정을 거쳐 피루브산으로 분해 된다. ⑵ 젖산 발효 [해설] 포도당이 A 을 생성하므로 A 의 과정을 거쳐 최종적으로 젖산 의 과정은 젖산 발효에 해당한다. ⑶ 알코올 발효 [해설] 포도당이 A 의 과정을 거쳐 최종적으로 에탄올과 이산화 탄소로 되므로 A 의 과정은 알코올 발효에 해당 한다. ⑷ 세포 호흡 또는 산소 호흡 [해설] 포도당이 A 종적으로 이산화 탄소와 물로 되므로 A 의 과정을 거쳐 최 의 과정은 세포 호흡에 해 당한다. ⑸ 피루브산의 산화와 A 회로 및 산화적 인산화 [해설] 는세 포 호흡에서 해당 과정을 거쳐 생성된 피루브산이 피루브산의 산화와 A 회로 및 산화적 인산화 단계를 거쳐 이산화 탄소와 물로 분해되 는 과정을 포함한다. 3. (ㄱ) 명반응, (ㄴ) 캘빈 회로 [해설] 광합성 과정은 빛에너지를 이용하는 명반응과 빛과 무관하게 명반응 산물을 이용하여 진행되는 캘빈 회로의 두 단계로 구분된다. 개념 응용하기 p. 93 4. ④ [해설] 미토콘드리아에서는 내막의 전자 전달계를 따라 전자가 이동 대단원 마무리 p. 92 C A 회 로 미 산 당 캘 젖 화 과 빈 산 적 정 광 회 드 발 인 리 산 효 산 아 화 로 에서 더 높다. 한편 엽록체에서는 틸라코이드 막의 전자 전달계를 따라 전자가 이동할 때 양성자 펌프로 작용하는 전 을 스트로마에서 틸라코이드 내부로 이동시킨다. 따라 서 광합성이 활발할 때 토 콘 의 농도는 기질인 자 운반체가 세 포 호 흡 T 을 기질에서 막 사이 보다 막 사이 공간인 용어 찾기 부 패 해 할 때 양성자 펌프로 작용하는 전자 운반체가 공간으로 퍼낸다. 따라서 세포 호흡이 활발할 때 의 농도는 스트로마인 G보다 틸라코이드 내 부에 해당하는 에서 더 높다. 5. ㄱ, ㄴ [해설] ㄱ: (가), (나), (다)의 단계에서는 모두 탄소의 수가 1개씩 줄어들었으므로, 이들 단계에서 O 의 이탈이 일어난다. ㄴ: A 나 A 가 생성되는 단계는 수소의 이탈이 일어나는 단계이다. ㄷ: 1분자의 피루브산이 위 과정을 거치면 A 화 자 그리고 A 1분자, A 분 1분자가 생성되므로, 이들 분자의 수의 합은 이다. 정답 및 해설 221 6. ⑤ [해설] (나)와 (다)는 젖산 발효와 알코올 발효의 후반부에 각각 해당 하며, 이들 과정에서는 탈수소 반응이 아니라 A Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 의 재생이 일어 난다. 7. ② [해설] 순환적 광인산화에서는 광계Ⅰ의 으로 되돌아오므로, 최초 전자 공여체는 광 전자가 다시 광계 Ⅰ의 계 Ⅰ의 이다. 비순환적 광인산화에서는 물이 광분해되면서 방출한 전자가 이동하여 최종적으로 체는 이 산화되면서 방출한 A 에 수용되므로, 최초 전자 공여 1. 유전체의 구성과 유전자의 구조 친구와 묻고 답하기 p. 104 1. 열처리한 형 폐렴 쌍구균에서 추출한 물질에 단백질 분해 효소를 처 리한 후 단백질을 제거하고 O이다. 형과 섞어 주었더니 로의 형질 전환이 일어났다. 마찬가지로 형균이 형균으 A 분해 효소나 지질 분해 효소 또는 탄수화물 분해 효소를 처리하여도 형균으로의 형질 전환 과학적 핵심 역량 기르기 8. ④ [해설] ①, ②: p. 94 와 A A 가 산화되며 공급한 전자는 전자 이 일어났다. 다음에는 열처리한 형균에서 추출한 물질에 A분 해 효소를 처리하여 형균 A를 제거하고 형과 섞어 주었더니 전달계를 따라 이동한 다음 최종적으로 산소에 수용된다. 이 형균으로 되는 형질 전환은 일어나지 않았다. 따라서 형질 전환을 ③, ④: 양성자 펌프 (가)에서 일으키는 물질, 즉 유전 물질은 합성 효소인 (나)에서 A 를 합성한다. ⑤: A 1분자로부터 각각 분자의 A A A A 이중 나선 구조의 바깥쪽에 당 - 인산 뼈대가 있고 안쪽으로는 사이에서 각각 중 수 3. 원핵생물의 유전체는 주로 한 분자의 원형 A로 구성되어 있으며 소 결합과 중 수소 결합을 형성한다. 분자가 쓰이고, (다) 단계에 A 로부터 인산기를 받아 G는 A , G와 와 가 합성된다. 9. ㄱ, ㄴ [해설] ㄱ. (가) 단계에 A 분자가 쓰인다. 2. A이다. 염기가 쌍을 이루며, 염기쌍은 A와 1분자와 분자의 A 은 능동 수송에 의해 이동하고, A 은 확산에 의해 이동하며 화학 삼투를 일으켜 에 의해 GAL로 환원된다. 따라서 GAL이 크기는 비교적 작으며, 세포 주기 동안 중기 염색체의 구조와 같은 모 G로 된 다음 습은 보이지 않는다. 원핵생물 유전체 내에 유전자는 매우 촘촘하게 G보다 더 존재하고 있으며 유전자 사이의 비암호화 부위가 짧다. 많은 에너지를 갖고 있다. ㄷ. (라)에서 탄소수가 진핵생물의 유전체는 원핵생물의 유전체보다 크고 단백질을 암호화 1 개에서 18개로 증가했으므로 하는 유전자의 수가 많다. 진핵생물이 원핵생물보다 훨씬 큰 유전체를 (라)가 O 고정이 일어나는 단계이다. 따라서 1 O 를 주입했을 때 가 가지지만 일정한 길이의 장 먼저 1 로 표지되는 물질은 물이 원핵생물보다 비암호화 G이다. 과학 글쓰기 p. 95 1. 태양 에너지 활용 방법으로는 태양 전지, 태양열 발전, 그리고 인공 광 합성 등이 있다. 태양 전지와 태양열 발전은 지역과 날씨 등에 영향을 받고 전기를 충전하는 데 시간이 오래 걸리므로 이동하는 자동차 등에 사용하기에는 경제성이나 효율성이 떨어진다. 그러나 인공 광합성 장치 를 이용하여 메탄올과 같은 유기물을 만들어 사용하면 이동하는 자동차 의 연료로 바로 사용할 수 있고 다른 유기 화합물을 만드는 재료로도 활 용할 수 있다. 또한, 온실가스인 O 를 재사용할 수 있다. 2. 태양 에너지는 이산화 탄소를 발생시키지 않는 청정 에너지이기 때문에 지구 온난화 문제를 유발하지 않는다. 또한, 태양 에너지는 고갈되지 않 는 에너지원이다. 수력 발전에 비해 훨씬 광범위한 지역에 태양광 발전 이나 태양열 발전 시설을 세우는 것이 가능하며, 이산화 탄소를 재활용 하고, 여러 유기 화합물의 원료가 되는 물질을 생산할 수도 있다. 2. A 당 유전자 수는 더 적다. 이는 진핵생 A 부분이 훨씬 많기 때문이다. 의 반보존적 복제 친구와 묻고 답하기 1. 여 새로운 2. p. 109 A 이중 나선이 풀어진 다음, 각각의 분리된 가닥을 주형으로 하 A 가닥을 만들어 A가 복제되기 때문이다. A 복제는 ′ → ′ 방향으로만 일어난다. 따라서 A 가닥이 복 제 원점을 중심으로 지퍼처럼 열리기 때문에 ′ → ′ 방향의 모가닥 을 주형으로 하여 새로 합성되는 선도 가닥은 복제 분기점을 향하여 ′ → ′ 방향으로 연속적으로 합성된다. 