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바이오분야개발목록및관련교육과정내용 차시학년제목내용교육과정 초 생물의표면은어떤공통점과차이점이있을까? 사람의피부동물의피부식물의표면생물표면의공통점과차이점 초3-4 과학동물의세계, 식물의세계 (2007, 2009) 초 실과생활속의동식물 초5 미술표현 (2007, 2009) 초 초 초 씨앗과생체모방씨앗에서배워요. 생체모방기술을응용한발명가늘지만힘센머리카락의특징머리카락머리카락으로물건만들기심장과펌프의닮은점두근두근내펌프체험하기심장은펌프인공심장과인공장기미래의인공장기디자인하기 초 과학식물의한살이 초 실과생활속의동식물 초3-4 미술표현 (2007, 2009) 초5-6 과학 1. 우리몸 (2007, 2009) 초5-6 미술표현 (2007, 2009) 초5-6 실과생활속의동식물 (2009) 초 과학우리의몸 초 실과생활속의전기전자 초 실과생활속의동식물 중중중고 식물의색은무엇에의해결정될까 작지만넓은지문의세계로빠져봅시다핏자국은어디에서날아왔을까 유전자는우리몸에서무엇을하고있을까 보이는색, 보이지않는색변화하는꽃색의비밀식물의색이완성되려면빛공간상자를만들어보자! 빛이만드는색깔여러가지지문방법지문에도스타일이있다! 똑같은지문을찾아라특별한핏자국의모양핏자국모양으로발혈점찾기 DNA 유전암호로음악을? 유전암호를연주해보자유전암호한개의변화유전자치료 중 과학식물의구조와기능 광합성 중 물질의구성 중 미술표현 중 과학유전 중 수학확률과통계 중 기술 가정생명기술의세계 중학교과학소화, 순환, 호흡, 배설 (2007, 2009) 중학교과학힘과운동 (2007, 2008) 고 과학생명의진화 고 생명과학 유전자와형질발현 고 음악음악적표현과소통 고 어떻게하면건강하게생활할수있을까 어떻게움직일까? 흰근육과빨간근육건강하게생활하려면! 고생명과학 자극의전달 고물리 힘과에너지의이용 고 체육보건체육활동 고 어떻게하면김치를알코올발효안전하게운송할수김치만들기있을까 안전한김치운송방법고안 고 생명과학 세포와에너지 발효

목 차 1. 유전자는우리몸에서무엇을하고있을까? 1차시. DNA 유전암호로음악을? 7 2차시. 유전암호를연주해보자 23 3차시. 유전암호한개만바뀌었을뿐인데 37 4차시. 유전자치료는어떻게하지 53 2. 어떻게하면건강하게생활할수있을까? 1차시. 닭발, 어떻게움직일까? 71 2차시. 흰근육과빨간근육은무엇이다를까? 85 3차시. 건강하게생활하려면! 99 3. 어떻게하면김치를안전하게운송할수있을까? 1차시. 알코올발효 115 2차시. 김치를만들어보아요 125 3차시. 택배회사의고민 137

융합인재교육 (STEAM) 주제별프로그램개발 - 바이오 유전자는우리몸에서무엇을 하고있을까? 고등학교용

교육과정관련안내 교육과정 과학 (3) 생명의진화 5염색체, 유전자, DNA의개념을이해하고, 지구상의모든생명체가동일한유전암호를사용하는것에근거하여생명의연속성을이해한다. 생명과학Ⅰ(2) 세포와생명의연속성유전자의전달을통한생명의연속성을세포분열, 염색체행동, 유전현상과관련지어이해한다. ( 나 ) 유전 3염색체이상과유전자이상으로인한현상을이해한다. 생명과학Ⅱ (2) 유전자와생명공학생물의형질발현을유전정보의특성, 유전자발현및조절과관련지어이해하고, 생명공학기술을유전자에관한지식과관련지어설명할수있다. ( 가 ) 유전자와형질발현 2유전자로부터단백질이합성되는과정을이해한다. ( 나 ) 생명공학 2생명공학의발달과정과가능성및사회적쟁점을인식한다. 해설 -본수업은유전정보의특성, 유전자발현, 유전자이상으로나타나는여러가지유전병의내용을기초로한다. -유전자형질발현의원리를이용하여악보를만들어연주해보고, 이를새롭게경험할수있는상상력을키운다. - 유전암호해독시제기되는여러문제들을해결해봄으로써개시코돈, 종결코돈의개념을이해하고, 염기서열순서가달라졌을때의경우를통해돌연변이의개념을이해한다. -유전적결함의진단및유전자치료등생명공학기술을이해하고생명공학기술의원리와활용, 사회적쟁점등에대해토론함으로써과학적소양을함양한다. - 3 -

스팀요소 S T A M 유전자의형질발현, 돌연변이, 유전자치료 DNA유전암호를이용하여악보제작하기악보를연주하고차이점찾아내기 DNA 4개의염기가 20가지의아미노산을결정하는경우의수계산하기단백질을암호화하기위해필요한염기수와전체게놈에서유전자가차지하는비율계산하기 - 4 -

유전자는우리몸에서 무엇을하고있을까? 암호를풀어라 출처 : 크립토스암호문 http://www.wired.com/science/discoveries/magazine/17-05/ff_kryptos?currentpage=all# 암호를풀어라 오늘은즐거운동아리시간. 컴퓨터실로들어간생물반동아리친구들은칠판에쓰여있는알수없는알파벳을보고어리둥절했습니다. JHQHWLFFRGH 알수없는철자들의나열이암호임을눈치챈친구들은이리저리머리를굴려암호를해독한후컴퓨터의패스워드를넣고컴퓨터를할수있었답니다. 친구들은이암호를어떻게해독했을까요? 생명체의유전정보도암호화되어 DNA에저장되어있는데이유전암호는어떻게해독되며어떤과정을거쳐형질로발현되는것일까요? - 5 -

유전자는우리몸에서무엇을하고있을까? 차시주제활동내용 연계 교과 / 단원 1 DNA 유전암호로 음악을? 유전자발현 - 형질발현과단백질간의관계설명 - DNA에담겨있는유전정보가어떻게단백질합성을결정하는지생각해보기 - 유전정보에따라단백질이합성되는원리를응용하여유전정보를악보로만들어보기 생명과학Ⅱ 유전자와형질발현음악과진로악곡을구성하는기본요소 염기서열을이용한악보연주해보기 - 스마트폰어플리케이션에서다운받은피아노 생명과학 Ⅱ 건반을이용하여모둠별악보연주하기 유전자와 유전암호를 -DNA 염기가지정한음표가다를때일어나는 형질발현 2 연주해보자 문제점찾기 코돈표와같이염기와음표가지정된표를 음악과진로 이용하여악보만들기 악곡을구성 - 지정한음표에따른각모둠별악보제작 하는기본요소 3 유전암호한개만바뀌었을뿐인데 A형혈액형염기서열연주하기 -개시코돈, 종결코돈개념알아내기 염기치환, 삽입, 결실의경우연주하기 -돌연변이개념알아내기 생명과학Ⅱ 유전자와형질발현음악과진로악곡을구성하는기본요소 생명과학 Ⅱ 4 유전자치료 어떻게하지? 유전자치료의윤리적문제토의하기 - 유전자치료설명, 유전자치료사례소개 - 유전자치료의윤리적문제토의및토의내용정리 유전자와형질발현생활과윤리 (2009)_(3) / 과학기술 환 경 정보윤리 - 6 -

1 차시 DNA 의유전암호로음악을? 교사용교재

수업지도안 단원 Ⅱ. 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 ( 생명과학 Ⅱ) 연계단원고 1 음악음악적표현과소통 (2009) 수업차시 1 차시지도대상고 2, 3 학년 활동유형 교과학습 목표 토론, 설계 1. DNA 유전암호의해독과정을이해한다. 2. 유전암호의해독과정원리를이용하여악보를만들수있다. 교과연계 성 고등과학 고등 생명과학 Ⅱ 생명의연속성 2. 유전암호 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료및유의점 형질에대해질문하기 다양한종류의형질사진을제시하고, 형질이란무엇 이며형질은어떻게나타나는것인지질문하여유전 자, 단백질, 형질의관계를이해하고있는지알아본다. 형질은사람의눈동자색깔, 머리카락모양, 피부색, 혈액형 도입 과같이생물이지닌여러가지특징이다. 유전자가어떤단백질을만들어낼것인가를결정하고생성된단백질은생물고유의형질을나타나게한다. 우리몸에서단백질이하는일과세포가단백질을어떻게만드는것인지를질문하고설명한다. 10 형질사진 단백질이하는일을정리한 ppt자료 단백질은세포들의삶을직접적으로조절하는결정적역할 을담당한다. 세포는자신의모양을유지하고광합성과호 흡같은중요한화학반응의속도를촉매하기위하여단백질 을이용한다. 세포는생존에필수적인단백질을제대로생 산하지못하다면죽을수밖에없다. - 9 -

학습단계 유전자발현 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 유전정보는아미노산을지정함으로써단백질을합성함을 설명하고유전정보를이용하여악보를제작할방법을생각 하게한다. 음표 20 가지제시 음의높이를결정하는코드 ( 계이름 ) 20 가지를제시하고 4 개의염기가음표를지정하는방식을생각하게한다. 본활동 매우다양한단백질의형태와크기를결정하는유일한요인은단백질을이루는아미노산순서뿐이며동식물을포함하는모든생명체의단백질사슬을만드는데는단지 20종류의아미노산만이참여한다. 유전자에 35 분 오선지 A4용지 20 종류의음표 A형염기서열표 는단백질합성에필요한정보, 즉단백질의아미노산 배열순서가저장되어있다. 유전자가단백질의아미 노산을지정하여그결과형질을발현하는원리를유 전자가 20 종류의음표 ( 아미노산 ) 를지정함으로써다양 한악보 ( 형질 ) 가만들어질수있음을연결지어설명한 다. 이때음표의길이는모두 4 분음표로한다. 혈액형 A 형의염기서열로악보를그린다. 각모둠별로 A 형의염기서열에따른악보를제작한다. 3 개의유전정보가하나의묶음으로유전정보를저장 하는트리플렛코드의개념을이해하게한다. 차시예고 모둠별로만든악보를이용해연주할것임을예고한다. 각조별로스마트폰어플리케이션으로다운받은피 아노건반을이용하여연주할것임을예고한다. 정리 수업이끝나기전각모둠의대표학생에게같은어플리케이션을다운받게한다. 예 ) 안드로이드건반 5 분 또는컴퓨터를이용할경우포털사이트검색창에피아노연 주프로그램이라는검색어를넣으면여러개의무료프로그 램이있으므로사용할컴퓨터에다운받아놓는다. ( 예 : SimplePiano) - 10 -

