체세포 분열의 관찰

Ⅰ. 실험 목표

1) 세포는 세포로부터 만들어진다는 세포설을 이해한다.

2) 생명체의 생장이 세포분열에 의해 이뤄지고 있음을 이해한다.

3) 체세포 분열 과정을 관찰하여 각 단계의 특징을 확인한다.

Ⅱ. 개요 및 원리

세포분열은 개체의 성장, 신체의 유지 및 상처의 회복에 필수적인 과정이며, 또한 세포를 통해 유전적인 연속성이 유지됨으로 생명체에서 벌어지는 현상 중에서 가장 중요하다. 하나의 수정란이 세포분열을 통해 복잡한 개체로 발전하며, 우리 몸에서 혈액세포, 위벽세포들은 끊임없이 새로 만들어져 없어진 것을 보충한다. 넘어져 상처가 났을 때 세포분열을 통해 세포가 만들어져 치유가 된다.

동물과 식물세포는 구조상 차이가 있어 세포분열의 과정에 있어서도 다소 차이를 보이나 근본적으로 유사하다.

세포분열 과정은 핵분열과 세포질분열로 나누어진다. 핵분열을 통해 복제된 유전정보가 두 딸세포에 균일하게 나누어지며, 세포질분열은 핵분열이 일어난 후 세포질이 두 개의 새로운 세포로 나뉘는 과정이다. 각각의 딸세포는 완전한 유전정보를 갖게 된다.

핵분열은 그 양상에 따라 다시 유사분열과 무사분열로 구별되는데 체세포 분열과 감수분열은 모두 유사분열에 속한다. 체세포 분열을 일반적으로 유사분열이라고 하는데, 엄밀한 의미에서 유사분열은 핵 안에서 염색체와 방추사가 형성되면서 분열이 일어나는 과정이다. 이에 반해 무사분열은 직접분열이라고도 하며, 염색체와 방추사가 형성되지 않고 핵이 2개로 나누어지는 과정으로 자연적으로는 매우 드물게 일어난다.

한 세포가 분열을 완전히 마치고 다시 간기 상태로 돌아오는 한 싸이클을 세포주기라고 한다. 세포주기에는 간기 시기와 분열시기(혹은 유사분열 시기)로 나누어지며, 유사분열은 다시 전기, 중기, 후기, 말기로 나누어진다.

본 실험에서는 양파의 뿌리 끝 세포를 이용하여 체세포 분열의 과정을 관찰하여 각 단계별 특징을 알아보기로 하자.

Ⅲ. 실험재료

⑴ 기구

현미경, 슬라이드글라스, 커버글라스, 핀셋, 면도날, 해부침, 페트리접시, 스포이트, 비커, 알코올램프, 삼발이, 석면망, 온도계, 스탠드, 고무달린 연필 (없어도 됨)

⑵ 재료

에탄올, 아세트산, 염산, 아세트산카아민 또는 아세트올세인 염색액, 거름종이, 거즈, 실, 양파뿌리, 미리 준비해 둔 양파 근단의 영구표본 2개

Ⅳ. 실험과정

1) 양파의 뿌리 끝을 물로 씻어 고정액(에탄올 : 아세트산=3:1)으로 고정한다.

2) 고정된 뿌리를 60℃의 묽은 염산(1N HCl)에 5분 정도 담근 후 꺼내어 물로 씻는다.

3) 양파 뿌리 하나를 슬라이드글라스 위에 놓고 뿌리 끝에서 2mm 되는 부위를 면도날로 자른 다음 나머지 부위는 버린다.

4) 자른 뿌리 끝부분에 염색액 한 방울을 떨어뜨린 후 두 개의 해부 침을 이용하여 잘게 찢는다.

5) 약 1분 후 핀셋을 이용하여 커버글라스를 덮는다. 기포가 있을 경우 해부 침의 뒤쪽으로 가볍게 5-6회 두드려 기포를 제거한다.

6) 거름종이를 프레파라트 위에 얹고 커버글라스의 한쪽 끝을 왼손 검지 손가락으로 눌러 움직이지 않도록 조심하면서 오른손 엄지손가락으로 가운데 부분을 꼭 눌러준다.

7) 광학현미경을 이용하여 관찰한다. 저배율로 관찰을 하여 초점을 맞춘 후 고배율로 높여간다.

Ⅴ. 실험결과

1) 세포분열의 각 단계를 찾아 스케치하고, 각 부분의 명칭을 쓰시오.

