뿌리학습 · 고등 과학탐구
생명 시스템과 유전 정보의 흐름
생명체는 스스로를 유지한다. 밖에서 물질과 에너지를 받아들이고, 필요한 것을 만들고, 쓰고 남은 것을 내보내면서 안의 상태를 일정하게 지킨다. 이렇게 여러 부분이 서로 작용하며 하나의 기능을 유지하는 것을 시스템이라 하고, 생명체가 이루는 시스템을 생명 시스템이라고 한다.
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개념 정리
생명 시스템은 큰 생물에만 해당하는 말이 아니다. 세포 하나도 물질을 주고받고 반응을 일으키며 스스로를 유지하는 생명 시스템이다. 그래서 세포를 생명 시스템의 기본 단위라고 한다.
세포가 이 일을 할 수 있는 것은 세포막 덕분이다. 세포막은 안과 밖을 나누면서 물질의 출입을 조절한다. 아무것이나 드나드는 문이 아니라, 필요한 것을 골라 들이고 내보내는 문이다. 이 조절이 있어야 세포 안의 상태가 밖과 다르게 유지된다.
그렇다면 세포 안에서 실제 일을 하는 것은 무엇일까. 단백질이다. 단백질은 몸을 이루는 재료로만 알기 쉽지만, 그보다 중요한 것은 기능을 수행하는 역할이다. 화학 반응을 빠르게 하는 효소, 몸의 기능을 조절하는 호르몬, 병원체에 대응하는 항체가 모두 단백질이다. 세포에서 일어나는 일의 상당 부분이 단백질을 통해 이루어진다.
그런데 단백질은 저절로 만들어지지 않는다. 어떤 단백질을 어떻게 만들지에 대한 정보가 필요하고, 그 정보가 유전자다.
여기서 중요한 관계를 잡아야 한다. 유전자가 형질을 직접 만드는 것이 아니다. 유전자에 담긴 것은 단백질을 만드는 정보이고, 그렇게 만들어진 단백질이 작용해서 형질이 나타난다. 유전자와 형질 사이에는 단백질이 있다. 예를 들어 머리카락 색을 결정하는 유전자가 있다면, 그 유전자는 색소를 만드는 데 관여하는 단백질의 정보를 담고 있고, 그 단백질이 작용한 결과로 색이 나타나는 것이다.
유전자는 DNA의 특정 부분이다. DNA는 네 종류의 염기가 길게 늘어선 두 가닥의 구조이고, 그 염기가 배열된 순서에 정보가 담겨 있다. 두 가닥에서 마주 보는 염기는 아무렇게나 붙는 것이 아니라 정해진 짝끼리 결합하는데, 이 성질을 상보적 결합이라고 한다. 어떤 순서로 늘어서 있는지에 따라 어떤 단백질이 만들어질지가 정해진다.
이제 정보가 단백질이 되는 과정을 보자. 여기서 가장 흔한 오해가 나온다. DNA가 직접 단백질을 만드는 것이 아니다. 중간에 한 단계가 있다.
먼저 DNA에 담긴 정보가 RNA로 옮겨 적힌다. 이 과정을 전사라고 한다. 책 전체를 들고 나가는 대신 필요한 쪽만 옮겨 적는 것과 비슷하다.
여기서 정보가 정확히 옮겨지는 원리가 있다. DNA의 염기는 서로 짝이 정해져 있어서, 한쪽 가닥의 염기 순서가 정해지면 그에 대응하는 염기가 짝을 이루어 붙는다. 이렇게 정해진 짝끼리 결합하는 성질을 상보적 결합이라고 한다. 전사는 이 상보적 결합을 이용해 DNA의 염기 순서를 RNA의 염기 순서로 옮겨 적는 과정이다. 그래서 옮겨 적는 동안 정보가 흐트러지지 않는다.
그다음 그 RNA의 정보를 읽어 아미노산을 순서대로 연결해 단백질을 만든다. 이 과정을 번역이라고 한다. 염기의 언어를 아미노산의 언어로 바꾸는 것이므로 번역이라는 이름이 붙었다.
두 과정이 일어나는 장소가 다르다는 점도 중요하다. 전사는 핵 안에서 일어나고, 번역은 핵 밖 세포질에 있는 리보솜에서 일어난다. 그래서 전사로 만들어진 RNA가 핵 밖으로 나가야 번역이 시작된다. 핵 밖으로 나가는 것은 DNA가 아니라 RNA다. DNA는 핵 안에 그대로 남는다.
정보가 어떻게 아미노산으로 바뀌는지도 정확히 알아 두자. 염기 하나가 아미노산 하나에 대응하는 것이 아니다. 염기 세 개가 한 묶음이 되어 아미노산 하나를 지정한다. 왜 세 개일까. 염기는 네 종류뿐인데 단백질을 이루는 아미노산은 스무 종류다. 하나씩 대응하면 네 가지, 두 개씩 묶어도 열여섯 가지밖에 지정할 수 없어 부족하다. 세 개씩 묶으면 4를 세 번 곱한 예순네 가지가 되어 스무 종류의 아미노산과 단백질 합성을 끝내라는 신호까지 지정하기에 충분하다.