01. DNA 유전암호로음악을? 한때영화와노래에 B형남자 가소재로쓰이면서 B형남자 들은정말성격이변덕스러울까? 라는의문을갖는사람들이많았다. A형, B형, AB형, O형의혈액형은무엇에의해결정되는것일까? 다양한생물의형질은어떻게결정될까? 같은반친구들의혈액형, 혀말기, 귓불형태, 새끼손가락모양, 머리선모양등 을조사해보면서로다른것을알수있다. (1) 혈액형, 혀말기등과같이생물이나타내는고유한특성을무엇이라하는가? 사람의눈동자색깔, 머리카락모양, 피부색, 혈액형등과같이생물이나타내는고유한특성은형질이다. (2) 생물체의이러한특성은무엇에의해결정되는것일까? 형질을결정하는유전정보는 DNA에있으며, 유전정보가있는 DNA의특정부분을유전자라고한다. 그리고유전자로부터형질이표현되기까지의과정을형질발현이라고한다. (3) 부모로부터받은유전자는어떻게형질을결정할수있을까? 형질발현은단백질합성과밀접하다. 즉유전자가어떤단백질을만들어낼것인가를결정하고생성된단백질은생물고유의형질을나타나게한다. - 11 -

DNA 유전정보를이용해악보만들기 활동유전정보를악보로표현해보아요. 형질을표현하는것은서로다른기능을갖는단백질때문입니다. 단백질합성을결정하는것은바로 DNA이죠. 즉단백질을이루는폴리펩티드사슬내의아미노산서열은 DNA상의염기의유전정보에의해결정됩니다. DNA 의유전암호가아미노산을지정하여단백질을합성하듯이유전암호가 음표 ( 코드 ) 를지정한다면유전암호를해독하여악보를만들수있지않을까요? 목표 1. 형질발현과정을이해할수있다. 2. 유전정보가단백질을합성하여형질로발현되는원리를적용하여악보를만들수있다. 3. 계이름 ( 코드 ) 을악보에옮겨적을수있다. 유의사항 A 형염기서열의개수 (1063 개 ) 중 1 번부터 120 개의염기만해독한다. 지도시주의사항악보를제작하는것이중요한것이아니라형질발현과정을이해하는것이목표이므로염기가지정하는음표가아미노산이라면악보는단백질 ( 형질 ) 이된다는것을이해하도록지도한다. 준비물 오선지, A 형혈액형염기서열, 음표 20 종, A4 용지 - 12 -

설계방법 1. 4 개의염기가그림의음표 ( 코드 ) 20 개를지정할수있는방법을생각한다. (1) 염기하나가음표 ( 코드 ) 1개를지정한다면 4개의염기로몇개의음표 ( 코드 ) 를지정할수있는가? 4개 (2) 염기 2개가짝을지어음표 ( 코드 ) 1개를지정한다면 4개의염기로몇개의음표 ( 코드 ) 를지정할수있는가? 16개 (4 4=16) (3) 몇개의염기짝을지어음표 ( 코드 ) 를지정해야 20종류의음표를모두지정할수있는가? 3개 ( 지정할수있는염기의조합수는총 64개. 4 4 4) 2. 염기가지정해야할음표를보고염기가음표를지정하는표 ( 유전암호 ) 를작성한다. 3. A형의염기서열 (1번부터 120개까지 ) 을해독하여악보를완성한다. 교사지도 Tip DNA 염기종류가 4 개이고, 음표 ( 코드 ) 는 20 개이므로 DNA 유전암호가 20 개 이상이될수있는조합을생각해야함을주지시킨다. 학생들이 3 자리유전암호를사용한다는것을알게한후배부한 A4 용지에 3 개의염기서열로이루어진유전암호의경우의수 (64 개 ) 를코돈표와같이만들 수있도록유도한다. A G C T A G T C AAA AGA ATA ACA A AAG AGG ATG ACG G AAC AGC ATC ACC C AAT AGT ATT ACT T GAA GGA GTA GCA A GAG GGG GTG GCG G GAC GGC GTC GCC C GAT GGT GTT GCT T CAA CGA CTA CCA A CAG CGG CTG CCG G CAC CGC CTC CCC C CAT CGT CTT CCT T TAA TGA TTA TCA A TAG TGG TTG TCG G TAC TGC TTC TCC C TAT TGT TTT TCT T - 13 -

A 형을지정하는염기가모두 1063 개이므로모두해독하는데시간이많이 걸리므로 120 개의염기만해독하게한다. 반드시 1 번부터해독할필요는없지 만모둠별로반드시같은부분을해독하게하도록지도한다. 시간상으로악보를그리기어려울때는아래의예와같이염기서열종이 에코드만표시하도록한다. 예 ) 설계방법에서주어진음표의경우 과 # 이많아다음차시에연주를하면다양한높낮이의음이연주되지않는다. 그러므로오선지에악보를그리지않고염기서열종이에코드만표시하는경우에는 과 # 의코드보다는 1옥타브더낮은코드나더높은코드를제시하는것이다음차시에서연주할때듣기좋을수있다. 결과및토론 1. 몇개의염기가코드 ( 계이름 ) 하나를지정하도록설정하였는가? 또한그렇게설정한이유는무엇인가? 코드는 20개이고 DNA 염기의종류는 4개이다. 그러므로유전암호종류가 20종이상이되려면 3개의염기로구성되어야한다. 2. 염기가지정한음표 ( 코드 ) 와염기서열에따라제작된악보는각각형질발현 과정에서무엇에해당하는가? 음표는아미노산, 악보는단백질로형질이된다. 3. 진핵세포에서유전정보를가진 DNA는핵속에안전하게보관되어있다. 그러나단백질합성은세포질에서일어나므로 DNA의암호는세포질로이동하여야한다. 중요한정보를지닌 DNA가유전정보를운반하기위해직접핵과세포질을이동한다면 DNA의정보가손상될수도있다. DNA 유전정보가손상되지않고세포질로이동하기위해서는어떤방법을사용하는것이좋을까? 관련유전자의일회용복사품 (mrna) 을만들어복사품이단백질합성장소로이동한다. 교사지도 Tip 진핵세포에서 DNA가위치한핵과단백질합성이일어나는세포질이핵막에의해분리되어있으므로핵에서먼저전사가일어난후 RNA가세포질로이동하여단백질합성에이용됨을이해하도록지도한다. - 14 -

원리트리플렛코드 DNA의염기는 4 종류인데반해단백질을이루는아미노산은 20종류이상이므로 DNA의유전암호는 20종류이상이어야한다. 만약 4종류의염기를 2개씩조합하여 AA, AT, AC... 같은암호를만들면 4 2 =16종류의암호가생기므로 20종류의이상의아미노산을모두지정할수없다. 하지만 4종류의염기를 3개씩조합하여 AAA, AAC, AAT... 같은암호를만들면 4 3 =64종류의암호가생성되므로 20종류이상의아미노산을충분히암호화할수있다. 실제로 DNA의유전암호는 3개의염기로구성되어있는데이를트리플렛코드라고한다. 본차시에서는 20개의음표를주고 DNA 염기가음표를지정하게하는방법을생각해보게함으로써트리플렛코드의개념을이해할수있다. 생명의중심원리유전자발현과정에서 DNA의유전정보는곧바로단백질합성을지시하지못한다. 따라서 DNA의유전정보를단백질합성과정으로전달해주는중계자가필요한데이러한역할을하는물질이 RNA이다. 즉유전자에담겨진정보는 DNA RNA 단백질 의순서로전달되어발현되며이러한유전정보의흐름을생명의중심원리라고한다. - 15 -

A 형염기서열 1 A T G G C C G A G G T G T T G C G G A C G C T G G C C G G A A A A C C A A A A T G C C A C G C A C T T C G A C C T A T G 6 1 A T C C T T T T C C T A A T A A T G C T T G T C T T G G T C T T G T T T G G T T A C G G G G T C C T A A G C C C C A G A 1 2 1 A G T C T A A T G C C A G G A A G C C T G G A A C G G G G G T T C T G C A T G G C T G T T A G G G A A C C T G A C C A T 1 8 1 C T G C A G C G C G T C T C G T T G C C A A G G A T G G T C T A C C C C C A G C C A A A G G T G C T G A C A C C G T G G 2 4 1 A A G G A T G T C C T C G T G G T G A C C C C T T G G C T G G C T C C C A T T G T C T G G G A G G G C A C A T T C A A C 3 0 1 A T C G A C A T C C T C A A C G A G C A G T T C A G G C T C C A G A A C A C C A C C A T T G G G T T A A C T G T G T T T 3 6 1 G C C A T C A A G A A A T A C G T G G C T T T C C T G A A G C T G T T C C T G G A G A C G G C G G A G A A G C A C T T C 4 2 1 A T G G T G G G C C A C C G T G T C C A C T A C T A T G T C T T C A C C G A C C A G C T G G C C G C G G T G C C C C G C 4 8 1 G T G A C G C T G G G G A C C G G T C G G C A G C T G T C A G T G C T G G A G G T G C G C G C C T A C A A G C G C T G G 5 4 1 C A G G A C G T G T C C A T G C G C C G C A T G G A G A T G A T C A G T G A C T T C T G C G A G C G G C G C T T C C T C 6 0 1 A G C G A G G T G G A T T A C C T G G T G T G C G T G G A C G T G G A C A T G G A G T T C C G C G A C C A C G T G G G C 6 6 1 G T G G A G A T C C T G A C T C C G C T G T T C G G C A C C C T G C A C C C C G G C T T C T A C G G A A G C A G C C G G 7 2 1 G A G G C C T T C A C C T A C G A G C G C C G G C C C C A G T C C C A G G C C T A C A T C C C C A A G G A C G A G G G C 7 8 1 G A T T T C T A C T A C C T G G G G G G G T T C T T C G G G G G G T C G G T G C A A G A G G T G C A G C G G C T C A C C 8 4 1 A G G G C C T G C C A C C A G G C C A T G A T G G T C G A C C A G G C C A A C G G C A T C G A G G C C G T G T G G C A C 9 0 1 G A C G A G A G C C A C C T G A A C A A G T A C C T G C T G C G C C A C A A A C C C A C C A A G G T G C T C T C C C C C 9 6 1 G A G T A C T T G T G G G A C C A G C A G C T G C T G G G C T G G C C C G C C G T C C T G A G G A A G C T G A G G T T C 1 0 2 1 A C T G C G G T G C C C A A G A A C C A C C A G G C G G T C C G G A A C C C G T G A - 16 -

