2009 개정 교육과정/과학과/고등학교/생명 과학Ⅱ

1. 개요

2. 목표

3. 영역별 내용

3.1. 세포와 물질 대사

3.1.1. 세포의 특성

3.1.2. 세포와 에너지

3.2. 유전자와 생명 공학

3.2.1. 유전자와 형질 발현

3.2.2. 생명 공학

3.3. 생물의 진화

3.3.1. 생명의 기원과 다양성

3.3.2. 진화의 원리

4. 교수ㆍ학습 방법

5. 평가

6. 여담

6.1. 변화

• 2009 개정 교육과정부터 기술·가정에 있던 과학 관련 내용들을 모조리 없애라는 지침이 떨어지는 바람에, 거기에 있던 내용들을 과학과로 편입하게 되었다. 그러면서 전반적인 과학 교과군에 큰 변화가 생겼는데, 공학 기술적인 요소가 투입된 것이다. 이로 인해 전체적으로 화학을 제외한 과학 교과군들이 전반적으로 그 순수성이 깨져버렸고, 생물 과목은 '생명 과학'이라는 좀 더 넓은 범주에서 다루게 되었다. 근데 생명과학Ⅱ는 하필 이 기술가정 해체 통폐합 과정에서 PCR 등 고급 생명과학에 있던 유전 내용이 투입되어 버렸다.

6.2. 학습 도움말

• 세포설: 슐라이덴, 슈반 그 외 여러 연구의 결론을 모아 세포설을 확립하였다. 세포설의 세포는 생물의 기본단위로, 기존의 세포로부터 새로운 세포가 생성된다. 또 모든 생물은 적어도 하나 이상의 세포로 구성되어 있다고 한다.
• 세포의 구조적 관찰: 이 세포를 관찰할 수 있는 현미경은 광학 현미경, 형광 현미경, 전자 현미경으로 나뉜다. 이 중 전자 현미경이 가장 해상력이 높은데 크게 투과 전자 현미경(TEM)과 주사 전자 현미경(SEM)으로 나누어 다룬다. 둘 다 최대 100만배까지 확대된 상을 얻을 수 있다. 현미경의 원리에 관해서는 물리Ⅱ 4단원에서 자세하게 학습할 수 있다. 투과 전자 현미경은 말 그대로 전자선을 투과시켜 세포 내 상세 구조를 관찰하기에 효과적이고, 주사 전자 현미경은 반사된 전자선에 의존하기 때문에 표면을 관찰하는 데 주로 이용된다.
• 세포의 기능적 관찰: 세포 배양법과 세포 분획법이 있다. 세포 배양법은 생물의 조직을 일부 떼어 배지에 배양하여 다량의 세포를 얻는 것이다. 생명 과학Ⅱ에서는 세포 분획법에 좀 더 무게를 두는데, 세포 내 구성물의 크기나 밀도 차로 분리하는 것을 말한다. 같은 삼투압의 당액 시험관 안에 세포를 넣고 저온에서 파쇄한 뒤 세포 현탁액을 원심분리기에 넣으면 (식물 기준) 핵, 엽록체, 미토콘드리아, 소포체, 리보솜 등 침전물을 얻을 수 있다. 이렇게 분리한 각 기관을 관찰하면 담당 기능을 알 수 있다. 그 외 방사선을 추적하는 자기방사법도 있다. 주로 추적하는 방사선 동위원소는 ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S 등이 있다. 왼쪽 첨자에 적힌 숫자는 질량수로 이는 화학Ⅰ 2단원에서 자세하게 다룬다.
• 세포의 크기 측정: 접안렌즈에 접안 마이크로미터를 끼우고 재물대 위에 대물 마이크로미터를 놓는다. 이후 현미경의 배율을 고정시키고 접안 마이크로미터와 대물 마이크로미터의 눈금이 평행이 되도록 접안 렌즈를 돌려서 맞춘다. 마지막으로 접안 마이크로미터 눈금과 대물 마이크로미터의 눈금이 일치하는 두 곳을 찾아 그 사이에 있는 눈금 수를 각각 셈하고, 접안 마이크로미터 한 눈금의 길이를 구한다. 유의점은 눈금 수와 길이는 다르다는 것이다. 눈금 수는 상댓값을 측정하기 위한 숫자이므로 접안 마이크로미터 위에 써 있는 자연수들과 대물 마이크로미터와 비교하여 근사 길이를 구하는 용도로 쓰이는 것이다. 일단 대물 마이크로미터의 한 눈금의 길이는 10μm이다. 이 때, 대물 마이크로미터 눈금 수를 접안 마이크로미터 눈금 수로 나누어 10을 곱해주면 접안 마이크로미터의 길이를 알 수 있다. (단위는 μm) 대물 마이크로미터의 한 눈금의 길이는 변하지 않으므로 현미경의 배율을 높여 확대시키면 접안 마이크로미터 한 눈금의 길이가 짧아진다. 배율과 접안 마이크로미터 한 눈금의 길이가 서로 반비례한다고 보면 되는 것이다.
• 식물 세포와 동물 세포: 둘을 비교하는 것은 아래 이미지를 참고하면 된다. 보면, 식물 세포에는 동물 세포와 달리 중심 액포, 세포벽, 엽록체를 추가적으로 가지고 있다.
  
