모루끈을 이용한 염색체 모형 만들기(탐구학습)

 

이천중학교 과학교육선도학교에서 재미있는 과학수업을 위해 2010년에 개발한 자료 입니다.

▸ 활동준비 1. 관련단원 : 중학교 3학년 8단원 생식과 발생

2. 준 비 물 : 모루끈, 가위, 구멍뚫린 자석, 볼펜

3. 구입방법 : 참사이언스몰(http://www.charmscience.co.kr/)

4. 소요경비 : 5,000원 정도 ▸

제작방법

1. 모루끈을 자석의 구멍에 끼운다.

2. 볼펜을 감싸면서 돌돌 말아준다. 염색사가 염색체로 응축된 것을 나타낸 것이다.

3. 같은 색으로 2개를 만든 뒤에 자석끼리 붙이면 자매 염색분체가 된다. 4. 다른 색으로 2개를 만들면 이 둘은 상동염색체가 된다. 하나는 부계 염색체, 하나는 모계 염색체이다. 5. 다른 색으로 4개를 만든 뒤에 붙여 주면 이것은

4분 염색분체(2가 염색체)가 된다.

▸ 수업시간 활용방법

1. 염색사, 염색체, 상동염색체, 2가 염색체의 개념을 설명한 후, 모루끈으로 각각의 모형을 만들어 보도록 한다. 상동염색체와 2가 염색체에 대해서는 학생들이 어려워하고 오개념도 많이 가지고 있다. 어떻게 만들어야 할지 토의해 보도록 한다.

2. 체세포 분열에서 염색체의 행동을 단계별로 만들어 보게 한다. ＤＮＡ의 복제로 만들어진 자매 염색분체를 어떻게 나타내면 좋을지 생각해보게 한다. 모계와 부계로부터 받은 한쌍의 상동염색체는 어떻게 나타내야 할지 생각해 보게 한다.

3. 감수 분열에서 염색체의 행동을 단계별로 만들어 보게 한다. 감수분열에서의 특징인 제 1 감수분열 중기에 상동염색체 쌍을 어떻게 표현해야 할지 생각해보게 한다.

▸ 유의점

1. 자매 염색분체의 경우 복제되어 만들어진 것으로 유전자가 같다. 따라서 같은 색으로 만들도록 하여 복제되었으며 유전정보가 같음을 나타내도록 한다.

2. 상동 염색체의 경우 크기와 모양은 같으나 유전정보는 다르다. 이를 나타내기 위해서 부계와 모계의 염색체를 다른 색으로 만들어 오개념이 생기지 않도록 한다.

▸ 과학적 원리

1. 세포분열

(1)세포주기 세포는 주기적으로 분열을 반복하는데 이를 세포주기라 한다. 세포주기는 간기(interphase)와 분열기(mitotic phase, M기)로 크게 나눈다. 간기는 연속적인 세포분열 사이에 존재하는 단계이며 G1, S, G2기의 세 단계로 나뉜다. G1기는 세포 분열 바로 다음에 일어나는 매우 활동적인 시기로 이 때에 세포의 생장에 필요한 효소와 구조단백질 등 여러 종류의 단백질이 합성된다. S기에는 핵 내의 모든 DNA가 복제되는 시기로 DNA 양이 2배가 되며, 세포분열을 준비하는 G2기에는 염색체의 이동에 관여하는 방추체의 단백질 섬유가 만들어진다. 그리고 이어지는 분열기에서 핵분열과 세포질 분열이 일어난다.

(2)염색체 염색체는 유전자의 본체를 이루는 DNA와 히스톤 단백질이 결합된 것으로 생물의 종마다 수, 모양, 크기가 일정하다. 염색체의 중앙에 잘록하게 보이는 부분은 동원체라 하는데 세포분열시 방추사가 부착하는 장소이다. ① 상동 염색체：체세포에는 같은 모양을 한 염색체가 쌍으로 존재하는데 이를 상동 염색체라고 한다. 상동 염색체의 한쪽은 부친으로부터 다른 쪽은 모친으로부터 물려받은 것이다. ② 성염색체：성별을 결정하는 염색체로 성에 따라 각기 다른 한 쌍의 염색체를 가지고 있다. 사람의 경우 여자는 두 개의 X염색체로(XX), 남자는 X염색체와 Y염색체로(XY) 구성되어 있다. ③ 상염색체：성 염색체를 제외한 나머지 염색체를 말한다.

2. 체세포 분열 체세포분열은 핵분열과 세포질 분열로 구분된다.

(1) 핵분열：핵이 2개로 나누어지는 과정으로 염색체의 행동을 중심으로 전기, 중기, 후기, 말기의 4시기로 나눈다. 전기에는 핵막과 인이 소실되고 염색사가 염색체로 되며 양극의 방추체에서 방추사가 중앙으로 뻗어 나온다. 이어서 중기가 되면 염색체가 세포중앙에 배열하고 방추사가 염색체의 동원체에 부착한다. 이 때의 염색체가 가장 선명하게 관찰되며, 핵분열의 4시기 중 가장 짧은 시기이다. 후기에는 동원체가 있는 부분에서 방추사에 의해 염색 분체가 떨어져 양극으로 이동하고, 말기에는 염색체가 염색사로 변하며 핵막과 인이 다시 나타나고 세포질 분열을 통해 2개의 딸세포로 된다. ※ 염색 분체：S기의 염색체는 복제되어 동원체에서 연결된 모양과 크기가 같은 2개의 염색체 모습이 되는데 이를 염색 분체(chromatid) 혹은 자매염색 분체(sister chromatid)라 한다.