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참고자료 유전자와형질발현 1. 생명의중심원리 ( 센트럴도그마 ) 단백질은세포들의삶을직접적으로조절하는결정적역할을담당한다 세포는자신의모양을유지하고광합성과호흡과같은중요한화학반응의속도를촉매하기위하여단백질을이용한다 세포는생존에필수적인단백질을제대로생산하지못한다면죽을수밖에없다 예를들면 단백질중의일부는화학반응을촉매하는효소로작용한다 이러한화학반응들은효소가자신의활성부위에기질을결합시킨후일어나는데 효소의활성부위와기질은크기 모양 화학적성질등이서로일치되어있다 효소의활성부위의크기 모양 화학적성질은효소내아미노산의조합에의해결정된다 세포가효소를제대로만들기위해서는효소를합성하는동안세포는단백질내에정확한아미노산서열을갖도록조절할능력을지녀야한다 이러한조절은세포내 분자에유전정보로저장되어있다 분자는세포가필요로하는모든다른단백질을만들기위한일종의청사진을포함하고있고특정단백질을암호화하고있는 가닥을유전자 라고한다 세포가 내에저장된정보를어떻게이용하는지에대한개념을센트럴도그마 라고하며첫번째과정은전사 이다 전사과정을통해 의유전정보는 형태의유전정보로복사되고복사된 는해독 에이용된다 해독은 를주형으로단백질합성을하는과정이다 는유전물질로서기능을발휘할수있도록하는네가지성질을보유하고있다 세포나생물체의특성을결정짓는정보저장 이러한정보를세포나생물체를유지하는데필수적인구조단백질들을합성하도록지휘하는데사용 변이 또는화학적변화로이것을미래세대에전달 자신의복사본을만들도록명령함으로써복제가능출처 생명과학이야기 라이프사이언스 - 20 -

참고자료단백질이하는일생물의다양성은단백질분자의종류와배열의차이에서찾을수있다 우리몸의세포에서물을제외한무게의절반이상이단백질이다 단백질은일상생활의여러작업을수행하며세포의모양과독특한능력을갖게한다 효소효소는분자들의분해와결합속도를빠르게해주는촉매이다 효소의표면은특정한분자를인식할수있는특별한모양으로되어있는데이것은자물쇠가특정한열쇠로만열수있는것과비슷하다 효소는자신이일으키는변화에영향을받지않기때문에다시사용될수있다 수송세포막에있는특수한수송단백질은세포의안과밖의물질을통과시키는통로와펌프의역할을한다 이동단백질사슬의모양은대부분약하고쉽게끊어지고다시붙은화학결합에의해결정되기때문에이사슬들은에너지의출입에따라짧아지거나길어지거나그리고모양이바뀔수도있다 지지접히거나꼬인단백질의긴사슬은기둥 재목 합판 시멘트혹은못등에해당하는세포의얇은판이나관을형성할수있다 조절어떤화학물질을다른물질로전환시키는효소들은이작업을몇단계에걸쳐서수행한다 회로내의첫번째효소는언제최종생산물이충분히만들어져생산라인을닫아야할지를감지한다 피드백에응할수있는이런능력은조절단백질의구조때문이다 통신세포들이조화롭게일하기위해서는서로정보를교환해야한다 호르몬같은단백질은세포의화학적전령역할을수행한다 수용체단백질은들어오는신호를받기위해수용세포의표면에위치한다 방어항체는박테리아나바이러스같은외부물질을인식해결합할수있는특수한구조로된단백질이다 항체가외부물질을둘러싸면백혈구의식세포와같은청소세포가이들을파괴해몸밖으로몰아낸다 출처 생명과학이야기 라이프사이언스 - 21 -

평가 학생들이형질발현의과정을이해하고유전암호를음표로변환하여 DNA 염기서 열에따라악보를제작할수있는지평가한다. 평가영역통합적사고창의적설계 -문제정의 -창의성- 가치타협 -해법제시 감성적터치 -재미 -감성 -열성 -능동적 -실천 -배려 -다양성인정 교사의견및채점평가 평가기준형질발현과정을이해하고유전암호를이용하여악보를만들수있는가? 진핵세포에서 DNA의유전정보가단백질합성과정으로전달해주는중계자의필요성을이해하는가? DNA 4종류의염기를사용해 20종류의음표를지정할수있는가? 혈액형 DNA 염기서열을이용해악보를만드는데적극적으로참여하였는가? 서로의경험을나누고, 의견을모으는등협력적인태도를갖는가? 합산 평가척도 매미미우잘보미완제잘함통흡성출함 5 4 3 2 1 0-22 -

2 차시 유전암호를연주해보자교사용교재

수업지도안 단원 Ⅱ. 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 ( 생명과학 Ⅱ) 연계단원고 1 음악음악적표현과소통 (2009) 수업차시 2 차시 지도 대상 고 2, 3 학년 활동유형 활동및생각해보기 교과학습 목표 1. 유전암호의해독과정원리를이용하여악보를만들어연주 할수있다. 2. 유전정보의동일성을이해할수있다. 교과연계 성 고등과학 고등 생명과학 Ⅱ 생명의연속성 2. 유전암호 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 전시학습상기및스마트폰어플리케이션 ( 또는컴퓨 터프로그램 ) 확인 지난시간에유전암호로지정한음표 ( 코드 ) 로 A 형혈액형 염기서열악보를작성하였는지묻는다. 각모둠에서연주를할수있는피아노건반어플리케이션을 도입 다운받았는지확인한다. 스마트폰의소리가너무작아수업시간에활용하기어려운경우교사용컴퓨터또는모둠별노트북컴퓨터에 5 스마트폰 또는 컴퓨터, 스피커 피아노건반연주프로그램을다운받아놓아이용하도록 한다. 포털사이트검색창에피아노연주프로그램이라는검색어를 넣으면여러개의무료프로그램이있으므로미리다운받 아사용한다. ( 예 : SimplePiano) - 25 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료및유의점 모둠별연주 지난시간에각모둠별로작성한악보를모둠의대표학생이 나와스마트폰 ( 또는교사용컴퓨터피아노연주프로그램 ) 을이용하여연주한다. 모둠별로같은어플리케이션 ( 예 : 안드로이드건반 ) 또는 연주프로그램을다운로드받아이용하도록한다. 전시에작성 본활동 생각해보기연주결과를듣고활동지의문제를생각해본다. 40 한악보또는코드를써놓은염기서열표 유전암호제시각모둠별로지정한음표가다를때에는같은염기서 스마트폰또는컴퓨터 열로도서로다른악보가만들어지게된다는사실 을확인하고모든생물체는동일한유전암호를 사용한다는사실을인식하게한다. 다음시간에는 mrna 유전암호와같이모두동일한 음표 ( 코드 ) 지정암호표를활용할것이라는것을알 려준다. 차시예고 제시한유전암호를모든모둠이동일하게이용하여혈액 정리 형을연주하면각모둠별로연주결과가같을것인지를묻고다음시간에확인할것이라는것과염기서열이달라 5 지면연주결과가어떻게나타나는지를공부할것을예고 한다. - 26 -

02. 유전암호를연주해보자. 악보를연주할때 # 은원음에서반음올린음을, 은원음에서반음내린음을연주하라는뜻이다. 같은악보의여러음표를연주자가저마다다르게해석하여연주한다면결과는어떻게될까? 유전암호를연주해보기 활동 유전암호를이용하여제작한악보연주 준비물 지난시간에만든악보, 스마트폰또는컴퓨터 ( 연주프로그램 ) 방법 1. 각모둠별대표학생이 A 형혈액형의염기서열을어떻게해독하여악보를제 작하였는지설명한다. 2. 제작한악보를스마트폰또는컴퓨터연주프로그램을이용하여연주한다. 3. 연주를듣고개인별로활동지를작성한다. 교사지도 Tip 모둠별발표결과를종합하여각모둠에서모두염기 3 개가하나의음표 를지정하였음을확인하고트리플렛코드의개념을이해하도록지도한다. - 27 -

생각해보기 유전암호의동일성 각모둠에서발표한연주를듣고생각해보자. (1) 각모둠에서몇개의염기가하나의음표를지정하도록하였는가? 3 개의염기가하나의음표를지정하였다. (2) 지난 2001 년인간게놈의염기서열 1 차분석이발표됐다. 이에따르면게놈 의크기는 30 억염기쌍이며약 4 만개의단백질정보를갖고있다고한다. DNA 염기쌍하나의평균분자량이 660 이고아미노산하나의평균분자량이 110 이라할때사람의세포에서발견되는단백질의평균분자량이 3 만 3000 정도라면인간게놈에들어있는전체정보량중단백질에대한정보가차지 하는비율은얼마일까? 단백질의평균분자량이 3 만 3000 이고아미노산의평균분자량은 110 이므로하 나의단백질은평균 300 개의아미노산으로구성되었다. 또한하나의아미노산 은염기 3 개에대응하므로 300 개의아미노산, 즉단백질하나를만들기위해 서는 900 개의염기가필요하다. 게놈에포함된약 4 만개의단백질에해당하는 염기의수를게놈을이루는총염기의수로나누면전체정보량중단백질에 대한정보가차지하는비율을구할수있다. =0.012, 즉단백질에대한정보가전체게놈에서차지하는비율은 약 1.2% 이다. (3) 유전암호를이용한악보제작에서 A 형염기서열을악보로만들어연주한 결과각모둠의악보는모두같았는가? 각모둠별로유전암호가지정한음표가다르므로악보도다르다. (4) 인간세포가바이러스에감염되었을때인간세포에서바이러스의단백질 과동일한아미노산서열이만들어지는이유는무엇인가? 인간과바이러스가동일한유전암호를사용하기때문이다. (5) 진핵세포에서아미노산을지정하는유전암호는 mrna의 3개의염기인코돈이다. 유전암호가 DNA의염기가아닌 mrna의염기인이유는무엇인가? 진핵세포에서유전정보를가진 DNA는핵속에있고단백질합성은세포질에서일어나므로 DNA 유전암호가세포질로직접이동하면정보가손상될위험이있기때문이다. - 28 -

