■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	크리스탈 비즈 DNA 모형			실험 원리	DNA의 구조와 기능
실험 시간	50분	실험 분야	생물	실험 방법	개별 실험
세트구성물	크리스탈비즈(4mm) 4색, 크리스탈비즈(3mm) 2색, 원통형씨드비즈, 동선, 고정볼, 잠금장치, 핸드폰고리
교사준비물	니퍼 또는 펜치			학생준비물	가위
실험 결과	완성된 크리스탈 비즈 DNA 모형 1개를 가져갈 수 있습니다.
실험팁	* 보고서의 그림예시와 주어진 구슬의 색, 크기 등은 재료 수급 상황에 따라 달라질 수 있습니다. TIP 1. 사용된 크리스탈비즈는 크리스탈 비즈입니다. 구슬이 고가이고, 크기가 매우 작으므로 학생들이 다룰 때 주의를 주세요. TIP 2. 동선의 길이는 약 70cm정도로 잘라 시작하세요. TIP 3. 동선이 꼬이면 끊어질 수 있습니다. 주의하도록 지도하세요. TIP 4. 동선이 길어 옆 사람의 눈이나 손에 찔릴 우려가 있습니다. 조심하여주세요. TIP 5. 모형 안쪽의 염기배열은 선생님 임의로 조절하실 수 있습니다. TIP 6. 제일 위쪽 결합과 제일 아래쪽 결합이 360도 회전하여야 맞는 모형 입니다. TIP 7. 핸드폰 고리의 물음표 모양은 빼내고 O형 고리에 직접 끼우세요.

[생각해보기]

1. DNA는 어디에 있을까요?

모든 생물의 세포 내 핵 속에 있습니다.

2. DNA의 역할은 무엇일까요?

원리학습 참조

참고: 1차적으로는 아미노산의 결합을 결정하여 체내 단백질 합성을 주관합니다.

[실험방법]

1. 각 구슬에 해당하는 역할을 지정합니다.(예시-선생님 임의로 조정하실 수 있습니다.)

빨강- 아데닌(A),  노랑- 티민(T),  파랑- 시토신(C),  초록- 구아닌(G)

검정- 당(5탄당),   흰색- 인산,   원통형 비즈- 상보결합(뉴클레오티드결합)

[확인 학습]

DNA가 두 줄로 된 스프링이 늘어진 것처럼 보이는 구조를 무엇이라 부르나요?

이중나선구조(double helix)

DNA

핵산의 일종으로 유전자의 본체.

핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)라고 하는 단위물질이 많이 연결된 고분자 유기물이다. 이 뉴클레오티드는 염기, 탄수화물의 일종인 펜토오스(pentose), 그리고 인산이 각 한 분자씩 결합하여 구성된 것인데, 펜토오스가 디옥시리보오스(deoxyribose)이면 DNA(디옥시리보핵산)라고 하고, 리보오스이면 RNA(리보핵산)라고 구별하여 부른다. 따라서 DNA를 구성하는 뉴클레오티드는 염기 ·디옥시리보오스 ·인산 한 분자씩의 연결체이다.

이중 염기에는 아데닌(adenine:A)·구아닌(guanine:G)·시토신(cytosine:C)·티민(thymine:T)의 네 가지가 있다. 따라서, DNA를 구성하는 뉴클레오티드는 A를 가진 것, G를 가진 것, C를 가진 것, 그리고 T를 가진 것의 4종류가 있다. 이 4종의 뉴클레오티드가 무수히 많이 연결된 것이 DNA이므로 4종의 뉴클레오티드 배열순서에 따라 서로 다른 DNA가 만들어진다. 4종의 뉴클레오티드가 수천 개 또는 수만 개 연결될 때 그 배열순서에는 무한히 많은 종류가 있을 수 있으므로 그 결과 만들어지는 DNA의 종류도 무한히 많을 수 있다. 생물에 무수히 많은 종류의 유전자가 있을 수 있는 것은 DNA의 종류가 무수히 많을 수 있기 때문이다.

DNA의 분자구조

DNA의 분자구조는 1953년 미국의 J.D.웟슨과 영국의 F.C.크릭에 의해 해명되었다. 이구조는 2중나선(二重螺旋:double helix) 구조로서, 뉴클레오티드의 기다란 사슬 두 가닥이 새끼줄처럼 꼬여 있다. 이 구조는 마치 사다리를 비틀어서 꼬아놓은 것과 같은 것이라고도 할 수 있는데, 가령 이 새끼줄과 같은 2중나선을 똑바로 펴면 다음과 같은 구조가 된다. 여기서 A,G,C,T는 4종의 염기를 표시하고, S는 디옥시리보오스를, 그리고 P는 인산을 나타낸다.

