심화 생명과학: 구조, 에너지, 방어, 유전, 생명공학

세포의 구조와 에너지

세포는 생명의 기본 단위예요. 핵에는 DNA가 있고, 세포막은 무엇이 드나들지 조절해요. 리보솜은 단백질을 만들고, 미토콘드리아는 음식에서 에너지를 꺼내요.

세포호흡과 ATP

세포는 포도당을 그대로 쓸 수 없어요. 세포호흡에서는 포도당이 여러 단계로 나뉘어 분해돼요(세포질에서 해당과정, 그다음 미토콘드리아에서 크렙스 회로와 전자전달). 이때 나온 에너지는 ATP라는 분자에 저장돼요. 산소가 있으면 포도당 하나에서 약 30~32개의 ATP가 만들어지고, 산소가 없으면 ATP는 2개뿐이에요(발효).

광합성

식물은 엽록체에서 빛을 받아 이산화탄소와 물로 포도당을 만들고 산소를 내보내요. 거의 모든 생물의 먹이와 에너지는 여기서 시작돼요.

조절과 방어

몸은 음성 피드백으로 몸속 상태를 일정하게 유지해요(항상성). 혈당이 오르면 이자가 인슐린을 내보내고, 세포가 당을 받아들여 혈당이 다시 내려가요. 신경은 번개처럼 빠르게, 호르몬은 느리지만 더 오래 작용해요.

면역 방어

피부와 점액이 첫 번째 벽이에요. 병원체가 들어오면 백혈구가 공격해요. B 세포는 항체를 만드는데, 항체는 병원체 표면의 한 가지 모양(항원)에 맞는 Y자 모양 단백질이에요. 일부 B 세포와 T 세포는 기억 세포로 남아서 다음 감염 때 더 빨리 싸워요. 백신은 병에 걸리지 않고도 이 기억을 만들어 줘요.

생명의 연속성: DNA와 유전

DNA는 두 가닥이 염기 쌍으로 이어진 이중 나선이에요. 염기는 A는 T와, C는 G와 짝을 이뤄요. 유전자는 단백질 하나의 설계도가 담긴 DNA의 한 부분이에요.

DNA 복제

세포가 나뉘기 전에 나선이 지퍼처럼 열려요. 옛 가닥이 각각 틀이 되고, 새 염기들이 거기에 짝지어 붙어요. 그러면 똑같은 DNA 두 개가 생기고, 각각 옛 가닥 하나와 새 가닥 하나를 가져요(반보존적 복제).

형질 물려주기

몸의 세포는 체세포분열로 똑같은 세포를 만들어요. 생식세포는 감수분열로 만들어지고 염색체가 절반이라서, 자손은 부모에게서 한 벌씩 받아요. 복사 중의 실수는 돌연변이이고, 다양성의 원인이 돼요.

생명공학

생명공학은 살아 있는 세포나 그 일부를 이용해 쓸모 있는 것을 만들어요. 오래된 방법으로는 요구르트, 빵, 포도주 만들기가 있어요. 현대의 유전자 공학은 한 생물의 유전자를 다른 생물로 옮겨요.

유전자 클로닝 단계

1. 제한 효소(분자 가위)로 원하는 유전자를 잘라 내요.
2. 같은 효소로 플라스미드를 잘라서 끝 모양이 맞게 해요.
3. 연결 효소(리가아제, 분자 풀)로 유전자를 플라스미드에 이어 붙여요.
4. 플라스미드를 세균에 넣어요. 세균이 자라면서 유전자와 그 단백질을 많이 만들어요.

쓰임: 인슐린, 백신, 병에 강한 작물, 범죄 수사와 친자 확인의 DNA 지문 분석. 안전, 공정성, 자연에 대해서는 신중한 규칙이 필요해요.

직접 해 보기: ATP 사용의 효과 보기

가만히 있을 때 1분 동안 숨 쉬는 횟수를 세어 보세요. 그다음 점핑잭을 30번 하고 다시 세어 보세요. 근육이 ATP를 더 많이 썼기 때문에 산소가 더 필요했고, 숨 쉬는 속도가 빨라졌어요. 3D에서 포도당 슬라이더를 움직이며 ATP 수가 함께 늘어나는 것을 보세요.

핵심 공식과 정의

• 세포호흡: 포도당 + 산소 -> 이산화탄소 + 물 + 에너지 (약 30-32 ATP)
• 광합성: 이산화탄소 + 물 + 빛 -> 포도당 + 산소
• 염기쌍: A-T, C-G
• 복제는 반보존적: 새 DNA마다 옛 가닥 하나와 새 가닥 하나를 가짐

풀이 예제

자주 하는 실수

• ATP가 에너지 그 자체라고 말하기. ATP는 에너지를 나르는 분자예요.
• 식물은 호흡하지 않는다고 생각하기. 식물도 밤낮으로 호흡하고, 광합성만 빛이 있을 때 해요.
• A-T와 C-G 짝을 헷갈리거나 A를 C와 짝짓기.
• 항체가 모든 병원체에 맞는다고 생각하기. 항체 하나는 특정한 항원 하나에만 맞아요.