그러나 ′ → ′ 방향의 모가닥 을 주형으로 새로 합성되는 지연 가닥은 ′ → ′ 방향으로 연속적으 로 합성될 수 없다. 그래서 지연 가닥은 A 이중 나선의 두 가닥이 조금씩 풀릴 때마다 ′ → ′ 방향, 즉 복제 분기점에서부터 복제 원점 방향으로 새로운 짧은 A 가닥을 만들어 이미 만들어져 있던 지연 가닥에 연결하는 방법으로 비연속적으로 합성된다. 3. 유전부호와 유전자의 발현 친구와 묻고 답하기 1. 니런버그와 마테이는 유라실 중합체인 폴리 222 부록 p. 120 를 이용한 단백질 합성 실험 결과 페닐알라닌으로만 구성된 단백질이 생성된다는 것을 발견 질이 더 이상 작동 부위에 결합하지 못하게 된다. 그렇게 되면 젖당 오 하고, 페닐알라닌에 대한 폐론의 구조 유전자의 전사가 일어나 구조 유전자가 발현되어 젖당을 A 유전부호가 인 것을 알아내 었다. 마찬가지로 폴리A, 폴리G, 폴리 , 그리고 몇 종류의 염기를 조 합한 A 중합체를 이용하여 각 A 유전부호에 대한 아미노 산을 결정하였다. A 가공 단계, 번역 단계 및 번역 후 단백질의 활성화 단계 등에서 일어나 A, 프로모터, 2. 전사 과정에 참여하는 요소로는 있다. 이용할 수 있게 된다. 3. 진핵세포에서 일어나는 유전자 발현 조절은 전사 단계, 전사 후 A 중합 효소가 A 중합 효소가 프로모터에 결합한 다음 이중 나선의 가 풀려 단일 가닥으로 나누어지고, A 중합 효소가 주형 A A가 닥을 따라 종결 신호가 나올 때까지 이동하면서 새로운 뉴클레오타이 드를 첨가함으로써 주형 A 가닥에 상보적인 는데, 이 중에서 전사 단계의 조절이 가장 중요한 단계로 작용한다. A 가닥을 만드는 5. 발생의 유전적 조절 친구와 묻고 답하기 p. 129 1. 발생의 가지 중요한 과정은 결정, 분화, 형태 형성 및 생장이다. 결정 전사가 진행된다. A, 아미노 은 세포의 발생적 운명의 결정 즉, 발생 초기에 각 세포가 어떤 종류의 산이 있다. 번역 과정은 개시, 신장, 종결의 단계로 이루어지는데, 세포가 될 것인지가 결정된다. 분화는 한 세포로부터 구조와 기능이 3. 번역 과정에 참여하는 요소로는 리보솜, 자리에 위치하고 여기에 메싸이 서로 다른 세포가 생성되는 과정이다. 형태 형성은 분화된 세포들이 A가 결합하면서 번역이 개시된다. 이후 조직화되어 몸의 외형과 형태를 이루는 단계이며, 생장은 세포 생장과 A의 개시 코돈이 리보솜의 오닌이 부착된 상보적인 A, 신장 단계에서는 리보솜의 A 자리에 위치한 A가 운반한 아미노산과 A에 부착된 메싸이오닌 사이에 펩타이드 결합이 형성 발현의 차이는 다음과 같은 두 가지 방식에 의해 생긴다. 하나는 세포 A가 결합한다. 이 되면 메싸이오닌은 A의 내부에 유전자의 발현을 조절하는 세포질 인자의 불균등한 분포에 의 자리로 이 해 차이가 생기고, 또 다른 하나는 외부로부터 비롯되는 유도 인자에 A와 분리된다. 리보솜 복합체가 다음 코돈으로 자리를 옮기면 자리에 있던 동해 방출되고 A 자리에 있던 A가 A는 자리로 이동한다. 비어 있 대해 세포마다 노출되는 정도가 달라 차이가 생긴다. A 코돈에 맞는 안티코돈을 가 3. 형태 형성은 유전자 발현의 공간적 차이에 의해 일어난다. 형태 형성 A가 결합하고, 앞에서와 같은 과정이 반복되면서 폴 에 중요한 유전자 중의 하나는 몸의 각 체절에서 만들어질 기관을 결 는 A 자리에는 여기에 위치한 진 새로운 세포 분열에 의해 기관과 몸의 크기가 증가하는 단계이다. 2. 세포 분화는 유전자의 선택적 발현에 의해 일어나는데, 세포의 유전자 티코돈을 가진 자리의 A 코돈에 대한 안 리펩타이드가 길어진다. 그러다가 A의 종결 코돈이 리보솜의 A 자리에 오게 되면 종결 코돈과 상보적인 결합을 할 수 있는 A 가 없고 방출 인자가 대신 붙어 번역이 종결된다. 번역 과정이 종결되 면 리보솜은 각각의 단위체로 나누어지고, A와 정하는 혹스 유전자이다. A도 분리 되면서 완성된 폴리펩타이드는 방출된다. 대단원 마무리 용어 찾기 p. 130 혹 스 유 전 자 이 4. 유전자 발현의 조절 친구와 묻고 답하기 전 안 반 중 체 티 p. 124 보 1. 원핵세포에서 유전자 발현은 하나의 프로모터에 의해 여러 구조 유전 분 존 자의 발현이 통합적으로 조절된다. 반면 진핵세포에서 유전자 발현은 하나의 프로모터에 의해 하나의 유전자의 발현만 조절된다. 2. 대장균이 젖당을 분해하기 위해서는 젖당 분해 효소와 젖당 투과 효소 나 코 돈 선 돈 화 적 지 연 가 닥 복 제 분 기 점 제 전 사 인 자 등이 필요한데, 이들 효소에 대한 구조 유전자는 프로모터( ), 작동 부 위(O)와 같이 A에 나란히 위치하여 젖당 오페론을 구성하고 있 개념 확인하기 p. 131 다. 그리고 젖당 오페론 앞에는 조절 유전자가 있어서 오페론의 발현 1. 염기쌍, 당 - 인산 골격 [해설] 이중 나선 구조를 꼬인 사다리에 비유하 을 조절한다. 만약 배지에 젖당이 없으면 조절 유전자에 의해 만들어 면, 발판 가로대와 세로 지지대는 염기쌍과 당-인산 골격에 각각 해당 진 억제 단백질이 프로모터에 인접해 있는 작동 부위와 결합하여 프 로모터에 한다. A 중합 효소가 부착하지 못 하게 하므로 젖당 오페론의 2. ④ [해설] 아데닌이 19 이면 타이민이 19 이며, 구아닌과 사이토신 구조 유전자의 전사가 일어나지 않는다. 반면 배지에 젖당이 있으면, 은 각각 1 이다. 한편 퓨린과 피리미딘 염기가 함께 염기쌍을 형성하 억제 단백질에 젖당 유도체가 결합하여 구조 변화를 일으켜 억제 단백 므로, 이들의 비율은 언제나 이다. 정답 및 해설 223 3. ⑴ A , 8. , GAA, AAA A의 염기 서열은 주형 가닥의 염기 서열에 상보적이므로, [해설] A의 코돈은 순서대로 A ⑵ , , GAA, AAA이다. , GA, GGA, [해설] A의 안티코돈은 GGA, , A 코돈에 상보적이므로 GA, 이다. ⑶ 트레오닌, 프롤린, 글루탐산, 라이신 [해설] A의 코돈인 A , , GAA, AAA가 지정하는 아 미노산은 각각 트레오닌, 프롤린, 글루탐산, 라이신이다. 4. 1 A가 모두 1 [해설] 부모 세대에 있는 A가 모두 1 의 1 이었다면, 이는 류가 개씩, 즉 1 1 A는 1 세대의 1 1 와 1 1 가1 와 1 1 1 와1 1 원핵생물 진핵생물 대부분 하나의 원형 다수의 선형 오페론 구조 오페론 존재 오페론 존재하지 않음 유전자의 인트론 존재 인트론 없음. 