• 핵: 원형 구조물로 유전 정보를 저장하는 DNA가 들어있다. 주로 형질 발현과 유전 현상을 나타낸다. 구조적으로는 핵막으로 둘러싸여 있고, 이 핵막은 두 겹의 막으로 이루어져 있다. 작은 구멍인 핵공을 통해 어떤 물질들의 출입을 조절할 수 있다. 핵 속에는 특정적으로 명도가 짙게 나타나는 구형 구조를 볼 수 있는데 이를 인이라고 한다. 인에서는 RNA(리보솜을 구성함)가 합성되며, 단백질과 함께 이루어져 있다.
• 리보솜: rRNA라고 하는 특수한 RNA와 수십 여개의 서로 다른 단백질이 결합된 복합체다. 크기가 서로 다른 두 단위체로 구성되어 있다. rRNA란? 인 속 DNA로부터 합성되는 것으로, 세포질에서 둥둥 떠다니던 단백질이 핵공을 통해 유입되면 rRNA와 복합체를 이룬다. 보통 대단위체와 소단위체로 조립되는데, 이는 mRNA와 상호 작용 시에만 붙어있는다. 그리고 mRNA와 상호 작용할 때만 단백질을 합성할 수 있다. 리보솜의 주 기능은 단백질을 합성하는 것. 따라서 단백질 합성이 활발한 곳에서 많이 발견되고, 이럴 경우에 인이 보다 뚜렷하게 관찰된다. 보통 세포질에 자유롭게 떠다니기도 하지만, 소포체에 붙어 있을 경우에는 세포 밖으로 분비되려고 하는 단백질을 사전적으로 합성시켜준다.
• 염색체: 핵 속에 있으며 DNA와 히스톤 단백질이 마치 염주 모양의 뉴클레오솜을 이루는데 세포 분열 시 응축하여 끈이나 막대기 모양이 되지만, 미분열 시 실처럼 풀어져 있다.
• 소포체: 막 구조물로 핵막과 연결되어 있다. 세포 내(세포질)에 광역적으로 퍼져 있다. 2009 개정 교육과정에서 거친면 소포체와 매끈면 소포체를 구분하는 내용이 추가되었다. 둘을 구조적으로 구분할 수 있는 기준은 '표면에 리보솜이 붙어있느냐, 아니냐'인데, 붙어있는 쪽이 거친면 소포체이고, 없는 쪽이 매끈면 소포체이다. 교육 과정에서는 거친면 소포체가 좀 더 중요하다.
• 거친면 소포체: 막 단백질과 분비 단백질을 합성[경로]한 후 이동시키는 통로 역할을 함.
• 매끈면 소포체: 지질(인지질, 스테로이드)을 합성, 약물의 독성 제거, 안정한 상태의 칼슘 이온을 저장하는 역할을 함.
• 골지체: 소포체에서 합성 단백질과 함께 떨어져 나온 수송낭을 받아들이는 곳이다. 주로, 분비 기능이 발달한 세포에 많이 분포해 있다.
• 리소좀: 골지체 막 일부가 떼어져 만들어진 것으로, 리보솜과 명칭이 헷갈리는 탓에 각종 테스트에서 페이크타임을 거는 경우가 많다. 모식도에서의 리소좀이 어떤 묶음 형태로 그려진다면 리보솜은 생활 속의 입자처럼 그려진다. 리소좀 내에서 당, 지질, 핵산, 단백질 등을 분해하는 가수 분해 효소가 들어 있어 보통 소화를 담당한다. 세포질 물질뿐만 아니라 손상된 기관을 소화시키는 역할까지 한다. 또, 병든 세포 자체에서는 리소좀이 자폭하기도 한다. 하도 명칭이 햇갈리다 보니까 대학 1학년 학부교제엔 용해소체라고 표기된걸 볼 수 있다(...).