2) 염색체는 어느 단계에서 가장 뚜렷하게 보이는가?

3) 양파의 염색체 수는 몇 개인가?

4) 세포판을 가진 세포를 스케치하시오.

5) 임의의 세포 100개를 관찰하고, 간기를 포함하여 각 단계의 출현 빈도를 조사하시오.

Ⅵ. 토론

1) 식물세포와 동물세포의 유사분열은 어느 점이 다른가?

2) 세포가 잘 흩어지지 않고 겹쳐 있다면 실험 과정 중 어디에 문제가 있었다고 생각되는가?

3) 정상 세포는 어느 이상 세포분열이 일어나면 더이상 분열하지 않는가?

4) 사람에게서 세포분열이 멈추지 않고 지속적으로 일어남으로써 생기는 질병은 무엇인가?

5) 각 단계의 출현 빈도를 참조할 때 세포주기에서 가장 긴 단계는 무엇이라고 생각되는가?

Ⅶ. 참고사항

1) 양파 뿌리 주문

양파 뿌리는 고정 또는 해리가 끝난 상태로 보내집니다. 한 병당 35개 정도가 들어 있는 관병이 제공됩니다. 따라서 8개 반이면 8 관병이 필요하며, 주문하여 도착한 관병은 냉장고에 보관하시는 것이 좋습니다. 양파 뿌리와 함께 아세트올세인 염색액이 함께 제공됩니다. 염색액은 오래되면 침전이 생겨 염색의 효과가 떨어지기 때문에 가능한 한 새로 구입하여 쓰시는 것이 좋습니다. 또한 실험 시 관찰을 못한 학생들의 위해 영구프레파라트를 준비하시면 학습 효과을 확대시킬 수 있을 것입니다.

생물나라에서 키운 양파 뿌리는 특수하게 배양된 것으로 만족스런 결과를 줄 것입니다.

2) 해리 방법 (칼라 매뉴얼에 참고)

보내 드린 양파 뿌리는 70% 알코올에 담겨 있다.

먼저 250 ml 정도 되는 비커에 물을 적당량 넣고 60℃가 될 때까지 끊인다. 60℃에 도달하면 불을 끄고 관병 속에 들어 있는 알코올을 버리고 1N 염산을 넣는다. 염산이 들어 있는 관병을 비커에 넣고 약 5분 동안 중탕을 실시한다. 중탕이 끝나면 관병을 꺼내어 염산을 버리고 관병 속에 물을 넣는다.

관병 속의 물과 양파 뿌리를 페트리 접시에 쏟아 내는데, 해리된 양파 뿌리는 부숴지기 쉬우므로 조심스럽게 다루어야 한다.

3) 지도상의 유의점

① 양파 근단을 이용한 체세포 분열 관찰 실험은 식물의 뿌리 구조를 직접 관찰하며 생물의 생장과 세포분열과의 관계를 공부할 수 있는 좋은 실험재료입니다.

② 제공된 양파 뿌리는 고정, 해리가 끝난 단계로 가능하면 빠른 시일 내에 사용해야 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

③ 제공되는 염색액은 대학실험실에서 사용되는 정제된 것이지만 보관 기일이 오래되면 침전이 생길 수 있습니다.

이 경우에는 염색액을 모두 모아 거름종이로 한번 걸러 주시면 됩니다.

④ 함께 제공되는 세포분열 각 시기를 촬영한 사진이 있는 메뉴얼을 참고하여 학생들이 각 단계를 모두 관찰할 수 있게 하시고 제대로 관찰하지 못한 학생들은 두, 세번 더 시도할 기회를 주십시오.

⑤ 커버글라스를 덮을 때 기포가 들어가지 않게 하는 법, 저배율에서 고배율로 관찰하는 법 등 기초적인 주의 사항을 실험 전에 다시 한번 상기시키는 것이 좋습니다.

⑥ 이 실험에서는 세포질이 염색되지 않으므로 핵막형성체 및 세포판은 관찰되지 않습니다.

⑦ 세포분열 과정의 각 단계를 정확히 관찰하여 스케치하도록 지도합니다. 이때, 둥근 원 모양의 현미경의 시야와 배율을 반드시 나타내도록 지도해 주십시오. 또한 자신이 관찰한 내용을 그릴 때 시야의 크기에 맞는 배율로 나타내야 한다는 것도 지도해 주십시오.

x100의 배율에서 시야의 중앙에 아주 작게 나타나는 상을 그림으로 그릴 때는 시야에 가득 차게 그리는 학생들이 있습니다. 보고서는 자신이 관찰한 바를 다른 사람들이 알게 하는데 목적이 있는 것임을 학생들에게 주지해 주십시오.