(2) 세포질 분열 세포질이 2개로 나누어지는 과정으로 핵분열의 말기에 일어난다. 동물 세포는 적도면 부근의 세포막이 함입되어 2개의 세포로 분리되고(세포질 만입), 식물 세포는 세포의 중앙에서 형성된 세포판이 바깥쪽으로 성장하면서 세포질을 2개로 분리하여 딸세포를 형성한다.

3. 감수 분열 감수 분열은 염색체 수가 반으로 줄어드는 과정으로 연속 2회 분열하여 생식세포를 형성한다.

(1) 감수 분열 과정

① 제1분열(이형 분열, 2n→n) 전기는 체세포분열의 전기에 비해 길고 복잡한 과정으로 상동염색체끼리 접합하여 2가염색체(4분염색체)를 형성한다. 중기에는 2가염색체가 중앙에 배열하고 동원체에 방추사가 부착된다. 후기에는 방추사에 이끌려 2가염색체가 분리되어 양극으로 이동한다. 양극으로 끌려온 염색체는 해체되지 않고 핵막이 생기며 곧 제2분열로 들어간다. 이 때 염색체 수는 모세포의 절반으로 줄어든다.

② 제2분열 (동형 분열, n→n) 제2분열은 짧은 간기가 있는 경우도 있지만 대부분의 생물은 간기가 없이 곧바로 분열기로 들어가며, 체세포 분열과정과 동일하다. 이를 통해 4개의 딸세포(n)를 형성한다.

(2) 생식세포 형성

ⓛ 동물의 생식세포 형성：정소와 난소에서 형성된다. 정소에서는 제1정모세포(2n)가 제1감수분열을 통해 제2정모세포(n)로 되고 제2감수분열을 통해 4개의 정세포(n)가 만들어진다. 정세포는 최종 변형과정을 통해 정자가 된다. 난소에서는 제1난모세포(2n)가 제1감수분열을 통해 제2난모세포(n)로 되고 제2감수분열을 통해 1개의 난세포와 퇴화된 3개의 극체가 형성된다.

② 식물의 생식세포 형성 ： 꽃밥과 밑씨에서 각각 화분과 배낭이 형성된다. 화분은 화분모세포(2n)에서 감수분열을 통해 4개의 화분(n)으로 만들어지고, 배낭은 배낭모세포(2n)에서 감수분열하여 4개의 딸세포가 만들어지지만 이중 3개는 퇴화되고 1개만 배낭세포(n)로 발달한다.

4. 염색사와 염색체 간기 상태의 핵에서 유전물질인 ＤＮＡ와 히스톤 단백질이 꼬여 실처럼 풀어져 있는 것을 염색사라고 한다. 세포분열에 들어가게 되면 전기에 염색사가 응축되어 염색체를 형성하게 된다. 이렇게 응축되면 원래 길이의 1만분의 1까지 짧아진다.

5. 자매 염색분체 간기 Ｓ기에 ＤＮＡ가 복제된 후 전기에 응축되어 생긴 2개의 동일한 염색분체를 말한다. 동원체를 중심으로 결합된 두 염색분체를 서로의 자매염색분체라고 한다. 자매 염색분체는 복제의 결과 만들어진 것이므로 유전자가 일치한다. 체세포의 염색체는 2개의 염색분체로 이루어져 있으며, 생식세포의 경우는 감수분열시의 상동염색체가 접합하여 2가 염색체로 이루어져 있다．이것을 4분 염색분체라고 한다.

6. 상동염색체 상동염색체는 모양과 크기가 동일한 염색체로서 하나는 부계에서 유래하고 다른 하나는 모계에서 유래한다.

7. 2가염색체 감수 제 1분열 전기에서 상동염색체가 접합한 결과 생성되는 염색체이다. 각각의 염색체는 간기에 복제가 일어나 2개의 염색분체로 구성되어 있으므로 2가 염색체는 4개의 염색분체로 구성된다. 그래서 4분 염색체라고도 한다. 감수 분열은 2가지 점에서 중요한 의의를 가진다. 첫째, 감수분열과정에서 유전자 재조합이 일어남으로써 생물의 다양성을 확보한다는 것이다. 제 1감수 분열에서 상동염색체가 짝을 지을 때 비자매 염색분체 사이에서 교차가 일어나 유전자 재조합이 이루어진다. 또한 제 1감수 분열 중기에 2가 염색체들이 적도판에 무작위로 배열하여 염색체의 재조합이 이루어짐으로써 유전적 조성이 다양해질 수 있다. 두 번째로는 2배체 생물에서 제 1 감수분열시 적도판에 상동염색체 쌍이 배열되어 양극으로 나누어짐으로써 염색체의 수가 반감된다는 것이다. 생식세포를 만들 때 염색체 수가 반감되므로 수정에 의해 생긴 다음 세대에서도 염색체 수를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

▸ 응 용

세포분열의 각 과정을 염색체 모형을 이용하여 나타내어 세포분열시 염색체의 행동을 설명할 수 있다. 감수 분열과 체세포 분열에서의 차이점을 설명할 때 이용할 수 있다.

▸ 참고자료 및 출처

- 서울대학교 과학교육연구소 중학교 3학년 자료집.