• 물질 대사 역할을 하는 세포 소기관
• 미토콘드리아: 두 겹의 막[심화Ⅰ]으로 둘러싸여 있다. 세포 호흡이 일어나는 곳으로 O₂를 이용해 탄소화합물(당, 지방, 단백질)을 분해하여 ATP를 만들어낸다. 이 ATP 생산에 필요한 여러 막단백질이 분포하는 곳을 크리스타라고 하는데, 안쪽으로 주름진 형태라는 것을 알 수 있다. 크리스타 내막의 공간을 기질이라고 하는데, 세포 호흡에 관여하는 여러 효소가 존재한다. 여기서는 기질만이 가지고 있는 고유한 DNA와 리보솜이 있다고 한다.
• 엽록체: 두 겹의 막[심화Ⅰ]으로 둘러싸여 있다. 식물이나 조류( 미역, 해캄 등)에서 발견된다. 빛을 화학 에너지를 전환시켜 물과 이산화 탄소로부터 유기물을 합성한다. 화학Ⅰ에서 흔히 다루는 연소 반응의 역과정이라고 보면 된다. 엽록체 내에서는 납작한 동전모양의 틸라코이드들이 층을 이루어 그라나를 이룬다. 틸라코이드 막에서는 광합성 색소와 ATP를 생산하는 여러 막단백질이 있다. 미토콘드리아와 마찬가지로 엽록체에도 기질이 존재하는데 스트로마라는 별칭으로 부른다. 스트로마 역시 고유의 DNA와 리보솜이 있고, 포도당 합성에 관여하는 효소가 존재한다.
• 액포: 노폐물이나 유기물을 저장하거나 식물의 색깔(곤충 유인의 원인)을 나타낸다. 물질 출입이 선택적이기 때문에 액체 내 성분 비율이 세포질과 다르다. 삼투압을 유지하고 식물 세포 성장에 중요한 역할을 한다.
• 세포의 형태 유지 및 보호: 세포막, 세포벽, 각종 섬유가 이 역할을 한다.
• 세포막: 물질의 출입을 조절한다. 구성 성분은 주로 인지질과 단백질이다. 인지질은 머리와 꼬리를 갖는 분자로, 머리 부분은 친수성을 띠며 인산, 글리세롤, 유기 분자로 구성되어 있다. 꼬리는 소수성을 띠며 탄화 수소 지방산으로 구성되어 있다. 물 속 환경에서도 2중층을 형성하여 안정 상태로 있을 수 있다. 다만, 동물 세포의 경우 콜레스테롤 일부를 포함하기도 한다. 단백질(막단백질)은 세포막을 관통하는 형태 혹은 표면에 붙어있는 형태로 존재한다. 이 배열을 유동 모자이크막 모형으로 나타낼 수도 있다. 막단백질은 특정 온도에서 유동성을 띠는데, 서로 다른 종의 막단백질을 세포 융합시키고 일정 시간이 흐르면 골고루 섞이게 된다. 보통 유동성은 온도와 비례한다.
• 인지질: 구조적인 역할 (2중층), 리포솜[심화Ⅱ]
• 막단백질: 기능적인 역할 (물질 수송, 자체 효소, 신호 전달 수용체 역할 등)
• 세포벽: 셀룰로스가 주성분이며 형태 보존 및 물의 과잉 흡수 방지 역할을 한다. 세포가 성숙하면서 두꺼워지는데 세포막과 1차 세포벽 사이에 2차 세포벽을 합성한다.