교사지도 Tip 지구상의모든생명체가동일한유전암호를사용하는것에근거하여생명의연속성을이해하도록지도한다. (5) 번문제를풀기전에유전암호가공통적이라는설명과함께 mrna 유전암호 ( 코돈표 ) 를제시한다. 차시에사용할음표유전암호를제시하고실제유전암호는 DNA의염기가아닌 mrna의코돈임을비교하여전사의개념을이해하도록지도한다. 원리유전암호는 ( 거의 ) 공통적이다. 생물계에있는수천종류의생물체를대상으로지난 40여년동안수행된실험을통해유전암호는거의공통적인것으로나타났으며이는거의모든종에해당한다. 따라서유전암호는생물체의진화과정을통하여완전하게유지되어온오래된것임에틀림없다. 물론예외도있어서미토콘드리아와엽록체안에서는유전암호가원핵생물과진핵생물의핵에있는것과는약간다른데어떤집단의원생생물에서는 UAA와 UAG가종결코돈으로작용하는대신글루타민을암호화한다. 이러한차이점의의미는아직분명하지않지만예외는매우적다. 공통적인유전암호는진화에도공통적인언어가존재한다는것을의미한다. 자연선택의결과로한종이다른종을대체하여오는동안에도유전변이의원료는같은상태로유지되어왔다. 사람의유전자는세균의유전자와같은언어에속해있기때문에그공통암호는유전공학에도커다란영향을준다. 세균의단백질전사-해독기구는이론적으로세균의유전자뿐만아니라사람의유전자도이용할수있다. 출처 : 생명생물의과학. Purves. 교보문고 - 29 -

mrna 의유전암호 U C A G U C A G UUU 페닐 UCU UAU UGU U 타이로신시스테인 UUC 알라닌 UCC UAC UGC C 세린 UUA UCA UAA 종결 UGA 종결 A 류신 UUG UCG UAG 종결 UGG 트립토판 G CUU CCU CAU CGU U 히스티딘 CUC CCC CAC CGC C 류신 프롤린 아르지닌 CUA CCA CAA CGA A 글루타민 CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU U AUC 아이소아스파라진세린 ACC 트레 AAC AGC 류신 C AUA ACA 오닌 AAA AGA A 라이신 아르지닌 AUG 메싸이오닌 ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U 아스파트산 GUC GCC GAC GGC C 발린알라닌글라이신 GUA GCA GAA GGA A 글루탐산 GUG GCG GAG GGG G - 30 -

차시에공통으로사용될음표유전암호 A G T C A G T C AAA AGA ATA ACA A D B oca AAG AGG ATG ACG G G AAT AGT ATT 종결 ACT 종결 T E AAC AGC ATC 종결 ACC oca C GAA GGA GTA GCA A occ GAG GGG GTG GCG G E A ocb GAT GGT GTT GCT T ocd GAC GGC GTC GCC C TAA TGA TTA TCA A oce G TAG E TGG TTG TCG G A TAT TGT TTT TCT T oce ocb TAC C TGC TTC TCC C CAA CGA CTA CCA A ocf CAG CGG CTG CCG G F B ocb CAT CGT CTT CCT T ocg CAC CGC CTC CCC C - 31 -

참고자료 생명의통일성 생명체는매우다양하다 뜨거운온천에서번성하는박테리아 깊은바다밑에사는물고기 중력을거부하고하늘을향해날아오르는새들 하지만이러한겉모습아래에있는세포에서분자들이작용하는방법을보면우리는다시한번그통일성에놀라지않을수없게된다 모든생물은정보를저장하고복제하기위해동일한 가지뉴클레오티드로구성된 와 를사용한다 모든생명체는아주유사한방법을사용하여네종류의뉴클레오티드를만들어낸다 그리고똑같은 가지의아미노산과똑같은유전암호를사용하여뉴클레오티드사슬을단백질로번역한다 동시에모든생명체는리보솜 및활성화효소와같은아주유사한번역기구를사용한다 만약박테리아의리보솜을추출하여시험관에넣고사람의 를넣어주면박테리아의리보솜은이를사람의단백질로번역할수있다 서로바꿔도마찬가지이다 지지 이동 통신 수송 촉매등의역할을하는많은단백질의일차구조인아미노산서열은살펴보면대부분의생명체에서서로아주비슷하다 이같은사실들은우리모두가서로같은출발점에서시작했음을깨닫게한다 출처 생명과학이야기 라이프사이언스 - 32 -

참고자료 만약 30 억개염기쌍이흩어져있다면 미국대통령빌클린턴의사회아래미국국립인간게놈연구소장프랜시스콜린스와유전공학회사셀레라대표인크레이그벤터가인간게놈지도의초안을발표한 년 월 일은생명과학의세기가되리라고믿어지는 세기의서막을장식한역사적인날로기록될것이다 미국록펠러연구소의에이버리가유전정보는 에들어있다는사실을증명한지채 년이되기전인시점이다 사람의몸에들어있는 조개의세포하나하나에는 억개의염기쌍이 개의염색체에나누어져들어있다 물론부모에게서각각 개의염색체를받은것을생각하면 조개의세포하나하나에각각 억개의염기쌍이들어있는셈이다 억개의염기쌍이란도대체얼마만한양의정보인가 그만큼의정보는어떤방식으로기록돼있는것일까 우선간단한박테리아의경우를살펴보자 대장균의유전자수는 천 백 개 염기쌍수는 백 만개로알려졌다 의염기서열은결국단백질의아미노산서열로바뀌어생체활동에필요한다양한단백질을만들어낸다 자연은오랜세월의시행착오끝에 개의염기서열을 개의아미노산으로읽어나가는유전암호를개발했고 그유전암호를태초의생명체로부터지금까지 또단세포생물로부터고등동물까지공통적으로사용하고있다 그보다더좋을수가없기때문이다 그렇다면대장균은 백 만개염기서열안에약 백 만개아미노산서열에관한정보를간직하고있는셈이다 천 백 가지의유전자하나하나가각기다른단백질을만들어낸다면대장균은약 천가지의단백질을가지고있고 이 천가지단백질에관한정보가약 백 만개아미노산서열에기록돼있다면이들단백질은평균적으로 백 개의아미노산으로이루어졌다고볼수있다 그리고아미노산의평균분자량을 백 이라고하면단백질의평균분자량은 만정도가되는것이다 - 33 -

염기가 억개라도꿰어야 인간은박테리아보다얼마나더복잡한존재일까 인간의단백질하나가박테리아의단백질하나보다고차적인구조나기능을가질까 흥미롭게도박테리아와사람에게서어떤특정한기능을가진단백질을분리해조사해보면단백질의크기 즉평균분자량은별다른차이를보이지않는다 아미노산서열도크게다르지않다 생각해보면너무나당연한일이다 분자단위에서어떤반응이일어날때그것이박테리아에서일어나는지사람의몸에서일어나는지 분자들이알방법도상관할이유도없기때문이다 박테리아의 천에비해사람의유전자수는대략 만이라고한다 만대장경의경판수와비슷한숫자다 그러니까유전자숫자면에서 다시말해서필요한단백질의종류면에서사람은대장균보다약 배복잡한존재다 그런데사람이나대장균이나단백질의크기 즉유전자의크기는비슷할테니까사람이대장균과유사한시스템을가지고있다면약 천만개의염기쌍만있으면족할것이다 이것은앞서말한 억개의 에불과한숫자다 를지름이 정도되는밧줄로확대하고 억개염기쌍에해당하는 를공모양으로빈틈없이감는다면그공은사람키의두배나될것이다 그중에서 정도가의미있는유전자라는말이다 그렇다면인간염색체에들어있는 억개의염기중에서 에해당하는막대한양은단백질을만드는정보를가지고있지도않으면서어떤이유에서인가 에해당하는유전자사이에끼어들어가있는것이다 아무튼대장균의 백 만개염기이건사람의 억개염기이건 이염기들을특정한순서로연결해서소위염기서열을만들어주지않으면이엄청난숫자의염기들은아무런정보를가지지못한다 만대장경의글자들이제멋대로흩어져있으면아무런의미를지니지못하는것과마찬가지다 구슬이서말이라도꿰어야보배이듯이염기가 억개라도꿰어야 가되는것이다 인간은유사이래종이가발명되기전에는흙판 석판 파피루스 죽간 짐승의가죽등다양한재료를정보기록에사용해왔다 이제는종이가필요없는컴퓨터세상이돼가고있다 글 김희준 서울대화학과교수 - 34 -

평가 학생들이유전암호를악보로변환하여 DNA 염기서열에따라제작한악보를연주 한결과를통해유전정보의동일성의의미를이해할수있는지평가한다. 평가영역통합적사고감성적터치 -재미 -감성 -열성 -능동적 -실천 -배려 -다양성인정 교사의견및채점평가 평가기준유전암호가공통적으로사용되어야하는것을이해하는가 각조의연주를듣고차이점을찾아내고차이점의의미를해석할수는가 일정개수의아미노산을암호화하기위한염기의수를계산할수있는가 혈액형 염기서열을이용해만든악보를연주하는데적극적으로참여하였는가 서로의경험을나누고 의견을모으는등협력적인태도를갖는가 합산 평가척도 매미미우잘보미완제잘함통흡성출함 5 4 3 2 1 0-35 -

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3 차시 유전암호한개만바뀌었을뿐인데.. 교사용교재

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수업지도안 단원 Ⅱ. 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 ( 생명과학 Ⅱ) 연계단원고 1 음악음악적표현과소통 (2009) 수업차시 3 차시 지도 대상 고 2, 3 학년 활동유형 설계, 해보기, 생각해보기 교과학습 목표 1. 개시코돈과종결코돈을설명할수있다. 2. 유전자돌연변이를설명할수있다. 교과 연계성 고등과학 고등 생명과학 Ⅱ 생명의연속성 2. 유전암호 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 지난시간에제시한음표유전암호를이용하여 A 형 혈액형의염기서열에따라음표를지정한후연주한 다. 연주프로그 도입 A형혈액형염기서열중제 1모둠은 1번 ~120번까지, 2 모둠은 61~180 번까지, 3모둠은 121~240 번까지... 와같은방식으로염기 10 램이설치된컴퓨터 서열에따라음표를지정한후연주하게한다. 연주를들으면서각모둠에서중복되는부분의염기서열은다른 모둠에서해독하여도같은결과가나타난다는것을주지시킨다. - 39 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 A 형, B 형염기서열연주하기 A 형과 B 형혈액형의염기서열중서로차이가있는 부분을연주한다. 코돈플레이어프로그램을이용하여 A 형과 B 형혈액형염기 서열이다른부분을연주하여들려주고, 염기가달라지면지정하 는아미노산이달라지고그결과형질이달라지게된다는것을 이해하게한다. 본활동 A형혈액형의염기서열의시작염기순서바꾸어해독각모둠은자기모둠의번호에해당하는염기부터연주하고각모둠별로차이가있는지알아본다. 25 코돈플레이어 프로그램이설 치된컴퓨터 해독을시작하는염기가달라지면연주결과가달라지는것 을통해개시코돈의개념을이해하게한다. DNA 염기를삽입, 결실, 치환한후연주하기 특정염기를삽입하거나결실, 치환한후연주하여비 교한다. 코돈플레이어에서는 1 개의염기만을삽입, 결실, 치환하기 어려우므로염기서열 txt 파일을활용한다. 정리 정리각모둠별로해보기결과를통해알게된점을발표하고내용을정리한다. 모둠별결과를해석하여유전자돌연변이에대해설명하고정리한다. 15-40 -