단 고세균 에는 인트론 존재 인트론 존재 9. ③ [해설] 로 표시된 부분은 복제 원점이 아니라 복제 분기점이다. 복 제는 ′ → ′ 방향으로 일어나므로 연속 복제는 위의 가닥을 주형으로 해서 일어난다. 그리고 아래 가닥을 주형으로 하여 합성되는 이고 복제 1세대 A가 반보존적으로 복제 A는 1 된다는 것이다. 따라서 복제 세대의 1 유전체 / 유전자 특징 유전체의 선형 또는 원형 와1 1 점이 열릴 때마다 짧은 단편으로 합성된 후 A는 복제 분기 A 연결 효소에 의해 연결된 다. 한편 복제 분기점의 이동 방향은 오른쪽에서 왼쪽이다. 두종 가 1 1의 비율로 생긴다. 그리고 복제 1 두 종류가 각각 개와 개씩, 즉 의 비율로 생긴다. 과학적 핵심 역량 기르기 10. ①, ③ [해설] p. 132 길이의 A 또는 이와 결합한 A만 자기 방사선 사진으로 나타나게 된다. 헬리케이스 처리 시 효소 작용에 필요 한A 개념 응용하기 p. 131 AA - ′이므로 AA A 돌연변이체 A에는 A GA ①은 맞는 설명이다. ②의 위 밴드는 결합한 경우에만 자기 방사선 사진 A의 서열은 ′ - A G G GG 으로 나타나기 때문에 GA G 번 뉴클레오타이드의 결실이 일어났으므로 개의 는 9번 뉴클 로 바뀌어서 역시 개의 아미노산을 가진 폴리펩 타이드가 생성된다. 돌연변이체 는 1 번 뉴클레오타이드의 G가 A로 바뀌면 번째 코돈이 AA로 되어 종결이 일어나므로 개의 아미노산 을 가진 폴리펩타이드가 생성된다. 돌연변이체 의 A 이다. 따라서 틀린 설명이다. ③에서 헬리케이스를 처리하면 결합한 AG – ′와 같다. 아미노산을 가진 폴리펩타이드가 생성되고, 돌연변이체 레오타이드의 G가 A 가닥을 분리시킬 수 있다. AG 5. ③ [해설] 주형 가닥이 ′ - A A A A 에너지를 공급한 것으로 가정하였으므로 헬리케이스 처리와 열처리는 동일하게 결합한 두 A가 분리되므로 자기 방사 선 사진상으로는 아래 밴드 하나만 나타나게 된다. ④의 경우 열처리와 헬리케이스를 동시에 처리하여도 A 분리가 일 어나므로 (나)의 A처럼 나타나게 된다. ⑤의 경우 열처리된 헬리케이스는 A를 분리시키지 못하므로 (나)의 와 같은 결과를 얻게 된다. 는 번 다음에 GG 가 삽입되었으므로 8개의 아미노산을 가진 폴리펩타이드가 생성된다. 돌연변이체 는 18번 뉴클레오타이드의 가 A로 바뀌면 류신을 지정 1. 후성 유전적 변화는 하므로 역시 개의 아미노산을 가진 폴리펩타이드가 생성된다. 6. ③ [해설] 전사는 에서 A 방향으로 일어난다. 따라서 A에 가까울수 록 부위는 ′ 말단이며, 의 종류로 단백질을 구성하는 여 종의 아미노산에 비해 훨씬 적다. 1개의 염기가 1종류의 아미노산을 결 정한다면 종류의 아미노산밖에 결정할 수 없다. 개의 염기가 조합을 이루어 1개의 아미노산을 결정한다 하여도 A의 구조를 변화시켜 전사가 일어나지 못하게 하는 것이므로 전사 단계에서 일어나는 조절에 해당한다. 이이다. 하지만 후성 유전적 변화는 유전자의 염기 서열을 변화시키는 것이 아니라 염기 서열을 그대로 둔 채 유전자의 구조를 변화시켜 전사 에서 합성된 폴리펩타이드의 길이는 보다 짧다. A에 있는 염기는 A, G, , p. 135 2. 일반적인 돌연변이는 유전자의 염기 서열을 변화시켜 발생하는 돌연변 A의 길이가 길어지게 된다. A의 ′ 말단에서부터 번역이 시작되므로 7. 과학 글쓰기 인 1 종의 아미노산밖에 기구가 유전자의 조절 부위에 결합할 수 없도록 하여 전사가 일어나지 못 하게 하는 조절 방식이다. 3. (예시) 모든 병의 근원은 먹는 것에서 비롯된다는 말이 있다. 이 말은 음 식을 포함한 우리 주위의 생활 환경이 건강에 매우 중요하다는 말이다. 종의 조합이 가 우리 주변의 환경 특히 먹는 음식이나 주변의 공해 물질은 우리 몸속의 능하므로 모든 아미노산을 결정하기에 충분하다. 하지만 개의 염기가 유전자를 후성 유전적으로 변화시켜 그 유전자의 발현에 영향을 미칠 한 조가 된다면 개의 조합이 되어 아미노산의 수에 비해서 지 수 있다. 이 영향이란 심한 경우 암과 같은 질병에 이르게 할 수 있다. 나치게 정보가 많아진다. 따라서 개의 염기가 한 조가 되어 1개의 아 더구나 이러한 후성 유전적 변화는 유전이 가능하므로 대를 이어 후대 미노산을 결정한다고 생각하였다. 의 자손에게 영향을 미칠 수도 있다. 결정하지 못한다. 개의 염기가 한 조가 된다면 224 부록 인 인 3. 영양 방식이나 분자 생물학적 증거에 따르면, 진핵생물역에서 균계는 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 식물계보다는 동물계와 유연관계가 가깝다. 즉, 동물계와 균계의 공통 조상이 식물계와 갈라진 후에 동물계와 균계가 다시 갈라진 것이다. 1. 생명의 기원 친구와 묻고 답하기 p. 141 1. 화학적 진화란 생명체가 없던 원시 지구에서 간단한 무기물 분자로부 터 저분자 유기물이 합성되고, 저분자 유기물이 고분자 유기물, 유기 물 복합체, 원시 세포 단계를 거처 생명체가 탄생하기까지의 과정을 말한다. 2. 원시 세포에서 막 구조는 외부와 경계를 이루어 내부 환경을 독립적이 고 안정적으로 만들어 주고, 물질 분자들이 확산되지 않고 높은 농도 를 유지하도록 하여 물질 대사가 활발하게 일어날 수 있게 하며, 물질 출입을 적절하게 조절하는 중요한 역할을 한다. 3. 현존하는 세포에서 세포막은 외부와 경계를 이루어 세포를 독립된 단 위로 만들어 주고 내부 환경을 안정적으로 하며, 세포의 형태 유지, 물 질 출입의 조절, 세포 내외로의 신호의 전달, 물질 대사의 장소 등으로 서 다양한 기능을 수행한다. 4. 식물과 동물의 분류 친구와 묻고 답하기 p. 161 1. 계통수를 작성하는 방법을 간단히 요약하면 다음과 같다. ① 맨 아래쪽에 공통 조상의 큰 줄기를 그린다. → ② 큰 줄기 위에 두 개의 가지를 그리고, 한 개의 가지에는 가장 많은 종이 공통으로 가진 형질과 해당 종명을 쓰고 다른 하나에는 나머지 형질과 해당 종명을 쓴다. → ③ ②에서와 같은 방법으로 계속해서 가지를 나누고 각 가지 에 형질과 해당 종을 써 나간다. → ④ 모든 가지가 다 나누어지면 각 가지의 끝에 해당 종명을 쓴다. 2. 식물의 주요 분류 기준에는 관다발의 유무, 잎의 유무, 줄기의 유무, 뿌 리의 구별 정도, 종자의 유무, 씨방의 유무 등이 있다. 식물은 몸이 세 포벽이 있는 세포로 되어 있는 다세포 생물이고, 엽록소 와 를 가지 고 광합성을 하는 독립 영양 생물이며, 육상 환경에 적응하여 잎, 줄기, 2. 