마지막으로 하나 짚어 두자. 우리 몸의 세포들은 하는 일이 제각각이지만, 한 사람의 체세포는 모두 같은 유전자를 가지고 있다. 그렇다면 왜 모습과 기능이 다를까. 세포마다 사용하는 유전자가 다르기 때문이다. 어떤 세포에서는 이 유전자가 쓰이고 다른 세포에서는 저 유전자가 쓰이며, 그 결과 만들어지는 단백질이 달라져 세포의 특성이 갈린다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과1-03-05]생명 시스템을 유지하기 위해서 다양한 화학 반응과 물질 출입이 필요함을 이해하고, 일상생활에서 활용되는 화학 반응 사례를 조사하여 발표할 수 있다.
- [10통과1-03-06]생명 시스템의 유지에 필요한 세포 내 정보의 흐름을 유전자로부터 단백질이 만들어지는 과정을 중심으로 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
생명 시스템과 세포
- 생명 시스템을 생물 한 마리 전체로만 본다. 시스템이라는 말이 크고 복잡한 것을 떠올리게 하기 때문이다. 세포 하나도 물질과 에너지를 주고받으며 스스로를 유지하는 생명 시스템이다. 세포는 생명 시스템을 이루는 기본 단위다.
- 세포막을 물질이 자유롭게 드나드는 통로로 본다. 필요한 것을 들이고 내보낸다고 배웠기 때문이다. 세포막은 물질을 가려서 통과시키며, 무엇을 얼마나 들이고 내보낼지 조절한다. 이 조절이 있어야 세포 안의 상태가 유지된다.
유전자와 단백질
- 유전자가 형질을 직접 만든다고 본다. 유전자가 형질을 결정한다고 배우기 때문이다. 유전자에 담긴 것은 단백질을 만드는 정보이고, 그 단백질이 작용한 결과로 형질이 나타난다. 유전자와 형질 사이에 단백질이 있으며, 형질에는 여러 유전자와 환경이 함께 관여하기도 한다.
- 단백질을 몸을 구성하는 재료로만 본다. 영양소로 먼저 배우기 때문이다. 단백질은 구조를 이루기도 하지만 효소, 호르몬, 항체처럼 기능을 수행하는 역할도 한다. 세포에서 실제 일을 하는 것이 단백질이다.
- 유전자를 정보 덩어리로만 보고 무엇을 만드는 정보인지 말하지 못한다. 유전자를 형질과 곧바로 연결하기 때문이다. 유전자는 특정 단백질을 만드는 데 필요한 정보를 담고 있으며, 어떤 단백질이 만들어질지는 그 유전자의 염기 서열이 정한다.
정보의 흐름
- DNA가 직접 단백질을 만든다고 본다. 유전 정보가 DNA에 있다고 배우기 때문이다. DNA의 정보는 RNA로 옮겨 적힌 뒤 그 RNA를 바탕으로 단백질이 만들어진다. 중간 단계가 반드시 들어간다.
- 전사와 번역이 같은 장소에서 일어난다고 본다. 두 과정을 이어서 배우기 때문이다. 진핵세포에서 전사는 핵 안에서, 번역은 핵 밖 세포질의 리보솜에서 일어난다. 장소가 다르기 때문에 RNA가 핵 밖으로 나가는 과정이 필요하다.
- DNA가 핵 밖으로 나가 단백질을 만든다고 본다. 정보가 이동한다고 생각하기 때문이다. 밖으로 나가는 것은 DNA가 아니라 옮겨 적은 RNA다. DNA는 핵 안에 남는다.
- 유전부호를 염기 하나가 아미노산 하나에 대응하는 것으로 본다. 하나씩 짝지으면 간단하기 때문이다. 염기 세 개가 한 묶음으로 아미노산 하나를 지정한다. 염기가 네 종류뿐이므로 하나씩 대응해서는 스무 종류의 아미노산을 지정할 수 없다.
- 모든 세포가 서로 다른 유전자를 가진다고 본다. 세포마다 하는 일이 다르기 때문이다. 한 개체의 체세포는 대부분 기본적으로 같은 유전 정보를 갖는다. 세포마다 어떤 유전자가 사용되는지가 다를 뿐이며, 그래서 만들어지는 단백질이 달라 세포의 모습과 기능이 달라진다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
생명 시스템은 생물 한 마리 전체를 가리키므로, 세포 하나는 생명 시스템이라고 할 수 없다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
시스템이라는 말이 크고 복잡한 것을 떠올리게 하다 보니, 생명 시스템을 생물 한 마리 전체 수준에서만 생각하기 쉬워요. 하지만 실제로는 세포 하나도 외부와 물질과 에너지를 주고받으며 스스로를 유지하기 때문에 생명 시스템으로 볼 수 있어요. 세포는 생명 시스템을 이루는 기본 단위예요.
세포막은 물질을 가려서 통과시키며, 무엇을 얼마나 들이고 내보낼지 조절하여 세포 안의 상태를 유지한다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
'필요한 것을 들이고 내보낸다'고 배우면 세포막이 그냥 열린 통로처럼 느껴지기 쉬워요. 실제로는 세포막이 물질을 가려서 통과시키는 선택적인 역할을 해요. 어떤 물질을 얼마나 들이고 내보낼지 세포막이 조절하기 때문에, 세포 안의 상태가 일정하게 유지될 수 있어요.
유전자는 형질을 직접 만들어 낸다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
유전자가 형질을 결정한다고 배우다 보면, 유전자가 형질을 바로 만들어 낸다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 유전자와 형질 사이에 단백질이 있어서, 유전자 → 단백질 → 형질 순서로 연결돼요. 또한 하나의 형질에는 여러 유전자와 환경이 함께 관여하기도 해요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반