03. 유전암호한개만바뀌었을 뿐인데.. 왼쪽에있는보기흉한적혈구는산소를운반하는단백질인헤모글로빈에결함이있어서생긴것이다. 이적혈구는폐와같이산소가풍부한곳에서는세포의구조와기능이정상이지만움직이는근육에서와같이산소수준이낮아지게되면적혈구가낫모양으로찌그러져혈액순환에서이상을초래한다. 이런적혈구는무엇때문에생길까? 다양한염기서열연주하기 해보기 A 형, B 형의염기서열연주하기 준비물 컴퓨터, A 형, B 형혈액형염기서열용지, 코돈플레이어프로그램, A 형, B 형혈액형염기서열파일 1. 각모둠별로 A형, B형염기서열용지와컴퓨터에 A형, B형염기서열파일, 코돈플레이어프로그램이설치되어있는지확인한다. 2. A형모둠에서는 A형염기서열파일을열어 781번염기부터 24개의염기 (GAT TTC TAC TAC CTG GGG GGG TTC) 를복사하여메모장에붙인후 A_1.txt로저장한다. B형모둠에서는 B형염기서열파일을열어 781번염기부터 24개의염기 (GAT TTC TAC TAC ATG GGG GCG TTC) 를복사하여메모장에붙인후 B_1.txt로저장한다. 3. 코돈플레이어프로그램을실행하고재생속도를 700으로조절한다. 4. A형모둠에서먼저 A_1.txt을열어동시에플레이버튼을눌러연주를실행한다. 이어 B형모둠에서 B_1.txt을열어동시에플레이버튼을눌러연주를실행한다. - 41 -

교사지도 Tip 학생모둠을크게 2개로나누어각각 A모둠과 B모둠으로명명한다. 코돈플레이어프로그램은 txt파일을읽어실행되므로 A형염기서열과 B형염기서열한글파일을적절히복사하여메모장에붙인후 txt파일로저장하여이용한다. 각모둠에서 A_1.txt 파일과 B_1.txt 파일을연주할때 시작 이라고하여동시에연주되도록한다. 한번으로잘구분이안되는경우에는 2~3회정도실시하도록한다. 학생용컴퓨터가없는경우교사가시범으로 A_1.txt 파일과 B_1.txt 파일을반 복하여연주한다. 코돈플레이어프로그램을실행하기어려운경우에는염기서열종이에직접 해독한결과를아래와같이적고연주해본다. 아래의경우는염기서열이달 라져도음표 ( 코드 ) 에는변화가없는경우이다. 해보기 A 형염기서열해독시시작염기바꿔연주하기 1. 각모둠에서는 A형염기서열파일에서 1번부터 30개의염기를복사하여메모장에붙인다. 2. 1모둠은 1번부터 21번까지 21개의염기를 txt파일로저장한다. 2모둠은첫번째염기 (A) 를삭제한후 21개의염기만을두고나머지염기는삭제한후파일을저장, 3모둠은첫번째 (A) 와두번째 (T) 염기를삭제한후 21 개의염기만을저장하는방식으로각모둠은자기모둠의번호에해당하는염기를시작으로 21개의염기가연주될수있도록염기를적절하게삭제한후파일로저장한다. - 42 -

3. 코돈플레이어를실행한후 1 모둠부터자기컴퓨터에저장된파일을불러연주 를시작하여마지막모둠까지자기모둠의파일을연주한다. 교사지도 Tip 코돈플레이어프로그램을활용하지않을경우에는염기서열인쇄물에코드를 직접표기한후피아노연주프로그램으로연주해서비교한다. 21 개정도의염기만을연주하는것이집중하여듣기에가장적당하다. 생각해보기 폴리펩타이드사슬의시작을지시하는신호 A형, B형염기서열연주하기 (1) 염기서열이달라지면지정하는음표가다른가? 달라지지않는경우가있다면그이유는무엇인가? 같은경우도있고다른경우도있다. 달라지지않는경우는유전암호의중복성때문이다. (2) 유전암호가달라져지정되는아미노산이달라지면궁극적으로어떤변 화가생길까? 아미노산이변화하면단백질이달라져형질에변화가생길수있다. A 형염기서열시작염기바꿔연주하기 (1) 시작점을달리하여도유전정보의해독결과는같은가? 다르다. (2) 동일한염기서열의유전정보가동일하게해독되기위해서는어떤조건이필요할까? 단백질합성시작을알리는부위 ( 개시코돈 ) 와단백질합성을마치기위한부분 ( 종결코돈 ) 이있어야한다. - 43 -

원리개시코돈과종결코돈단백질합성은 mrna의맨처음뉴클레오티드에서시작하는것이아니고 mrna의중간에서시작된다. 그렇기때문에세포는 여기서시작하라 고알려주는신호가필요하다. 그신호는개시코돈 (initiation codon) 으로명명된 AUG 뉴클레오티드서열이다. 개시코돈은메싸이오닌을가져오게하고이후부터뉴클레오티드는세개씩차례대로읽혀올바른아미노산이전달된다. 단백질합성을끝마치기위하여단백질이암호화되어있는 mrna가끝까지읽힐필요는없다. 단백질합성시작의 개시코돈과같이 mrna 분자의중간에단백질합성을마치기위한종결코돈 (termination codon) 이존재한다. 단백질합성을끝낼수있는세개의코돈 (UAA, UAG, UGA) 중어느것이든나타나면새아미노산대신방출인자 (release factor) 가리보솜으로전달된다. 생성되는단백질은새아미노산공급의중단으로방출된다. 단백질이방출되면리보솜은 mrna를방출하고이 mrna는다시단백질합성을위해재사용되거나세포내효소들에의해분해된다. ( 출처 : 생명과학개론. 생명과학개론편찬위원회옮김. McGraw-Hill Korea) - 44 -

B 형염기서열 1 A T G G C C G A G G T G T T G C G G A C G C T G G C C G G A A A A C C A A A A T G C C A C G C A C T T C G A C C T A T G 6 1 A T C C T T T T C C T A A T A A T G C T T G T C T T G G T C T T G T T T G G T T A C G G G G T C C T A A G C C C C A G A 1 2 1 A G T C T A A T G C C A G G A A G C C T G G A A C G G G G G T T C T G C A T G G C T G T T A G G G A A C C T G A C C A T 1 8 1 C T G C A G C G C G T C T C G T T G C C A A G G A T G G T C T A C C C C C A G C C A A A G G T G C T G A C A C C G T G G 2 4 1 A A G G A T G T C C T C G T G G T G A C C C C T T G G C T G G C T C C C A T T G T C T G G G A G G G C A C G T T C A A C 3 0 1 A T C G A C A T C C T C A A C G A G C A G T T C A G G C T C C A G A A C A C C A C C A T T G G G T T A A C T G T G T T T 3 6 1 G C C A T C A A G A A A T A C G T G G C T T T C C T G A A G C T G T T C C T G G A G A C G G C G G A G A A G C A C T T C 4 2 1 A T G G T G G G C C A C C G T G T C C A C T A C T A T G T C T T C A C C G A C C A G C T G G C C G C G G T G C C C C G C 4 8 1 G T G A C G C T G G G G A C C G G T C G G C A G C T G T C A G T G C T G G A G G T G G G C G C C T A C A A G C G C T G G 5 4 1 C A G G A C G T G T C C A T G C G C C G C A T G G A G A T G A T C A G T G A C T T C T G C G A G C G G C G C T T C C T C 6 0 1 A G C G A G G T G G A T T A C C T G G T G T G C G T G G A C G T G G A C A T G G A G T T C C G C G A C C A T G T G G G C 6 6 1 G T G G A G A T C C T G A C T C C G C T G T T C G G C A C C C T G C A C C C C A G C T T C T A C G G A A G C A G C C G G 7 2 1 G A G G C C T T C A C C T A C G A G C G C C G G C C C C A G T C C C A G G C C T A C A T C C C C A A G G A C G A G G G C 7 8 1 G A T T T C T A C T A C A T G G G G G C G T T C T T C G G G G G G T C G G T G C A A G A G G T G C A G C G G C T C A C C 8 4 1 A G G G C C T G C C A C C A G G C C A T G A T G G T C G A C C A G G C C A A C G G C A T C G A G G C C G T G T G G C A C 9 0 1 G A C G A G A G C C A C C T G A A C A A G T A C C T A C T G C G C C A C A A A C C C A C C A A G G T G C T C T C C C C C 9 6 1 G A G T A C T T G T G G G A C C A G C A G C T G C T G G G C T G G C C C G C C G T C C T G A G G A A G C T G A G G T T C 1 0 2 1 A C T G C G G T G C C C A A G A A C C A C C A G G C G G T C C G G A A C C C G T G A - 47 -