생명체의 진화 뿌리가 분화되고 관다발이 발달하였다. p. 145 3. 동물의 주요 분류 기준에는 조직의 발달 정도와 배엽의 수, 몸의 대칭 1. 막 진화설은 세포막이 안으로 함입되어 겹쳐지면서 소포체, 골지체와 성, 입과 항문의 분화 방법, 탈피 여부, 체절의 유무, 척삭의 유무 등이 같은 단일막으로 된 세포 소기관들이 생겨나고, 함입된 막의 일부가 있다. 동물은 몸이 세포벽이 없는 세포로 되어 있는 다세포 생물이고, 유전 물질을 둘러싸서 핵막을 형성하였다고 설명한다. 대부분 조직과 기관이 잘 발달되어 있으며, 근육이 발달하여 능동적으 친구와 묻고 답하기 2. 세포내 공생설은 단독 생활을 하던 광합성 세균과 산소 호흡 세균이 로 먹이를 섭취하는 종속 영양 생물이다. 큰 원핵세포 내로 들어가 숙주 세포와 공생하다가 각각 세포 소기관인 엽록체와 미토콘드리아로 전환되었다고 설명한다. 3. 다세포 생물은 단세포 생물들이 군체를 형성하여 살아가다가 단세포 생물 개체들 사이에 서로 기능이 분업화되고, 궁극적으로 하나의 생물 5. 진화의 원리 친구와 묻고 답하기 개체로 통합되어 다세포 생물로 진화하였다. p. 168 1. 자연 선택설에서 설명하고 있는 진화의 원리는 다음과 같다. ① 생물이 환경에 적응하는 과정에서 개체군 내에는 다양한 유전적 변 3. 생물의 분류 체계 이가 생긴다. → ② 생물은 종족의 유지를 위해 제한된 환경에 비해 많 친구와 묻고 답하기 p. 152 은 자손을 낳는 경향이 있고, 개체군의 개체들 사이에는 필연적으로 1. 계 분류 체계는 생물을 원핵생물계, 원생생물계, 균계, 식물계, 동물 생존 경쟁이 일어난다. → ③ 다양한 변이를 가진 개체들 중에서 주어 계로 분류하지만 역 계 분류 체계는 생물을 계보다 더 큰 분류군인 진 환경 조건에서 생존과 번식에 유리한 특성을 가진 개체들이 더 많 역(세균역, 고세균역, 진핵생물역)으로 분류하고 세균역은 1개의 진 이 살아남아 자손을 남긴다. → ④ 다음 세대는 이전 세대와 다른 유전 정세균계, 고세균역은 1개의 고세균계, 진핵생물역은 원생생물계, 식 적 특성을 갖게 되며, 이러한 과정이 누적되어 원래의 집단과 다른 새 물계, 균계, 동물계의 개의 계로 분류한다. 계 분류 체계의 원핵생물 계는 계 분류 체계에서는 진정세균계와 고세균계로 분리되었다. 2. 고세균역과 진핵생물역은 세포벽에 펩티도글리칸이 없고, A가 히 스톤 단백질과 결합되어 있는 점에서 유사하다. 그러나 고세균이 진정 세균처럼 핵 및 막성 세포 소기관이 없고 원형의 진다는 점에서 진핵생물과 차이가 있다. A (염색체)를 가 로운 생물 개체군이 만들어진다. 2. 하디 - 바인베르크 법칙은 진화하지 않는 개체군에 적용되는 법칙으로 ‘이상적인 조건을 갖춘 멘델 진단에서는 대를 거듭하여도 유전자풀이 변하지 않고 유전적 평형이 유지된다.’고 설명한다. 3. 유전자풀은 자연 선택, 돌연변이, 유전적 부동(병목 효과, 창시자 효 과), 유전자 흐름 등에 의해 변한다. 정답 및 해설 225 6. 종의 분화 핵산, 다당류 등이, 친구와 묻고 답하기 p. 173 1. 두 개체군이 오랜 시간 동안 서로 지리적으로 격리되어 있다 보면 다 른 환경에서 두 집단에 서로 다른 변이가 누적되고 결국 두 집단 사이 에 생식적 격리가 발생하여 서로 다른 두 종으로 분화가 일어난다. 2. 고리종의 사례에는 유라시아 대륙의 버들솔새, 북아메리카 대륙 서부 의 엔사티나 도롱뇽이 잘 알려져 있다. 에는 유기물 복합체인 코아세르베이트, 마이크로 스피어, 리포솜 등이 해당된다. 4. ① [해설] 다세포 생물은 단세포 생물의 군체 형성 과정을 통해 출현하 였다. A는 단세포 원생생물로 진핵세포이다. 즉, A는 단세포 원생생물, 는 분화되지 않은 단세포 생물의 군체, 는 기능이 분화된 단세포 생 물의 군체, 는 다세포 생물로부터 방출된 생식세포, 을 구성하는 체세포를 나타낸다. 5. ④ [해설] A는 우산이끼에는 없고 나머지 식물이 가진 특징으로 ‘관다 발 있음’이 해당되고, 으로 ‘씨방 있음’이 해당된다. 용어 찾기 p. 174 고 세 균 유 전 자 풀 계 자 포 동 물 구 아시아 대륙에서 건너간 소수의 이주 집단인 인디언의 조상이 자 동 형대 립유전자가 거의 없고 대부분 대립유전자 A와 O로 이루어져 있는 A 식 형과 O형이었기 때문이다. 이는 유전적 부동 중 창시자 효과에 해당 물 물 된다. 솜 리 p. 176 6. ⑤ [해설] 북아메리카 인디언의 혈액형이 대부분 O형과 A형인 것은 종 수 적 포 격 과학적 핵심 역량 기르기 통 후 리 는 고사리에는 없고 소나무와 장미가 가진 특징 으로 ‘종자 있음’이 해당되며, 는 소나무에는 없고 장미에는 있는 특징 대단원 마무리 지 는 다세포 생물 7. ③ [해설] ㄱ. A는 원핵생물로서 핵막에 싸인 핵이 없고 소포체도 가지 종 분 화 고 있지 않다. ㄴ. 개념 확인하기 p. 175 1. ⑴ 코아세르베이트 ⑵ 세포내 공생설 ⑶ 선구동물 ⑷ 중복 수정 ⑸ 유전 자풀 ⑹ 생식적 격리 ⑺ 고리종 [해설] ⑵ 세포내 공생설에 의하면 미토콘드리아와 엽록체는 원래 독자 적인 원핵생물이었는데 숙주 세포 내에 들어가 공생하다가 세포 소기관 으로 전환되었다. ⑶ 배 발생 과정에서 원구가 입이 되고 항문이 반대쪽 에 생기는 동물을 선구동물, 원구가 항문이 되고 입이 반대쪽에 생기는 동물을 후구동물이라고 한다. ⑹ 종이 분화되려면 두 집단 사이에 생식 적 격리가 발생하여야 한다. ⑺ 고리종은 한 종을 구성하는 여러 아종들 이 고리형 분포를 이루는 것으로, 인접한 아종 사이에는 교배가 일어나 는 세포내 공생에 의해 종속 영양 진핵세포의 세포 소기관이 된 것으로 산소 호흡 세균이고, 는 일부 진핵생물 내로 들어 가 광합성 진핵생물의 엽록체가 된 광합성 세균이다. ㄷ. 는 세포내 공 생에 의해 종속 영양 진핵세포의 세포 소기관이 된 것으로 미토콘드리 아이다. 8. ⑤ [해설] ㄱ. 계통수에서 모든 생물이 공통으로 가진 특징을 맨 아래쪽 공통 조상의 가지에 표시하므로 다. 특징 징 는 종의 생물이 모두 가지는 특징이 가 특징 보다 나중에 분지된 가지에 표시되어 있으므로 특 보다 특징 가 먼저 출현한 것이다. (다)와 (마)는 특징 분지되었고, (다)와 (라)는 특징 에 의해 에 의해 이보다 나중에 분지되었으므 로 (다)는 (마)보다 (라)와 유연관계가 가깝다. 