• 미세 소관, 중간 섬유, 미세섬유: 세포 소기관을 고정시키는 중간 섬유는 그물처럼 퍼져있고, 미세 소관은 염색체가 이동할 수 있도록 돕는다. 미세섬유는 세포질 이동, 근육 수축 등에 관여한다. 셋 다 세포 골격을 유지하는 역할을 한다.
• 진핵 세포와 원핵 세포: 유전물질의 구조, 리보솜, 세포벽의 구성 성분 쪽에서 서로 차이가 있다.
• 원핵 세포: 유전 물질이 비교적 적고, 원형 DNA를 갖는다. 핵막이 없기 때문에 유전 물질이 세포질에 존재한다. DNA에 히스톤 단백질이 없기 때문에 뉴클레오솜을 갖추지 못한다. 비교적 리보솜도 작다. 또, 막으로 둘러싸인 세포 소기관(내막계)을 갖지 않는다. 세포벽의 주성분이 펩티도글리칸으로 이루어져있다. 이는 급성 삼투압 변화에 대비한다. 개체 간에 유전 물질을 교환하기가 쉬워 새 환경에 빨리 적응할 수 있다. 대부분 단세포 생물이다.
• 진핵 세포: 핵막이 존재하기 때문에 유전 물질(DNA)이 핵 안에 존재한다. 리보솜이 크고 히스톤 단백질이 결합된 DNA이 존재한다. 세포벽이 키틴, 셀룰로스로 구성되어있다. 대부분 다세포 생물이다.
• 확산과 삼투
• 확산과 능동 수송: 농도를 따라 확산되어 세포막을 가로지르는 분자들의 현상이다. 분자 운동에 의해 일어나므로 생물의 에너지가 소모되지 않는다. 분자가 작을수록, 온도가 높을수록, 농도 차가 클수록, 지질에 대한 용해도가 클수록 확산 속도가 빠르다. 이 단순 확산과 아래의 촉진 확산은 물질의 수송 중 수동 수송으로 분류된다. 반면, 에너지를 사용하여 물질을 이동시키는 방식을 능동 수송이라고 한다.
• 삼투: 여기는 화학Ⅱ 1단원의 '몰 농도'에 대한 이해가 필요하다. 우선 몰 농도를 달리한 두 용액을 반투과성 막을 경계하여 놓았을 때, 용매는 반투과성 막을 가로지를 수 있지만, 크기가 큰 용질은 그러지를 못한다. 이 때, 용매가 반투과성 막을 경계로 하여 (용질의) 몰 농도가 높은 곳으로 이동하려는 현상을 삼투라고 일컫는다. 이때 이동하는 방향으로 반투과성 막이 받는 압력을 삼투압이라고 한다. 용질 퍼센트 농도가 다른 두 용액이 반투과성 막으로 서로 경계를 두고 있지만, 시간이 지남에 따라 몰 농도를 평형 상태로 유지하기 위한 자연 현상이라고 보면 된다. 삼투압을 기준으로 상대적으로 높은 쪽을 고장액, 낮은 쪽을 저장액이라고 하며, 동일할 경우에는 등장액이라고 한다.