유전암호한개만바뀌었을뿐인데... 해보기 DNA 염기를삽입, 결실, 교환한후연주하기 1. A형염기서열파일을열어 1번부터 24개의염기를복사하여메모장에붙여 txt 파일을만든다. 2. 1모둠은 A형염기서열의 txt파일에서 1번과 2번염기사이에 A를삽입하고파일을다른이름으로저장한다. 3. 2모둠은 1과같은방법으로 1번과 2번염기사이에 T를삽입하고파일을다른이름으로저장한다. 4. 3모둠은같은방법으로염기 G와 C를삽입하고파일을다른이름으로저장한다. 5. 4 모둠은 1 번째염기인 A 를삭제 ( 결실 ) 한후파일을다른이름으로저장한다. 6. 5 모둠은 3 번째염기인 G 를 A 로바꾼후파일을다른이름으로저장한다. 7. 파일저장이끝났으면 1 모둠부터차례로코돈플레이어를실행하여자기모 둠의파일을연주한다. 교사지도 Tip 염기서열을해독할때개시코돈을고려하지않을경우에는편의상고려하지않음을학생들에게알린다. 반드시위의제시된예와같이삽입, 결실, 치환을할필요는없으므로삽입, 결실, 치환을각모둠별로논의하여자율적으로결정하도록하는방법도있다. 단, 코돈플레이어는 3개의염기단위로만삽입, 결실, 치환등이가능하도록설정되어있으므로메모장에서염기를삽입, 결실, 치환하여저장한후이용해야한다. 예 ] A와 T 사이에 A 삽입, A와 T 사이에 T 삽입, 1번째염기 A 삭제, 2번째염기 T 삭제. - 48 -

생각해보기 유전자돌연변이 A 형염기서열을이용하여 DNA 염기일부를삽입, 결실, 치환한후해 독하여연주해보고그결과를비교해보자. (1) 활동결과를토대로하여모든돌연변이는형질발현에영향을주는지생각해보고그렇게생각한이유를적어보자. 치환과같은경우에는유전암호의중복성에의해아미노산의변화가나타나지않을수도있다. (2)DNA상에서의염기변화인삽입과치환중어떤것의변화가형질발현에더큰영향을주는가? 삽입. 유전암호가해독될때에는 3개의염기가하나의단위로읽혀지므로원래의코돈과는전혀다른코돈으로재구성되어유전정보의해독틀전체가밀리거나당겨지기때문이다. 다음은정상적혈구와낫모양적혈구의헤모글로빈을구성하는 β 사 슬의 5 번째아미노산인프롤린에서부터 7 번째아미노산인글루탐산까지 의유전암호를나타낸것이다.( 단, β 사슬의 5 번째이전과 8 번째이후 의아미노산순서는모두같다.) 구분정상적혈구낫모양적혈구 DNA 의염기배열일부 3 GGA CTC CTC 5 5 CCT GAG GAG 3 3 GGA CAC CTC 5 5 CCT GTG GAG 3 mrna 5 CCU GAG GAG 3 5 CCU GAG 3 헤모글로빈 β 사슬의 6 번째아미노산 프롤린 - 글루탐산 - 글루탐산 프롤린 - 발린 - 글루탐산 낫모양적혈구빈혈증의원인은무엇인가? DNA 염기 1 개의변화로헤모글로빈사슬의 6 번째아미노산인글루탐산이 발린으로바뀌어서 - 49 -

참고자료 DNA 상의변이가표현형에크게영향을미치지않는경우 진핵생물의경우다수의변이는표현형에크게영향을미치지않는다. 그이유는진핵생물의 DNA는단백질에대한정보를암호화하지않은영역의비율이매우높기때문이다. 사람을예로들어보면확실하게알수있다. 사람의전체 DNA중에서실제로단백질정보를담고있는부분은 2% 미만이다. 나머지는유전자와유전자사이의공간이거나의미가없어보이는반복서열이며유전자의내부라고하더라도인트론과같은단백질정보를포함하고있는않은영역들로이뤄져있다. 따라서 98% 이상의영역에서일어나는돌연변이의대부분은표현형이크게변화하지않는다. 하지만이러한영역에서의돌연변이는진화적으로큰의미를가진다. 단백질정보를갖는영역의돌연변이는다수의경우불리한표현형을나타내므로자연선택에의해제거되는반면나머지영역의경우는변이가일어나도진화적으로불리하지않기때문에시간에비례해서돌연변이가축적된다. 이러한변이의축적은여러가지로활용될수있다. 첫째는시간과비례해서축적되는이러한변이는먼과거에일어난진화적사건의시점을판단하는시계를제공해줄수있다. 예를들어 A와 B 두종이진화적으로갈라진 ( 분기한 ) 시점에대한연구를진행하다고가정해보자. 화석기록이남아있다면두종의과거화석을이용해동위원소를이용한연대측정을통해시간을알수있지만화석기록이존재하지않는경우는진화상의시점을추정할수없다. 하지만이와같은 DNA서열상의차이가시간을반영한다면두종의 DNA서열을비교하는것만으로도두종이진화적으로분리된시점을대략적으로파악할수있다. 두번째는사람의신원을확인하는경우처럼같은종의생물의개체들간의식별을하는과정은생물학적으로매우중요한단백질정보가있는부분의 DNA를비교하는것보다비암호화부위를이용하는것이정확도가더높다. 앞에서살펴본바와같이 DNA상의변이는언제나문제를일으키거나부정적인결과를가져오는것만은아니다. 진화적다양성의제공측면에서도중요하고이정보를분석하는과학자에게는 DNA변이의해석을통해의미있는여러사실을알려주는긍정적인면이있다. 출처 : 과학동아 2010년 9월호 - 50 -

참고자료낫모양적혈구빈혈증 ( 겸형적혈구빈혈증 ) 유전정보가전달되는과정은크게전사와번역으로나눠진다. DNA 염기서열에상보적으로 mrna가전사되면 mrna는핵공을통해세포질로나가리보솜과결합하고, mrna의코돈이지정하는대로 trna가아미노산을계속붙여나가는번역과정이실행된다. 유전자를구성하는 DNA 염기서열에변화가생기면 DNA 염기서열은상보적으로 mrna로전달되므로 mrna의코돈도역시변한다. mrna 의염기서열을순서대로 3개씩끊은단위를코돈이라고하며코돈은각각하나의아미노산을지정한다. 코돈이변하면다른아미노산을지정하는경우가많고다른아미노산이지정되면단백질의구조에큰영향을주는경우가있다. 이런경우개체의형질발현에이상이생기고이를돌연변이라부른다. 아미노산이비슷한성질의다른것으로변한다면단백질의구조에큰이상이생기지않을수도있다. 겸형적혈구빈혈증은 11번째염색체의 DNA 염기서열에변화가생겨 mrna의코돈이변해헤모글로빈의 β사슬을구성하는 146개의아미노산가운데여섯번째아미노산이글루탐산에서발린으로바뀐것이다. 글루탐산은음전하를띤극성아미노산인데비해발린은비극성아미노산이므로헤모글로빈의 β사슬형태가크게달라진다. 그결과겸형적혈구빈혈증의경우헤모글로빈의 α사슬과 β사슬이결합된단백질이제대로된단위체를이루지못하고긴중합체가돼겸형적혈구가형성된다. 겸형적혈구는산소를제대로운반하지못해악성빈혈을일으킨다. [ 생물 ] 유전자변이로생기는빈혈 ( 공개 ) 과학동아 : 2008년 3월 - 51 -

평가 학생들이유전암호를악보로변환하여 DNA 염기서열에따라제작한악보를연주 한결과를가지고유전정보의동일성의의미를이해할수있는지평가한다. 평가영역통합적사고창의적설계감성적터치 평가기준형질의차이가유전암호의차이라는것을이해하는가? 유전자돌연변이를설명할수있는가? DNA 4종류의염기를삽입, 결실, 치환하여형질발현에영향을주거나영향을미치지않게설계할수있는가? DNA 염기서열의변화에따른연주를잘듣고차이를찾아내는데적극적으로참여하였는가? 서로의경험을나누고, 의견을모으는등협력적인태도를갖는가? 평가척도 매미미우잘보미완제잘함통흡성출함 5 4 3 2 1 0 교사의견및채점평가 합산 - 52 -

4 차시 유전자치료어떻게하지? 교사용교재

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수업지도안 단 원 Ⅱ. 유전자와생명공학 2. 생명공학기술의활용과사회적책임 ( 생명과학 Ⅱ) 연계단원 고등학교생활과윤리 (2009)_(3) 과학기술 환경 정보윤리 수업차시 4 차시 지도 대상 고 2, 3 학년 활동유형 토의 교과학습 목표 1. 유전자치료과정을설명할수있다. 2. 유전자치료를생명윤리의관점에서합리적인의사결정을 할수있다. 교과 연계성 고등과학 고등 생명과학 Ⅱ 생명의연속성 2. 유전암호 인류의건강과과학기술첨단과학과질병치료 유전자와생명공학 1. 유전자와형질발현 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 DNA 에저장된유전정보가어떤과정을거쳐형질로 발현되는지그과정을정리하여설명한다. DNA 에염기서열형태로저장된유전정보는 mrna 로 도입 전사되어리보솜으로이동하고이곳에서 trna 는 mrna 의 10 염기서열을 codon 단위로유전암호를해독하여아미노산 을지정하게된다. 즉 DNA 의유전정보는 mrna 를거처아 미노산서열로번역되고이렇게지정된아미노산순서는결 국단백질구조를결정하게되어형질이발현되게된다. - 55 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 유전자치료과정 선천적인유전적결함으로생기는질병에어떤것이 있는지묻는다. 낫모양적혈구빈혈증, 혈우병, 알츠하이머병등이유 전적결함으로생기는질병으로이러한유전병환자의몸에 정상유전자를넣어증상을완화시키는것을유전자치료라 고한다. 유전자치료사례 SCID 에걸린환자를대상으로유전자치료가이루어진 두가지사례를읽어본다. 본활동 SCID 는중증복합면역결핍증을뜻하는말로면역기능을 20 갖는데필요한효소인아데노신디아미네이스 (ADA) 의유 전자에결함이있어선천적으로 ADA 를만들지못하기때문 에태어난후지속적인감염으로일찍사망하게되는유전 병이다. 유전자치료의윤리적문제토의 SCID 에걸린환자를대상으로유전자치료가이루어진 두가지사례를읽은다음생명윤리관점에서합리적 인의사결정을어떻게해야할것인지토론한다. 가능한디베이트법을적용하여진행한다. 토의내용정리하기 정리 각모둠별로토의결과를발표한다. 20 모둠별토의결과를해석하여유전자치료에대한 윤리적문제를정리한다. - 56 -

04. 유전자치료어떻게하지? 몸이아플때에는주사기를이용해약물을주입 한다. 유전자에결함이있어정상형질이나타나지 못할때에는어떻게치료할수있을까? 유전자치료 유전자치료는특정유전자에결함이있는유전병환자의몸에정상유전자를 집어넣어병을치료하는방법이다. 교사지도 Tip 유전자치료는시험단계에있다. DNA 운반체로는바이러스가쓰인다. 바이러스를사용하기때문에생기는문제점에대해생각해보게한다. 유전자치료의윤리적문제 다음은중증복합면역결핍증 (SCID) 에걸린환자를대상으로유전자치료가이루 어졌던두가지사례를조사한것이다. - 57 -