지만 양 끝의 아종 사이에는 교배가 일어나지 않는다. 2. A : 세포벽, : 독립 영양, : 큐티클층, : 뿌리, :물 [해설] 식물은 육상에 적응하여 진화한 생물로서 광합성을 하는 다세포 과학 글쓰기 생물이다. 셀룰로스로 된 세포벽과 넓은 잎 구조가 발달하였고 건조한 1. (예시) 인공 세균을 탄생시킨 기술은 염기 서열이 밝혀진 마이코플라스 환경에 적응하여 잎의 큐티클층과 기공, 길고 단단한 줄기, 바람이나 동 마 마이코이데스 세균의 유전체를 인공적으로 합성한 후 이것을 핵이 물의 도움을 받는 수정 방법 등이 발달하였다. 제거된 다른 세균에 넣어 새로운 형질을 가진 세균을 만든 것이다. 이 p. 177 기술에 쓰인 인공 생명체의 유전체는 기존 세균에 의해 유전 정보가 이 개념 응용하기 p. 175 미 완성되어 있고 이 유전 정보의 발현에 필요한 세포 구조 및 생명의 3. ③ [해설] 화학적 진화의 과정은 ‘원시 지구의 대기 성분인 무기물 → 주요 물질들도 기존 세균에서 이미 합성되어 있었던 것을 조합한 것에 저분자 유기물 → 고분자 유기물 → 유기물 복합체 → 원시 세포 → 최 불과하다. 반면 원시 지구에서의 생명체 탄생은 유전 물질의 생성은 물 초의 생명체’로 설명할 수 있다. 즉, A에는 저분자 유기물인 단당류, 아 론 세포 구조 및 생명의 주요 물질들이 오랜 화학 진화 과정을 통해 비 미노산, 유기산 등이, 생물적으로 형성되는 과정을 거쳤다는 것이다. 226 부록 에는 고분자 유기물인 단백질, 뉴클레오타이드, 2. (예시) 앞으로 이 기술은 원하는 유전 정보를 가진 유전체를 합성하여 2. 돌리는 도셋 암양의 젖샘 세포의 핵을 난자 기증체(스코트랜드 검은 유익한 세균을 대량 생산함으로써 질병 치료, 오염 물질 제거를 통한 환 암양)에서 얻은 무핵의 난자에 융합하여 대리모에 착상시키는 과정 경 문제 해결, 유용한 물질의 대량 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있 을 것이다. 그러나 예상하지 못한 독성 물질을 만들거나 새로운 질병을 일으키는 세균의 탄생 등의 문제점이 나타날 수 있다. 을 통해 탄생하였다. 3. 동물 세포의 세포 융합과는 달리 식물 세포의 세포 융합에서는 식물 세포의 세포벽을 제거하는 과정이 필요하다. 3. (예시) 인공 세균의 합성이 새로운 생명체의 탄생을 의미한다면 국가와 사회는 새로운 생명체가 생태계나 인류에 미칠 영향을 철저히 분석하 고, 생명체 창조에 대해 적절한 법적, 기술적 통제 기준을 마련하여 이 기술이 안전하고 효율적으로 이용될 수 있는 기반을 마련해야 한다. 또 3. 생명 공학 기술을 이용한 난치병 치료 한 이 문제에 대해 올바른 가치관을 정립하고 윤리적 기준을 마련하는 친구와 묻고 답하기 등의 대책을 세워야 한다. p. 197 1. 림프구는 수명이 짧기 때문에 무한히 분열하는 암세포와 융합하여 무 한히 증식할 수 있는 잡종 세포를 만들어 배양하여 단일 클론 항체를 만들기 위해서이다. 2. 정상 유전자에서 발생한 돌연변이, 혹은 질병 유전자의 발현으로 인한 질병을 치료하는 데 필요하다. 3. 배아 줄기세포는 모든 장기로 분화할 수 있는 세포이지만, 생명체로 발생 가능하기 때문에 윤리적인 문제가 생길 수 있고, 타인의 배아 줄 기세포는 환자의 유전 형질과 완전히 같지 않기 때문에 면역 거부 반 응이 따를 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 환자의 성체 줄기 세포를 얻어 치료하거나 체세포의 핵을 역분화시켜 얻은 줄기세포를 이용하기도 한다. Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 1. 4. 유전자 변형 생명체 LMO 의 영향 친구와 묻고 답하기 재조합 기술의 활용 친구와 묻고 답하기 1. 제한 효소는 p. 186 A상의 특정 염기 서열을 자르고, A 연결 효소는 뉴클레오타이드와 이웃한 뉴클레오타이드를 연결시킨다. 2. 일반적으로 랜 시간이 걸리는 품종 개량 등의 한계성 등으로 생산하기 어려운 새 로운 산물을 짧은 시간에 대량 생산하기 위해서 도입되었다. 2. 사람에게 유용한 식량, 약품 등 자연 상태에서 얻기 어려운 새로운 산 A 운반체는 대장균 내에 삽입되었을 때에 사람이 육 안으로 확인할 수 있는 단백질(G p. 201 1. LMO는 살아있는 생물을 말하며, 자연 상태, 전통적인 재배 방법, 오 )을 생산하는 유전자나 항생제 내 물을 얻을 수 있지만, 안전성이 확보되지 못하면 사람과 동식물이 치명 적인 질병에 걸리거나 생태계가 파괴되는 등의 피해를 입을 수 있다. 성 유전자를 지니고 있기 때문에 이것을 통해 삽입 여부를 판단할 수 있다. 3. 의학, 농업, 원예, 축산, 환경 분야 등의 분야에서 활용되고 있으며, 의 약품, 병충해 내성 작물, 파란 장미, 약용 물질을 생산하는 형질 전환 동물, 오염 물질 분해 세균 등의 다양한 사례가 있다. 5. 생명 공학의 전망과 과제 친구와 묻고 답하기 p. 204 1. 생명 공학 기술은 의학, 식량, 농업, 환경 등의 분야에서 인류의 복지 향상에 크게 기여했으나, 한편으로는 생태계의 교란, 유전자 변형 생 2. 핵치환, 세포 융합, 조직 배양 물의 안전성 문제, 생명 경시 풍조 등의 문제가 발생하였다. p. 192 2. 생명 공학 기술의 안전성, 생명 공학 기술의 법적, 윤리적 한계를 명확 1. 완전히 분화된 체세포의 핵 속에도 개체를 형성할 수 있는 유전 정보 히 하고 사회 구성원 모두 관심을 갖고 이러한 문제를 해결하기 위해 친구와 묻고 답하기 가 완전하게 들어 있는지 확인하기 위한 것이다. 노력해야 한다. 정답 및 해설 227 대단원 마무리 과학적 핵심 역량 기르기 용어 찾기 p. 206 p. 208 9. ⑴ ③ [해설] (나)에서 모든 대장균 군체가 살아있는 경우는 앰피실린 이 배지에 있는 경우이므로, (가)에서 항생제 내성 유전자 중 정상 작동 단 일 클 론 항 체 복 유 전 자 치 료 제 을 하는 유전자 A가 앰피실린 내성 유전자이다. 가장 적은 군체가 있는 전 인 (나)의 세 번째 배지는 대장균 Ⅳ이며, 세 번째 배지에서는 죽고 두 번째 자 간 캘 배지에서 생존한 ㉠은 테트라사이클린 배지에서 생존하였으므로, 테트 재 조 합 A 러 라사이클린 내성 유전자는 정상, 카나마이신 유전자가 파괴된 경우이기 작 세 포 융 합 스 때문에 유전자 가 카나마이신 내성 유전자가 되고 유전자 는 테트라 생 유 전 자 가 위 사이클린 내성 유전자가 된다. ㉠은 유전자 물 제 한 효 소 에 삽입된 유전자 의단 백질을 만든다. ⑵ (나)의 두 번째, 세 번 째 배지에서 모두 형성되지 못한 군체를 첫 번 째 배지에서 고르면 된다. 