• 삼투 현상의 생명 과학적 사례: 동물 세포에서는 대표적으로 적혈구를 예로 들 수 있다. 헤모글로빈 수치가 낮은 저장액(혈장)에 적혈구를 넣으면 상대적으로 헤모글로빈 수치가 높은 적혈구 안으로 용매가 이동하여 부풀어 오른다. 터져버리면 용혈 현상이라고 부른다. 반대로 고장액에 넣을 경우 용매가 밖으로 빠져나와 세포막이 찌그러지게 된다. 식물 세포는 세포벽이 존재하기 때문에 동물 세포처럼 용혈 현상이 일어나지는 않지만, 부피는 당연히 커진다. 세포벽에 가해지는 압력을 팽압이라하고, 팽압이 최대가 되는 상태를 팽윤 상태라고 한다. 반대로 고장액에서는 세포막과 세포벽이 분리되는 원형질 분리 현상이 일어난다. 하지만 다시 저장액을 넣어 등장 상태로 만들어주면, 원형질 복귀가 이루어진다. 식물 세포가 용매를 흡수하면 팽압이 증가하고 삼투압이 낮아진다. 이 때 삼투압과 팽압의 차이를 수분 흡수력이라고 이는 삼투압이 높을수록 팽압이 낮을수록 커진다. |(팽압)-(삼투압)|=0이 되면 최대 팽윤 상태가 된다.
• 막단백질과 물질 수송: 막단백질로써 고농도에서 저농도로 물질이 확산되는 현상을 촉진 확산이라고 한다. 여기엔 수송 단백질이 도움을 준다. 수송 단백질에는 통로 단백질과 운반체 단백질이 있는데, 통로 단백질은 분자나 이온이 세포막을 투과할 수 있게끔 하고, 후자는 단백질을 변형시켜 특정 물질을 운반시킨다. 원래 우리 몸은 전체적으로 물과 친하기 때문에 기름(인지질 2중층)을 쉽게 통과하지 못한다. 하지만 이러한 단백질들이 물질을 수송하는 역할을 해주는 것이다. 통로 단백질의 통로는 물과 친하기 때문에 물 분자나 작은 이온이 세포막을 통과할 수 있다. 그 밖에 전기·화학적 자극으로 단백질의 출입이 조절된다. 단순 확산과 마찬가지로 에너지가 소비되지 않는다는 점에서는 공통점으로 볼 수 있지만, 촉진 확산의 경우 단순 확산과 달리 세포막 쪽 수송 단백질 개수가 한정돼서 단순 확산처럼 물질의 순 이동량이 농도 기울기와 비례하지 않고, 어느 순간부터 증가하지 않는다. 위에서 언급했듯이 능동 수송은 확산과 달리 에너지를 사용하여 물질을 이동시킨다. 수동 수송은 통로 단백질, 운반체 단백질 모두 관여하지만, 능동 수송은 운반체 단백질만 관여하는 특징이 있다. 능동 수송의 대표적인 운반체 단백질로는 Na⁺-K⁺ 펌프가 있는데, 보통 적혈구는 농도 기울기를 거슬러서 저농도에서 고농도로 물질을 이동시킴으로써 인체 적혈구 내 칼륨 이온 농도는 혈장에 비해 대략 30배 높고, 나트륨 이온 농도는 대략 10배 정도 높게 유지한다. 이는 Na⁺-K⁺ 펌프가 관여했기 때문이다. 결과적으로 세포 내 칼륨 이온 농도는 높게 유지되고, 나트륨 이온 농도는 낮게 유지된다.
• 능동 수송의 예: 신경 세포의 막전위차 유지, 소장의 흡수 작용, 세뇨관의 포도당 재흡수