사례 1 SCID를앓고있는 4세의여자아이아산티데실바는 ADA 결핍으로어린시절내내병과싸우며보냈다. 그러나 1990년골수세포를추출하여 ADA 를생산하는정상유전자를주입한후골수에넣어주는의료역사상최초의유전자치료를받으면서면역성이회복되었다. 당시시술한의료진은이여자아이의세포중 30% 가 ADA 정상유전자를갖고있는것을확인하였다. 아산티데실바는이제친구들과극장도가고, 농구도할정도로건강한 25세아가씨로성장했다. 사례 2 2002년프랑스에서는일명 버블보이병 이라불리는 SCID를앓고있는 7명의어린이를아산티데실바와같은방법으로유전자치료를하였다. 2년후이들중대부분은증상이매우호전되었다. 그러나 2명의어린이는백혈병이발생하였는데, 이것은 DNA 운반체인바이러스가혈액증식과관련된유전자주위에삽입되었기때문이다. 토론 유전자치료와윤리적문제 유전자치료에대한두가지사례로부터찬성하는글과반대하는글에서주장의근거로제시한내용을각각요약한다. (1) 찬성하는글요약 유전자치료는지금의의학기술로는고칠수없는질병을고칠수있다. (2) 반대하는글요약 유전자치료는후어떤일이발생할지알수없으므로시행하면안된다. 만약내가유전병환자일경우유전자치료를받을것인지에대해자신의입장을정하고근거를제시하여보자. 유전자치료를받지않는다면평생병과싸우며살아야한다. 그러나불확실하지만유전자치료를받으면병을고쳐건강하게살수있기때문이다. - 58 -

유전자치료에사용된기술을사람의형질을바꾸는데이용한다면어떤윤리적 문제가발생할수있는지브레인라이팅방법을활용하여생각해보자. 이름평가기준이유 - 59 -

참고자료 꿈의신약시대 미국플로리다에살고있는가디너는 1996년회사에서심장발작으로쓰러진뒤여러차례수술을받았지만상태는계속악화됐다. 결국담당의사로부터 6개월을넘기기힘들것같다는시한부선고를받았다. 그러나기적같은일이일어났다. 보스턴대학의이스너박사로부터심장에 VEGF 라는유전자를주입받고건강을되찾게된것이다. 이처럼난치 불치병들이 유전자치료 를통해극복되는사례가늘어나고있다. 인간의 유전자 를 약 으로사용하는 유전자치료제 는 21세기의떠오르는첨단신약으로주목받고있다. 지금까지우리가복용해온약의성분은대부분유기화합물이나단백질이었다. 세균에감염됐을때사용하는항생제는화학물질이고, 당뇨병을치료할때쓰이는인슐린은단백질이다. 따라서많은질환이유전자의결함에의해서발생한다는원리에서출발하는 유전자치료제 는질병에대항하는신 ( 新 ) 무기다. 게다가기존약들은질환의증상치료, 즉대증요법 ( 對症療法 ) 에초점을맞춰왔지만, 유전자치료제는질병의원인을유전자차원에서분석, 치료유전자또는유전자를집어넣은세포를인체에투여해근본적인치료를하기때문에더위력을발휘할것으로기대되고있다. 유전자치료의원리는치료에필요한유전자를질병부위에투입함으로써병이생긴유전자를대체하거나, 그부위에치료용단백질을만들게하여질병을치료하게하는것. 즉유전자를환자의몸에넣어건강한유전자의내용이발현되게하는원리다. 유전자치료제는어떤질병에주로적용될까. 전체유전자치료연구분야의 85% 정도가유전질환과암, 심혈관질환에집중되고있다. 혈우병, 혈색소병증, 근위축증, 파브리병, 고셔병같은유전질환은유전자치료기술의잠재력을잘보여줄수있는질환이라할수있을만큼치료효과가좋은것으로주목받고있다. 조선일보 http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2007/05/11/2007051100502.html - 60 -

참고자료유전자치료제가 맞춤의료시대 연다유전자치료제는아직본격적인상용화가되지못했지만미국의혈우병환자에대한임상시험등에서좋은결과를보이고있다. 인간게놈프로젝트 (human genome project) 의완성에따라질병에관련한주요유전자들의정체가밝혀지면서유전자치료제의개발속도는더빨라지고있다는것도고무적이다. 전세계적으로유전자치료제임상시험은올 1월기준 1280여건이진행되고있으며, 대부분미국 (65%), 유럽 (28%) 에서진행되고, 아시아에서이뤄지는임상시험은 3% 에그친다. 현재 200개이상의회사에서개발하고있는유전자치료제중임상시험의마지막단계에진입한것이약 30건으로이들제품이봇물처럼쏟아질날이멀지않았다. 지금도중국에서 2건의유전자치료제가시판되고있고, 지난 4월유럽에서도유전자치료제생산이허가됐다. 국내에서는모두 8개의유전자치료제가임상시험중이다. 유전자치료제의임상시험은초기에는중증합병면역결핍증, 악성뇌종양, 백혈병등극히일부질환에제한됐지만점차암, 에이즈, 자가면역질환, 심혈관계질환등의다양한후천성질환에대해서도적용되고있다. 최근에는질병진단이유전자레벨까지가능하게됨에따라개개인의질병원인에따라치료하는맞춤의약시대까지상상해볼수있게됐다. 국내의경우, 짧은연구개발역사에도불구하고, 유전자전달체관련기술이세계적인수준에이르렀다. 최근에는치료유전자발굴성과도잇따르고있어, 명실상부하게세계적인경쟁력을확보한유전자치료제가개발될가능성도엿보인다. 질병치료와관련된적절한치료유전자를확보해기술력을선점하고, 생명과학정보들을효율적으로선별, 활용한다면개인별맞춤의료세상을우리가먼저열수도있을것이다. 의약품시장예측기관들은세계유전자치료제시장이향후 2~3년내본격적으로확대되고, 연평균 100% 이상의고 ( 高 ) 성장을거듭할것으로전망한다. 2010년무렵, 수십억달러규모의시장이형성될것이라는얘기다. - 61 -

유전자치료제, 안전하고효과적인가? 유전자치료제의앞길에는아직난관이많다. 가장큰문제는안전성이다. 유전자를인체에투여하기위해지금까지는감기의원인균인아데노바이러스에유전자를실어보냈는데, 이바이러스는인체에침투하는데에는효과적이지만독성이나면역반응의부작용이동반된다는문제점이있다. 이런문제점을잘보여주는사례가 1999년 9월미국펜실베이니아대학에서있었다. 당시 18세의건장한남자제시겔싱어 (Jessie Gelsinger) 는유전병인 OTC(ornithine transcarboxylase) 결핍증 ( 신체에암모니아를증가시키는질병 ) 을앓고있었는데, 이병을치료하기위해유전자치료임상시험에자원해치료를받다가불과나흘만에호흡곤란으로사망했다. 유전자를실어보내기위해사용한아데노바이러스를과다사용해염증이발생했기때문인것으로추정됐다. 2002년프랑스에서는일명 버블보이병 이라불리는희귀한중증면역결핍증 (X-SCID) 을앓고있는일곱명의소아에게유전자치료를수행했는데그중 2명에게서백혈병이발병했다. 원인은환자에게주입된유전자가염색체의목표했던특정위치에삽입되지못한데서생긴것으로추정되고있다. 이같은사례는유전자치료를성공시키기위해서는안전성과유효성등아직도넘어야할장벽이많다는것을보여준다. 또투입된유전자가당대에만효과를내는게아니라자손으로전달될가능성도있고, 또유전자치료제를어디까지적용할것인지윤리적측면도고려해야한다. 이때문에우리나라는유전자치료제를 유전성질환, 암, 에이즈 (AIDS) 및기타생명을위협하거나심각한장애를초래하는질환 과 현재이용가능한치료법이없거나유전자치료제의효과가현재이용가능한다른치료법과비교하여우수함을예측할수있는경우 로제한하고있다. 글출처 : 공동기획 : KiSTi 한국과학기술정보연구원. 한국산업기술진흥협회 - 62 -

참고자료 디베이트토론방법 한가지논제를놓고찬성측과반대측, 판정인으로나뉘어엄격한규칙에의해벌이는찬반대립토론의형태로서원탁토론이나교차대립토론 (CEDA) 및여타모든토론의뼈대가되는것으로초 중고등학생들의수준에알맞게재미있게할수있는토론형태이다. 반론단계에서찬성측과반대측양쪽의입장을정확하게알고있어야상대측이나판정인을설득할수있기때문에균형잡힌안목을키워주는데많은도움을준다. 토론은다음과같은방식으로진행한다. 단계주도권자내용및유의점입론찬성측입론을미리써오도록하는것이좋고, 다양한자료를 ( 주장펼치기 ) 반대측제시하며주장하기협의 1 양팀반론펴기의목록작성, 조장이주도함 ( 작전타임 ) 1차반론 ( 반론펴기 ) 협의 2 ( 작전타임 ) 2차반론 ( 반론꺾기 ) 반대측질문없이상대팀의입론에서발견되는오류를지적하는찬성측데주력함양팀반론펴기의내용을듣고반론꺾기의목록작성, 찬성측입론과반론펴기에서발견되는모순과불명확한점에대해상대측에게질문하면서자기측의의견을설득시반대측킴. 준비한자료는반복하여제시해도됨. 반론을통해검증된결과를중심으로상대의모순을부 협의 3 ( 작전타임 ) 양 팀 각시키고, 자신의합리성을강조하여최종변론을재구성함. 모순이드러난자신의주장이나근거자료는과감 히버림 최종변론반대측반론내용을반드시반영하여야하고, 체계의일관성을 ( 주장다지기 ) 찬성측유지하면서팀원들이나누어발표함. 계 - 63 -

평가 학생들이유전자치료에대해설명할수있으며, 유전자치료의문제점에대해창 의적으로생각할수있는지평가한다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 유전적결함에의한질병에유전자치료가 이용됨을이해하였는가? 유전자치료의원리를이해하였는가? 창의적 설계 유전자치료에대한위험성을인식하고있는가? 유전자치료의문제점과윤리적쟁점에대한창의적인대안을제시하였는가? 유전자치료에대한찬성반대의견을발표 하는데적극적으로참여하였는가? 감성적 터치 서로의경험을나누고, 의견을모으는등 협력적인태도를갖는가? 교사의견및채점평가 유전자치료기술의윤리적쟁점에대해생 각하고있는가? 합산 - 64 -