개념 확인하기 p. 207 1. (가), (라), (다), (마), (나) [해설] 유용한 유전자와 A를 같은 제한 효소로 절단한 후 연결 효소로 연결한다. 재조합된 합된 A A를 대장균에 넣고 올바로 재조 A를 선별하여 대량 증식한다. 과학 글쓰기 p. 209 1. (예시) 황금쌀은 비타민A 결핍증을 앓고 있는 아프리카와 동남아시아 의 많은 사람들이 앓고 있는 눈병이나 식량 문제를 해결할 수 있는 최선 2. 림프구는 수명이 짧기 때문에 무한 분열하는 암세포와 림프구와 융합하 여 무한히 증식할 수 있는 잡종 세포를 만들어 배양한 후 단일 클론 항 체를 만들기 위해서이다. 의 방법이며, 이미 권위 있는 기관에서 검증을 마친 것으로 이들의 생산 을 반대하는 운동을 멈춰야 한다. 2. (예시) 황금쌀이 너무 과장되어 선전되고 있으며, 황금쌀 때문에 더 많 3. 성체 줄기세포, 역분화 줄기세포 은 유전자 변형 작물 생산이 합리화되고 있다. 오히려 유전자 변형 작물 [해설] 배아 줄기세포는 사람으로 발생 중인 배아 세포에서 채취하였으 생산의 합리화에 사용되는 비용을 자연 상태의 농업 기술 발전에 투자 므로 윤리적인 문제가 발생한다. 따라서, 성체 줄기세포, 역분화 줄기세 해야 한다. 포를 사용한다. 3. (예시) 1, 2의 입장을 참고하여 생물학적, 경제적, 인도적 측면을 고려하 4. LMO, GMO, LMO, LMO 여 수립한다. 생물학적 측면에서는 황금쌀 등과 같은 유전자 변형 작물 을 개발하는 것에만 연구 및 투자를 할 것이 아니라 이러한 유전자 변 개념 응용하기 p. 207 5. ④ [해설] ㄷ. 재조합 A는 대부분 숙주 안에 들어가지 않기 때문에 증식 전 삽입된 대장균만을 선별하는 작업이 필요하다. 6. ② [해설] ㄱ: 림프구는 암세포와 융합되기 전 노출되었던 항원에 대 한 항체를 생산한다. ㄷ: 선택 배지를 통한 선별 과정 후에는 한 종류의 항체를 생산하는 여러 종류의 잡종 세포가 남는다. 7. ③ [해설] ㄱ: 양 의 핵이 제거된 상태이므로 융합된 세포는 A, 의 유전 형질을 모두 갖지 못한다. ㄴ: 양 는 유전적으로는 양 A, 와 아 무 관련이 없으며, 복제 양의 미토콘드리아 A는 난자를 제공한 양 의 것과 같다. 8. ① (가), (나), (다) ② (나), (다), (라) ③ (다), (라) [해설] 환자로부터 채취한 핵을 사용하는 경우가 환자의 유전 형질과 동 일하여 거부 반응이 없으며, 수정, 체세포 복제, 역분화에 의한 줄기세포 는 모든 기관으로 분화 가능한 줄기세포이다. 또한, 배아 줄기세포, 체세 포 복제에 의한 줄기세포는 생명의 정의와 난자 채취 문제로 윤리적 문 제가 발생한다. 228 부록 형 작물이 인체에 미치는 안전성을 검증하고 확보하기 위한 추가 연구 를 병행하고 결과를 투명하게 공개한다. 또한 유전자 변형 작물을 재배 할 때 자연 상태의 다른 작물과 완전히 격리시켜 재배하는 공간을 만든 다. 경제학적 측면에서는 황금쌀 등 유전자 변형 작물의 종자를 현지 지 역의 경제 사정에 맞추어 저렴하게 제공하고, 관련 기술을 점차 이전시 키도록 한다. 3 찾아보기 ㄱ 단일 클론 항체 194 번역 조절 130 담륜자 (트로코포라) 157 번역 후 조절 130 동물계 157 변이 162 겉씨식물 155 계통수 153 A 연결 효소 108, 181 병목 효과 168 고리종 172 A 중합 효소 107, 108 보조 인자 54 고세균역 150 A 운반체 181 복제 분기점 107 고장액 48 A 재조합 기술 181 부패 74 골지체 40 분류 체계 146 관다발 식물 154 분화 125 광계 84 비관다발 식물 155 광인산화 88 비순환적 광인산화 87 광합성 색소 85 구조 유전자 121 군체 145 리보솜 균계 150 리보솜 그라나 42, 83 리보자임 141 글리세롤 33, 72 리소좀 41 기관 30 리포솜 51, 139 사람 유전체 사업 19 기관계 29 산소 호흡 74 기질 수준 인산화 67 산화적 인산화 65 기질 특이성 53 3역 6계 분류 체계 150 3 염기설 113 3염기 조합 114 ㄹ 39, 117 A( A) 39, 116 ㅁ ㄴ ㅅ 삼투 47 마이오디 유전자 126 상보적 결합 101 마이크로스피어 139 생명 공학 183, 202 막 진화설 143 생명 윤리 203 남세균 142 명반응 82 생물 속생설 16 낭배 156 무산소 호흡 74 생식적 격리 147 내배엽 156 미토콘드리아 42, 66 생장 125 뉴클레오타이드 34 샤가프의 법칙 100 능동 수송 49 선구동물 156 선도 가닥 108 선태식물 155 선형동물 157 ㅂ ㄷ 다당류 다세포 생물 32 섬모 44 반보존적 복제 111 성체 줄기세포 196 반응 중심 색소 84 세균 35 발효 74 세균역 150 29, 145 방사 대칭 동물 157 세포내 공생설 143 단당류 31 배아 줄기세포 196 세포내 섭취 50 단백질 32 번역 111, 117 세포외 배출 50 찾아보기 229 세포 융합 189 원생생물계 150 젖당 유도체 121 세포 호흡 65 원시 생명체 139 젖당 분해 효소 121 세포골격 43 원시 세포 139 젖당 오페론 121 세포막 43 원핵생물계 150 젖산균 77 세포벽 37, 44 원핵세포 36 젖산 발효 77 세포설 15 유도 인자 127 제한 효소 182 세포주 191 유전부호 113 조직 29 셀룰레이스 190 유전 정보의 중심 원리 111 종결 118 소포체 40 유전자풀 165 종속 영양 생물 156 속씨식물 155 유전자 흐름 168 종분화 170 순환적 광인산화 87 유전자설 16 종자식물 155 스트로마 42, 83 유전자 재조합 18 주효소 54 식물계 150 유전자 치료 195 줄기세포 195 신장 115 유전적 부동 168 중배엽 156 쌍떡잎식물 155 유전적 평형 165 중심립 43 유전체 101 중심체 43 이당류 31 지리적 격리 172 이중 나선 100 지연 가닥 108 1유전자 1폴리펩타이드설 112 지질 33 1유전자 1효소설 112 GMO 199 인트론 102 진정세균계 150 ㅇ 안테나 색소 84 진핵생물역 150 안티코돈 117 진핵세포 36 A 중합 효소 122 A 프라이머 107 알코올 발효 78 암반응 82 액포 37, 41 ㅈ 자연 발생설 14 A 합성 효소 70 