• 세포 내 섭취, 세포 외 배출: 생물Ⅱ 시절에는 내포 작용과 외포 작용이라는 명칭이었지만, 생명 과학Ⅱ로 넘어오게 되면서 개칭되었다. 세포 내 섭취란 특정 물질을 세포 안으로 받아들이는 작용이라고 하고, 세포 내 물질을 밖으로 내보내는 작용을 세포 외 배출이라고 한다. 능동 수송처럼 모두 에너지를 필요로 하지만, 이들은 확산이나 능동 수송처럼 작은 분자가 아닌 큰 분자들을 세포막으로 감싸서 이동시킬 때 이 작용이 일어난다. 이중 식세포 작용은 세포 내 섭취의 일종인데, 백혈구가 세균을 세포막으로 둘러싸 먹어버리는 것이 대표적인 그 예다. 음세포 작용도 세포 내 섭취의 일종으로, 주로 용액의 작은 용질 또는 용액을 세포 안으로 받아들이는 것을 일컫는다. 세포 외 배출은 세포에서 합성된 단백질을 세포 밖으로 분비할 때 주로 일어난다. 신경 전달 물질이 방출되거나 호르몬 분비 등이 그 예다.
• 엽록체의 광합성과 미토콘드리아의 세포호흡에 대하여 공부한다. 생명 과학Ⅱ를 처음 접할 때 회로가 상당히 복잡하고 물질 이름이 괴상해서 대다수의 학생들이 가장 거부감을 드러내는 부분이기도 하다. 엽록체의 광합성 암반응에서의 캘빈 회로의 중간산물들이나(3PG, DPG, G3P, RuBP) 미토콘드리아의 세포호흡에서 TCA 회로의 중간산물들(시트르산, α-케토글루타르산, 석신산, 푸마르산, 말산, 옥살아세트산)의 괴상한 이름들을 보면서 이를 암기해야 한다. 어려워보여도 어느 정도 흐름과 원리를 가지기 때문에 위에서 언급했듯이 흐름 속에서 중간산물들을 꼼꼼히 챙겨가며 외우다 보면 어느새 회로를 줄줄 외고 있는 자신을 발견할 수 있다. 크고 아름다운 TCA회로와 캘빈 회로에 존재감이 밀려서 그렇지, 그 외에도 다른 내용들도 꽤 배우는 편이다. 세가지 발효과정이라든지 광합성 실험에다가 생명 과학Ⅰ 4단원 부분의 보상점과 광포화점 부분을 다시 배운다.
• 산소 호흡
• 해당과정: 포도당이 2개의 피루브산과 2개의 NADH와 2개의 ATP를 생성한다.
• TCA회로: 생성된 피루브산은 미토콘드리아로 넘어가 TCA회로를 통해 3CO2와 4NADH, 1FADH, 1ATP를 생성한다.
• 산화적 인산화: 미토콘드리아 내막의 전자전달계에서 NADH와 FADH가 O2와 반응하여 마지막 ATP를 생성한다.
• 지방과 단백질 산화
• 3대 영양소는 모두 에너지원으로 사용될 수 있다.
• 에너지 호흡과 호흡률
• 우리 몸에서 포도당 분해시 40%는 에너지를 만드는데 쓰이고 60%는 열로 방출된다 즉 우리 몸은 40%의 열효율을 자랑하는데 효율적이지 않아 보이지만 자동차의 열효율이 25%정도임을 봤을 때 대단한 수치이다.
• 호흡률은 CO2발생량/O2소모량 으로 탄수화물은 1.0 ,단백질은 0.8, 지방은 0.7로 지방에는 연소해야 할 수소가 많이 존재해서 산소가 많이 필요하다고 한다. 즉 식물이 싹트는데 주로 이용하는 영양소는 지방이라는 의미이다.
• 호흡률 측정 실험이 있다.
• 무산소 호흡