일반생물학 — 세포 분열·유전·진화

세포 주기와 유사분열

세포 주기 (Cell Cycle):

간기 (Interphase) - 전체의 90%:

G1기: 세포 성장, 단백질 합성
S기: DNA 복제 (염색체 수 = 2n, DNA 양 = 2배)
G2기: 분열 준비, 방추사 단백질 합성

유사분열 (Mitosis):

전기 (Prophase): 염색체 응축, 방추사 형성
전중기 (Prometaphase): 핵막 소실, 방추사 부착
중기 (Metaphase): 염색체 적도판 배열
후기 (Anaphase): 자매 염색분체 분리 → 양극 이동
말기 (Telophase): 핵막 재형성, 염색체 풀림

세포질 분열 (Cytokinesis):

동물: 수축환으로 세포 조임 분리
식물: 세포판 형성 (안쪽 → 바깥)

결과:

모세포 1개 → 딸세포 2개
유전정보 동일 (2n → 2n)
성장, 손상 세포 교체, 무성 생식

세포 주기 조절:

Cyclin·CDK: 세포 주기 진행 촉진
체크포인트: G1, G2, M기 중기
p53: 종양 억제 유전자 (손상 시 세포 주기 정지)
암: 세포 주기 조절 이상

감수분열 (Meiosis)

감수분열의 목적:

생식 세포 형성 (2n → n)
염색체 수 절반 (정자·난자)
유전적 다양성 생성

감수분열 1 (DNA 복제 없음):

전기 I: 상동 염색체 시냅시스 (접합), 교차 (재조합)
중기 I: 상동 염색체 쌍이 적도판 배열
후기 I: 상동 염색체 분리 (자매 염색분체는 분리 안 됨)
말기 I: 2n → n 딸세포 2개 (DNA 2배)

감수분열 2:

유사분열과 유사 (DNA 복제 없음)
자매 염색분체 분리
n 딸세포 4개 → 배우체(정자·난자)

유전적 다양성 원천:

교차 (Crossing Over): 비자매 염색분체 간 DNA 교환
독립 분류 (Independent Assortment): 상동 염색체 쌍의 무작위 배열 (2²³ 경우)
수정 (Fertilization): 두 배우체 결합

유사분열 vs 감수분열:

유사분열: 체세포, 2n → 2n, 딸세포 2개
감수분열: 생식기관, 2n → n, 딸세포 4개
감수분열 1에서 상동 염색체 분리가 핵심

DNA 복제와 중심 원리

DNA 복제 (Replication):

반보존적 복제: 각 딸 분자에 원래 가닥 1개 + 새 가닥 1개
복제 기점 (Origin of Replication): 복제 시작점
복제 분기점 (Replication Fork): 양방향 진행

주요 효소:

헬리카제 (Helicase): DNA 이중 나선 풀기
프리마제 (Primase): RNA 프라이머 합성
DNA 중합효소 III: 5’→3’ 방향 복제
DNA 중합효소 I: RNA 프라이머 제거·DNA로 교체
DNA 리가제 (Ligase): 닉(Nick) 연결

선도 가닥 vs 지연 가닥:

선도 가닥 (Leading): 연속적 합성
지연 가닥 (Lagging): 오카자키 절편 단속 합성
- 리가제로 연결

중심 원리 (Central Dogma):

DNA → RNA → 단백질

전사 (Transcription):

DNA → mRNA
RNA 중합효소: 프로모터에 결합
진핵세포: 핵에서 진행, 가공 후 세포질로
5’ 캡·폴리A 꼬리 추가, 인트론 제거(스플라이싱)

번역 (Translation):

mRNA → 단백질 (리보솜에서)
코돈(codon): 3염기 = 1아미노산 (64가지)
AUG: 시작 코돈 (메티오닌)
UAA·UAG·UGA: 종결 코돈
tRNA: 안티코돈 + 아미노산 운반

멘델 유전법칙

멘델의 3가지 법칙:

분리의 법칙:

한 형질의 대립 유전자 쌍은 배우체 형성 시 분리
Aa × Aa: 표현형 3:1, 유전자형 1:2:1

독립의 법칙:

다른 염색체의 유전자들은 독립적으로 분리
AaBb × AaBb: 9:3:3:1 (두 형질 독립 시)

우열의 법칙:

우성 유전자가 열성 유전자를 발현 억제

연관과 교차:

같은 염색체의 유전자: 함께 전달 (연관)
교차(Crossing Over): 연관 유전자도 재조합 가능
교차율 ∝ 유전자 간 거리 → 염색체 지도

성 연관 유전:

성 염색체(X, Y)에 위치한 유전자
색맹·혈우병: X 연관 열성 (남성에서 더 많이 발현)

멘델 이외의 유전:

불완전 우성: 표현형 중간 형태 (분홍 꽃)
공우성: 두 대립 유전자 모두 발현 (ABO 혈액형)
다인자 유전: 여러 유전자가 하나의 형질 (키, 피부색)
환경의 영향: 유전자형 + 환경 = 표현형

진화론

다윈의 자연선택 (Natural Selection):

집단 내 변이 존재
생존·번식에 유리한 변이 → 더 많은 후손
세대 반복 → 유리한 형질 집단 내 증가

진화의 메커니즘:

자연선택:

방향성 선택: 한 극단 유리
안정화 선택: 중간값 유리 (분산 감소)
분열 선택: 양 극단 유리 (다형성)

유전자 부동 (Genetic Drift):

무작위 변동, 소집단에서 효과 큼
병목 효과: 개체 수 급감 후 다양성 감소
창시자 효과: 소수 개체가 새 집단 형성

유전자 흐름 (Gene Flow):

집단 간 이동으로 유전자 교환
집단 간 유전적 차이 감소

돌연변이:

유전적 변이의 궁극적 원천
중립·유리·불리 돌연변이

하디-바인베르크 법칙:

조건: 무작위 교배, 이주 없음, 자연선택 없음, 돌연변이 없음, 대집단
p² + 2pq + q² = 1 (AA, Aa, aa 빈도)
진화 없는 집단 = 하디-바인베르크 평형
실제 집단은 평형에서 벗어남 → 진화 증거

자주 묻는 질문

Q. 유사분열과 감수분열을 쉽게 구분하는 방법이 있나요? A. 핵심 차이는 상동 염색체가 분리되는지 여부입니다. 유사분열에서는 자매 염색분체(복제된 동일 염색체)가 분리되어 동일한 유전정보의 세포 2개가 만들어집니다. 감수분열 1에서는 상동 염색체(아버지·어머니에서 온 다른 염색체 쌍)가 분리되어 염색체 수가 절반으로 줄어듭니다. 감수분열 2는 유사분열처럼 자매 염색분체가 분리됩니다.

Q. 하디-바인베르크 법칙이 진화 연구에 왜 중요한가요? A. 하디-바인베르크 평형은 ‘진화가 일어나지 않을 때 예상되는 유전자 빈도’를 기준선으로 제공합니다. 실제 집단의 유전자 빈도가 평형에서 벗어나 있다면 자연선택, 유전자 부동, 유전자 흐름, 돌연변이 중 하나가 작용하고 있다는 신호입니다. 즉, 진화가 일어나고 있음을 수학적으로 감지하는 도구로 사용됩니다.