자연 선택 162 A 합성 효소 저해제 ㅊ 73 자포동물 157 척삭동물 157 A 66 작동 부위 121 척추동물 159 엑손 103 저해제 56 촉매 52 100 전개율 86 촉수담륜동물 157 선 회절 사진 199 전령 116 전사 역분화 줄기세포 196 전사 인자 123 연체동물 157 전사 조절 123 엽록체 42, 83 전사 후 조절 124 오페론 102, 121 전자 전달계 65 외떡잎식물 155 전자 현미경 45 캘러스 191 외배엽 156 전효소 54 캘빈 회로 82 117 절지동물 157 코돈 114 LMO A 가공 운반 A( 230 부록 A) A( A) 116 111, 115 ㅋ 코돈표 114 코아세르베이트 139 크리스타 42 ㅌ ㅍ 해당 과정 67 해면동물 157 펩타이드 결합 32 핵산 34 펩티도글리칸 35 핵치환 188 편모 44 헬리케이스 107 편형동물 157 형태 형성 127 포배 156 호흡 기질 72 폴리펩타이드 32 혹스 유전자 128 표피 조직 30 화학 삼투 69 탄소 고정 반응 82 플라스미드 102 화학적 진화 137 탄수화물 31 프로모터 115 확산 47 탈아미노 반응 72 피루브산의 산화 65 환원 대기설 138 탈피동물 157 환형동물 157 통도 조직 30 활성 부위 53 A 회로 68 활성화 에너지 52 틸라코이드 83 효모 78 효소 52 후구동물 156 ㅎ 하디 - 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Carland Science., 김치: 문 화체육관광부 산하 korea.net. 사진 및 자료 출처 233 80쪽 솔라 트리: www.art7.co.kr, 헬몬트: http://www.soilove.com, 잉 138쪽 심해 열수구: 게티 엔하우스: https://ko.wikipedia.org, 엥겔만: https://en.wikipedia. 139쪽 코아세르베이트: http://kimwootae.com.ne.kr/apbiology/p11, 마 org, 프리스틀리: http://www.etnews.com, 소쉬르: http://www. 이크로스피어, 리포솜: 생명 과학 8판. Neil A. Campbell 외, 전상학 hani.co.kr, 루벤: http://www.lib.berkeley.edu 95쪽 햇빛: 셔터스톡 역, 바이오사이언스, 513쪽, 2008 142쪽 녹색 짚신벌레: University of Exeter, 스트로마톨라이트: 게티 143쪽 진핵 생물 화석: 게티 144쪽 볼복스: 셔터스톡 146쪽 옐로스톤 온천: 셔터스톡, 말: 셔터스톡, 노새: 셔터스톡, 당나귀: 셔 터스톡 Ⅳ. 유전자의 발현과 조절 96~97쪽 도입: 게티 98쪽 생각열기: 게티 99쪽 아메바: 셔터스톡, 그리피스: 위키피디아, 에이버리: 위키피디아, 허 시와 체이스: 위키피디아 100쪽 왓슨과 크릭: https://fineartamerica.com, DNA 회절 사진: Courte sy of Cold Spring Harbor Laboratory Press 102쪽 선충: 셔터스톡, 바나나: 셔터스톡, 고양이: 셔터스톡, 초파리: http:// www.pukumseh.com, 닭: rigvedawiki.net, 생쥐: http://tresdes. es/, 침팬지: http://earthsky.org 105쪽 희수나뭇과: 셔터스톡 107쪽 아메바: 셔터스톡, 진핵세포의 복제 원점: Molecular Cell Biology. Murry & Szostak, 1983 111쪽 알광대버섯: 셔터스톡 112쪽 개로드, 비들과 테이텀: nobel.or.kr 114쪽 니런버그와 마테이: https://ko.wikipedia.org 121쪽 모기: 셔터스톡 125쪽 고추잠자리: 게티 128쪽 안테나 자리에 다리가 달린 초파리: Patterns In Palaeontology, Wolfe. Jo. 2013, 혹스 유전자의 돌연변이로 생긴 2쌍의 날개를 가 진 초파리: Developmental Biology, Volumn 293, Edward B. Lewis 147쪽 호랑이: 셔터스톡 151쪽 대장균: 게티, 극호염균: 옐로스톤 국립공원, 아메바: 셔터스톡, 감나 무: 셔터스톡, 늑대: 셔터스톡, 광대버섯: 셔터스톡 152쪽 분류 체계 혁명: 동아사이언스. 2013. 4. 25., 강석기 과학칼럼 내 용 일부 발췌, 메테인 생성균: Biology Fourth Edition, Cecie starr, Brooks/Cole, 314쪽, 2000, 창녕 우포늪: Shineyourlight, 극호염 균: Ralph Robinson 153쪽 양: 셔터스톡 155쪽 우산이끼: 셔터스톡, 솔이끼: 셔터스톡, 석송: 셔터스톡, 고사리: 셔 터스톡, 은행나무: 셔터스톡, 복숭아나무: 셔터스톡 158쪽 히드라: 셔터스톡, 해파리: 셔터스톡, 목욕해면: 셔터스톡, 화산해면: 셔터스톡, 플라나리아: 물속생물도감, 선충: 셔터스톡, 회충: 셔터스 톡, 가재: 셔터스톡, 파리: 셔터스톡 159쪽 대합: 셔터스톡, 달팽이: 셔터스톡, 오징어: 셔터스톡, 지렁이: 셔터스 톡, 거머리: 셔터스톡, 불가사리: 셔터스톡, 성게: 셔터스톡, 호랑이: 셔터스톡, 멍게: 셔터스톡 160쪽 식물 A: 일요 신문, 식물 B: http://animal.memozee.com, 식물 C: 한 국관광공사, 식물 D: 국가생물종지식정보시스템, 식물 E: 문화재청, 식물 채집 도구: koc.chunjae.co.kr 161쪽 동물 A: 셔터스톡, 동물 B: https://www.v3wall.com, 동물 C: http:// www.indica.or.kr, 동물 D: 셔터스톡, 동물 E: 셔터스톡, 동물 채집 도구: http://newdie.noonnoppi.com 162쪽 갈라파고스 핀치: 셔터스톡 165쪽 가마우지: 고인정 외 역 생명 과학 개념과 현상의 이해 304~305쪽 169쪽 야생 겨자: 셔터스톡, 콜라비: 셔터스톡, 케일: 셔터스톡, 브로콜리: 셔터스톡, 양배추: 셔터스톡, 진돗개: 셔터스톡, 삽살개: 셔터스톡, 그레이하운드: 셔터스톡, 불독: 셔터스톡, 시베리안허스키: 셔터스 톡, 콜리플라워: 셔터스톡, 브뤼셀: 셔터스톡 Ⅴ. 