4) 세포주기 (Cell Cycle)

세포분열을 하는 진핵생물들은 하나의 세포가 분열하여 두 개의 딸세포가 되고 새로 생긴 딸세포가 다시 분열하는 사건의 연속인 세포주기를 갖는다. 세포주기는 간기와 유사분열로 되어 있다.

간기는 세포주기의 대부분 (약 90%)를 차지하고 있으며, 과거에는 휴면상태로 생각하여 휴지기라고 불렀다. 하지만 간기에 세포 대사가 매우 활발하게 일어나고 있다. 간기는 G1, S, G2 시기로 나누어지는데, G는 Gap에서 온 것이며, S는 synthesis에서 온 것이다.

G1 시기에는 단백질, 탄수화물, 지방 등이 합성되며, 미토콘드리아, 리보솜과 같은 세포 내 소기관의 수가 증가한다.

또한, 세포분열 후에 작아진 세포가 커지는 시기 즉, 세포의 성장이 일어나는 시기이다. 세포분열이 일어나지 않는 세포는 세포의 한 평생동안 이 단계에 머물러 있다. 어떤 세포는 G1에서 G0라는 시기로 빠져나가 더 이상 분열을 하지 않는 경우도 있다. 복제 동물인 복제 양 돌리는 바로 세포를 G0 상태로 돌려놓은 후 핵이 제거된 난자 세포와 융합하여 핵이식이 수행하여 얻어졌다.

S 시기에는 DNA가 복제가 일어난다. 따라서 단일체 염색체가 두 개의 염색분체로 된다.

G2 시기에도 G1 시기처럼 세포 대사 활동이 왕성하게 일어난다. 세포분열에 관계하는 단백질의 합성도 일어나고, 세포분열 때 필요로 하는 세포막 성분들이 합성된다.

세포분열은 핵과 염색체를 포함하여 핵 내 여러 물질이 나뉘어 딸세포로 똑같이 이분되는 핵분열(mitosis)과 세포질이 둘로 나뉘는 세포질분열(cytokinesis)로 나뉜다. 체세포 분열은 진핵세포에만 있는 독특한 기작으로 염색체 상의 많은 유전정보를 복제하여 두 개의 딸세포로 균등하게 배분하기 위해 진화된 것으로 생각되며, 매우 정교하게 일어난다.

효모를 이용하여 실험한 결과 염색체가 잘못 나뉘어지는 빈도는 약 1/100,000 정도로 매우 드문 것으로 밝혀졌다.

5) 학습용어

① 염색체: 진핵세포에서 단백질과 결합된 DNA를 나타내며, 세포분열 중기 때 가장 응축된다. 단백질은 주로 히스톤이며, 그 외에 비히스톤 계열의 단백질이 붙는다.

② 상동염색체: 감수분열 때 짝을 지으며, 같은 유전적 좌위와 구조를 갖는 염색체들이다.

③ 염색분체: 염색체가 복제됨으로써 만들어지고, 동원체에 연결되어있는 일종의 자매 염색체이다.

④ 중심체: 방추사가 만들어지는 곳이다. 이곳에서 만들어진 방추사는 염색체의 동원체에 붙어 염색체를 끌어당기는 역할을 한다.

⑤ 동원체: 방추사가 붙는 염색체의 자리로 염색체 중에서도 특히 매우 응축되어있는 부분이다.

⑥ 핵: 유전정보를 가지고 있는 세포 내의 핵심적인 지역으로 사람의 뇌와 같은 역할을 수행한다.

⑦ 세포질: 핵 이외의 지역을 세포질이라고 하며, 세포 대사가 활발하게

일어나는 장소이다.

⑧ 세포소기관: 핵, 미토콘드리아, 소포체 등 세포내에서 특수한 기능을 가지면서 막으로 되어 있는 세포내의 작은 세포내 기관

⑨ 히스톤 단백질: 염색체를 구성하는 단백질로 DNA는 -를 띠고 있는 반면, 히스톤은 + 전기를 띠고 있어 DNA-히스톤 단백질 간에 적절한 화학결합을 하고 있다.

⑩ DNA 이중나선: 핵 속에 있는 DNA가 이중의 나선 형태로 되어 꼬여 있다. 왓슨과 크릭이 1953년에 밝힌 구조로 현대 생물학의 발달을 가져오게 한 동기가 되었다.

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