사다리의 두 다리는 디옥시리보오스와 인산의 연결(-S-P-S-P…)에 해당하고, 사다리의 발판은 두 다리에서 직각으로 뻗어나와 서로 마주보고 있는 염기에 해당한다고 할 수 있다. 위의 구조에서 A와 T, 그리고 G와 C는 서로 짝을 이루고 있는데 그들 사이의 점선은 이 두 염기 사이에 형성된 약한 결합인 수소결합을 의미한다. A와 T 사이에는 두 곳에서 수소결합이 형성되어 있고, G와 C 사이에는 세 곳에서 형성되어 있다. 이 수소결합으로 2개의 서로 마주보는 염기가 붙들려 있으므로 사다리의 두 다리 또는 새끼의 두 가닥이 서로 붙들려 있게 된다.

DNA의 2중나선 구조에서 A는 반드시 T와, 그리고 G는 반드시 C와 마주보고 있다. 그 이유는 이 4종의 염기의 화학구조 때문인데 이렇게 짝지었을 때 비로소 두 가닥이 일정한 간격을 가지고 2중나선 구조를 유지할 수 있는 것이다. 따라서, DNA를 그 성분 뉴클레오티드로 완전히 분해한 다음 4종의 염기의 함량비를 측정해 보면 A의 함량(mol)은 T와 똑같고 G의 함량은 C와 똑같다. 이 A-T, G-C의 짝짓기는 DNA가 유전자로서의 기능을 나타내는 데 매우 중요한 의미가 있다. DNA의 2중나선 구조에서 나선의 한 바퀴 수직길이는 3.4nm(1nm〓1×10-m)이고 뉴클레오티드 10개가 나선 한 바퀴를 형성한다. 그리고 나선의 지름은 2nm이다.

DNA의 기능

바이러스나 대장균을 이용한 여러 가지 실험 결과 이 DNA는 바로 생물의 유전물질, 즉 유전자임이 1940년대에 분명하게 밝혀졌다. DNA가 유전자로서의 기능을 나타내려면, 첫째 DNA는 자신과 똑같은 새 DNA를 만들어낼 수 있어야 하고, 둘째 DNA는 어떤 방식으로 그 생물 특유의 유전형질을 나타낼 수 있어야 한다. 유전이라는 것은 자신과 닮은 새 개체를 만들어내는 현상이기 때문이다.

첫째의 기능, 즉 자신과 똑같은 DNA를 만드는 기능을 DNA복제라고 하는데, 새 DNA를 만들 때 DNA의 2중나선이 풀려서 2개의 외가닥 나선이 되고 각각의 외가닥 나선 위에 뉴클레오티드가 와서 붙는다. 이때, 외가닥 나선의 A가 있는 곳에는 화학구조의 특징으로 말미암아 반드시 T가 붙게 되고 G가 있는 곳에 C가 붙게 된다. 이렇게 A-T와 G-C의 짝짓기가 이루어지면, 원래의 뉴클레오티드와 새 뉴클레오티드 간의 결합이 이루어지고 이에 따라 새 사슬이 형성되면서 새 2중나선이 만들어진다.

따라서, 하나의 2중나선에서 2개의 2중나선이 생기게 된다. 그리고 새 2중나선의 염기 배열순서는 모체인 2중나선에서의 염기의 배열순서와 똑같게 되는 것이다. DNA 의 종류, 즉 유전자의 종류는 염기의 배열순서에 의하여 결정되는 것이므로 염기의 배열순서가 똑같은 새 2중나선이 2개 형성된 것은 유전자의 정확한 복제인 것이다. 세포가 분열할 때는 DNA의 2중나선이 위와 같이 풀려서 각각의 외가닥 사슬이 분열된 두 세포에 하나씩 들어가서 거기서 새 2중나선을 만들게 되므로 2개의 새 세포는 그 어버이 세포와 똑같은 유전자를 가지게 된다.

이와 같이 세포는 몇 번을 분열하여도 언제나 똑같은 유전자를 가진, 똑같은 세포가 되는 것이다. 이것은 A-T와 G-C의 충실한 짝짓기에 의해서 가능하게 된다. 한 개체가 생식을 통하여 자손을 만들 때에도 세포의 분열시와 마찬가지로 자손에게 물려진 어버이의 DNA가 그 자손의 체내에서 충실한 복제를 함으로써 어버이의 유전형질을 그대로 물려받은 새 개체가 만들어지게 된다.

유전자의 둘째 기능인 유전형질의 발현은 상당히 복잡한 과정을 거친다. 유전형질은 단백질에 의해 나타난다는 사실이 입증되었다. 즉, 어떤 특정 유전형질이라는 것은 어떤 특정 단백질의 존재를 의미하는 것이다. 단백질의 종류라는 것은 그 단백질의 구성 성분인 20종의 아미노산의 연결순서 또는 배열순서이기 때문에 유전자인 DNA가 특정 유전형질을 나타나게 하는 것은 특정 단백질의 아미노산 배열순서를 결정한다는 것을 뜻한다.