생물의 진화와 다양성 134~135 도입: 셔터스톡 136쪽 생각열기: 셔터스톡 137쪽 활화산 분화구: 셔터스톡 234 부록 170쪽 돼지 물고기: 최준호 외 역 브루커 생명 과학 557쪽 그림 25-7 놀래기: 종분화 홍영남 외 역 럿셀 생명 과학 447쪽 그림 21-10 171쪽 그랜드캐니언 협곡: 셔터스톡, 해리스영양다람쥐: 셔터스톡, 흰꼬리 영양다람쥐: 셔터스톡 172쪽 버들솔새: 셔터스톡 173쪽 고리종 도롱뇽: 도킨스, 조상 이야기, 336쪽 191쪽 조직 배양된 암세포의 형광: HeLa - Wikipedia 177쪽 과학 글쓰기 인공 생명체 탄생: 과학 동아, 2010. 7월 295호. 발췌, 192쪽 스너피(개의 복제): 셔터스톡, 임신 진단 키트: 셔터스톡, 인공 피부: 사이언스. 2010. 05. 24. 발췌 National Geographic 2007 193쪽 필름: 셔터스톡, 복제 인간: 워너브라더스픽처스, 실험실: 워너브라 더스픽처스 194쪽 시험관과 핀셋: 셔터스톡, 항체 분자 모형: https://pt.dreamstime. com 196쪽 배경: 셔터스톡 197쪽 항체: 셔터스톡, 유전자 치료: 셔터스톡, 줄기세포 치료: www.ask drray.com 198쪽 유전자 가위: http://www.hellodd.com (헬로디디 2016. 04. 08) Ⅵ. 생명 공학 기술과 인간 생활 199쪽 유전자 조작 토마토: Photograph courtesy A. J. Crnner LMO와 GMO의 비교: http://isaaa-korea.or.kr 178~179쪽 도입: iQ ENGINEERING GROUP 식용류(카놀라유): 셔터스톡, 옥수수 전분: 셔터스톡, 옥수수: 셔터스 180쪽 생각열기: https://regentsgenetictechnology.wikispaces.com 톡, 유채: 셔터스톡, 콩: 셔터스톡, 가축 사료: 셔터스톡 181쪽 파란 장미: 셔터스톡 187쪽 캐리 멀러스: http://www.patent-rank.com, 고속도로 불빛: http:// www.yeongnam.com 188쪽 핵치환: http://www.riken.jp 복제양 돌리의 탄생 과정: https://madscientist.files.wordpress. com 189쪽 개구리 복제: http://dl.dongascience.com 세포 융합의 사례: http://study.zumst.com 200쪽 LMO가 우리 생활에 미치는 영향 조사 하기 토론 자료: http:// scienceon.hani.co.kr. 장호민. GMO(LMO) All 바르게 이해하기(강 좌 파일) 2009.11 203쪽 실험용 동물의 사용과 제한: 게티, 복제 기술의 활용: 게티, 줄기세포 를 이용한 난치병 치료: 게티, 사람 유전체 사업: 게티 205쪽 생명 공학자: 게티 209쪽 노벨상 수상자 편지: http://supportprecisionagriculture.org, 황금 쌀: 게티 “집필진의 직접 집필인 경우 출처를 밝히지 않았음.” “출처 표시를 안 한 사진 및 삽화 등은 저작자 및 발행사에서 저작권을 가 지고 있는 경우임.” 사진 및 자료 출처 235 검정심의회 •위원장: 남상욱(강원대학교) •간사: 임승환(한국과학창의재단) •연구위원 계명찬(한양대학교) 오정균(목포대학교) 정은주(前 국립국어원) 고영규(고려대학교) 이성재(경희대학교) 하영우(한국과학기술원) •검정위원 김윤희(경상대학교) 박대호(광주과학기술원) 이윤호(대구일과학고등학교) 정기화(공주대학교) 허해룡(공주대학교 사범대학부설고등학교) 김경환(충북대학교) 이창로(명지대학교) 김호찬(충렬여자중학교) 최현주(일산대진고등학교) 송점식(세일고등학교) 천충일(숙명여자대학교) 이신춘(동지여자고등학교) 한국과학창의재단 조향숙 김기상 최임정 김대수 나준영 남소현 조혜정 교육부의 위탁을 받아 한국교육과정평가원이 검정 심사를 하였음. 고등학교 생명과학Ⅱ 2018. 3. 1. 초판 발행 / 2020. 3. 1. 3쇄 발행 정가 지은이: 권혁빈 외 5인 발행인: 서울특별시 금천구 가산디지털1로 42 (가산동) 서울사무소: 서울특별시 마포구 마포대로14길 4 (공덕동) 인쇄인: 서울특별시 금천구 가산디지털1로 42 (가산동) 이 교과서의 본문 용지는 우수 재활용 제품 인증을 받은 재활용 종이를 사용하였습니다. 교과서에 대한 문의 사항이나 의견이 있는 분은 교육부와 한국교과서연구재단이 운영하는 교과서민원바로처리센터(전화: 1566–8572, 홈페이지 주소: www.textbook114.com 또는 www.교과서114.com)에 문의하여 주시기 바랍니다. 이 도서에 게재된 저작물에 대한 보상금은 문화체육관광부장관이 정하는 기준에 따라 사단법인 한국복제전송저작권협회(02–2608–2800, www.korra.kr)에서 저작재산권자에게 지급합니다. 내용 및 구입 관련 문의: 편집부 과학팀 공 급 업 무: 사단법인 한국검인정교과서협회 개별 구입 문의: 홈페이지 주소 www.ktbook.com ISBN: 978-89-09-20517-7 전화: (02)707–5223 전송: (02)707–5250 (10881)경기도 파주시 문발로 439–1(신촌동 734-1) 전화 (031) 956–8581～4 사단법인 한국검인정교과서협회 원 집필진 소개 권혁빈 (現) 선문대학교 교수 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 서울대학교 대학원 생물교육학 석사 미국 아이오와대학교 대학원 자연대학 생명과학과 식물분자유전학 박사 Ⅳ단원 집필 김승수 (現) 관악고등학교 교사 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 Ⅴ단원 집필 김학현 (現) 반포고등학교 교사 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 서울대학교 대학원 생물교육학 석사 서울대학교 대학원 과학교육학 박사 Ⅱ단원 집필 손희도 (現) 구암고등학교 교사 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 Ⅲ단원 집필 이일규 (現) 서울과학고등학교 교사 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 Ⅰ단원 집필 정효철 (現) 신도고등학교 교사 서울대학교 사범대학 생물교육학과 졸업 서울대학교 대학원 생물교육학 석사 Ⅵ단원 집필 편 집 김철주·이미영·남현자 디 자 인 비쥬얼로그 김용호 컷·삽 화 하이테크컴·권성호·백시우·조은정 사 교학사 사진실 진 고등학교 생명과학Ⅱ

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