융합인재교육 (STEAM) 주제별프로그램개발 - 바이오 어떻게하면건강하게생활할수 있을까? 고등학교용

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교육과정관련안내 2009 개정 교육과정 고등학교생명과학Ⅰ(3) 항상성과건강 ( 나 ) 항상성과몸의조절 3 근수축운동의원리를이해한다. 고등학교체육과운동과건강생활 (1) 운동과건강관리 ( 나 ) 건강과운동의관계이해 3 실생활속에서지속적인운동습관이건강에미치는영향을이해한다. 해설 쉽고재미있는탐구활동을통해골격근의운동원리를탐색하여근수축운동에대한호기심을키우고그원리를이해시킨다. 골격근의종류와그에따른운동방법을고안하면서과학적사고력과창의적문제해결력을기른다. 스팀요소 S T E M 근수축의운동원리근수축운동모형만들기나에게적합한운동방법고안하기나에게적합한운동회수계산하기 - 67 -

여자가운동을많이헐크처럼될까요? 팔, 다리가굵어지면어떡하지? 안그래도팔, 다리가굵은데운동을해서팔이나종아리근육이더생기면어떻게해요? 라고걱정하는여성들이많이있습니다. 정말여성이운동을많이하면팔, 다리가남성처럼굵어질까요? 근육과운동원리에대해알아보고체형에맞는운동방법을설계해보자. - 68 -

어떻게하면건강하게생활할수있을까? 차시주제활동내용 연계 교과 / 단원 1 어떻게움직 일까? 닭발움직이기 - 닭발움직이기 - 실제닭발을움직이는근육에대해알기 생명과학 Ⅰ 항상성과몸 의조절 2 흰근육과빨간근육은무엇이다를까? 지근과속근 -지근의특성알기 -속근의특성알기 -체형과근육의종류의관계알기 생명과학 Ⅰ 항상성과몸 의조절 생명과학 Ⅰ 3 건강하게생 활하려면! 적합한운동방법설계하기 - 원하는체형정하기 - 나에게적합한운동방법설계하기 항상성과몸의조절운동과건강생활운동과체 격 - 69 -

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1 차시 어떻게움직일까? 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅰ(3) 항상성과건강 - 항상성과몸의조절 연계단원 수업차시 1 차시지도대상고등학교 1~3 학년 활동유형 토의발표, 실험 교과학습 목표 1. 닭발의움직임을관찰할수있다. 2. 근수축의원리를이해할수있다. 교과연계 성 중학교 1~3 과학고등학교생명과학Ⅱ (14) 자극과반응 - 항상성유지체내 외환경변화에대한신경과호르몬의조절작용으로항상성이유지됨을이해한다. (1) 세포와물질대사 - 세포와에너지세포의물질대사가효소를이용한화학반응에의해이루어지며, 이에필요한에너지공급이생체막을통한에너지전환과관련됨을이해한다. 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료및유의점 도입부의 팔, 다리가굵어지면어떡하지? 의상황 생각해보기 안그래도다리가굵은데하체운동을해서종아리근육이 더생기면어떻게해요? 라고묻는사람들이많습니다. 하 지만걱정마세요! 근육이그렇게쉽게생긴다면누구나역 도입 도국가대표선수가될수있을겁니다. 여성들이웨이트트레이닝같은중량운동이나근력운동을하면남성화하지않기위해자기방어를하게됩니다. 즉남성화의 5 도입부상황자료제시 (ppt) 상징인테스토스테론의분비에대응하기위해여성호르몬인에 스트로겐을인위적으로더욱많이분비합니다. 여자들이웨이트 트레이닝으로근육을만들지못하게하려는것입니다. 근력운동 을하면근육이생긴다고착각하는여자분들! 이제걱정하지않아 도됩니다. - 73 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 닭발의움직이기 그럼에도헬스클럽에서웨이트트레이닝을하는여성분들이 종아리가굵어졌다고호소하는이유는무엇일까요? 그이유를알아보기전에먼저닭발의움직임을통해운동에원리에대해알아봅시다. 1. 닭발의피부를벗긴다. 2. 힘줄를잡아당겨발가락의움직여본다. 15 닭발 커터칼 롱로오즈 비닐장갑 3. 동물에힘줄를잡아당기는것이무엇인지생각해본다. 본활동 4. 근육의운동원리를예상하여그림으로표현해본다. 닭발의피부를벗길때칼에손을베이지않도록한다. 근수축의원리 근수축시근육원섬유의마디변화를관찰하고근육원섬유마디가변한이유를설명한다. 근수축원리를쉽게설명할수있는모델을설계한다. 근육원섬유마디의변화는전자현미경으로촬영한사진 을제공한다. 20 PPT 정리 탐구내용공유하기 설계한모델을발표하면서서로의생각을공유하고근수축원 리를이해한다. 10 활동을통해학생들이새로알게된내용을확인한다. - 74 -

01. 닭발, 어떻게움직일까? 안그래도다리가굵은데하체운동을해서종아리근육이더생기면어떻게해요? 라고묻는사람들이많습니다. 하지만걱정마세요! 근육이그렇게쉽게생긴다면누구나역도국가대표선수가될수있을겁니다. 그럼에도헬스클럽에서웨이트트레이닝을하는여성분들이종아리가굵어졌다고호소하는이유는무엇일까요? 그이유를알아보기전에먼저닭발의움직임을통해운동에원리에대해알아봅시다. 닭발움직여보기 실험닭발을움직여보자. 실험목표 1. 닭발의움직임을관찰할수있다. 2. 닭발을움직이는근육에대해호기심을갖는다. 실험시유의사항 1. 칼을사용하여닭발의피부를벗길때손을다치지않도록주의한다. 2. 면장갑을끼고칼을다룬다. 지도시주의사항 1. 닭발을만질때비닐장갑을끼고만질수있도록한다. 2. 냄새가심할경우마스크를쓰도록한다. 3. 사용한닭발은음식물쓰레기통에버리거나땅에묻도록한다. - 75 -

실험준비물 칼, 닭발, 롱로오즈, 수술용장갑, 해부접시, 면장갑, 메스 실험방법 1. 닭발의끝부분피부를칼로잘라벗겨낸다. 속에있는흰색의스프링같은힘줄이보일수있도록한다. 2. 메스로뼈에붙은힘줄과근처 에있는근육을떼어놓는다. 3. 손으로힘줄을잡아당기며다리 와발가락의움직임을관찰한다. 교사지도 Tip 힘줄이손으로잘당겨지지않을때는롱로오즈를사용한다. 실험결과및토론 1. 살아있는동물에서힘줄을잡아당기는것은무엇일까? ( 예시답안 ) 근육 - 76 -

2. 살아있는동물에서실제로힘줄을잡아당기는것의생김새를간단하게그려보자. 예측힘줄은어떻게당겨지는것일까? 살아있는동물에서실제로힘줄은어떻게당겨지는것인지글과그림으로간단하게나타 내보자. 실험원리 힘줄 ( 건 tendon) 힘줄 ( 건腱 ) 은근육을뼈에부착 ( 연결 ) 시키는구조물 ( 부착물 ) 로써강한장력에견디도록인대와매우비슷한구조로되어있으며이런연결섬유는근육의양쪽에서발견된다. 유연성을지닌조직이며굵기, 길이, 형태는근육의종류에따라다르다. 건이뼈나연골에부착되는곳에서는건섬유의일부는골막에부착하고, 일부는골막을뚫고골질또는연골질속에들어가있다. 건자체는매우단단하여끊어지는일은없으나, 너무강하게당기면건과뼈사이가벗겨지는수가있으며, 이러한건의박리현상은아킬레스건에서자주일어난다. 인대 (ligament) 인대는뼈와뼈를연결하여관절의안전성을유지하는구조물로써, 교원섬유와탄성섬유가주성분인기질과섬유모세포라고불리는세포들로이루어진다. 연부조직으로서단단한뼈를지지하는인대는여러가지힘에견딜수있어야하기때문에섬유조직들이평행으로배열하여매우밀집된구조를지닌다. - 77 -

힘줄 ( 건 ) 과인대의차이는무엇인가? 힘줄과인대는몇가지공통적인면이있다. 이들은신장력이크지않는강인한연결조직이라는공통점을갖고있다. 물론인대는대체로힘줄보다는많이늘어난다. 하지만이들의기능은서로다르다. 힘줄은근육에붙은강인한끈이다. 힘줄은근육의인력 ( 引力 ) 을뼈로전달해뼈와몸이움직이도록해준다. 이에반해인대는끈모양을하기도하고더러는넓고평평하며반창고같은형태를하고있으며관절주위를감싸주기도한다. 그렇게함으로써관절을압박으로부터보호해탈구를막아주며삐거나파열되지않게해준다. 힘줄과인대의상해는심한통증과기능장애를초래할수있다. 인대는신체어디에서나발견할수있다. 특히손목과발목, 무릎, 어깨그리고팔꿈치관절주위에인대가붙어있다. 그생김새가반창고처럼납작하거나신발끈처럼긴인대는목뼈와척주를단단히고정시켜주는역할도담당한다. 관절이삐는것을염좌상이라하는데단순히관절이삔다면상관이야없지만인대가늘어나거나인대가끊어진다면수술로완치하여야합니다. 골격근골격근은뼈에붙어몸의움직임으로조절하는근육으로다른근육보다훨씬빠른속도로강력한수축을할수있으나쉽게피로해지는특징이있다. 골격근의양끝은서로다른뼈에붙어있어골격근이수축하면뼈대가움직인다. 뼈대에는 2개의골격근이쌍으로붙어서로반대로작용한다. 예를들어팔을움직이는골격근은아래그림과같이한쪽이수축하면다른쪽근육은이완하여팔을들어올리거나, 내리게한다. 골격근은평행하게배열된여러개의근육섬유다발로구성되어있고, 각각의근육섬유는더가느다란근육원섬유로이루어져있다. 하나의근육원섬유를전자현미경으로관찰하며아래그림과같이근육원섬유마디라고하는구조가여러개반복되는것을볼수있다. - 78 -

근육원섬유마디는근수축의기본단위이며, 근육원섬유마디와마디를구분하는경계선을 Z선이라고하다. 근육원섬유마디는굵은마이오신이가는액틴필라멘트사이에일부분씩겹쳐배열되어있는구조를하고있다. 근육원섬유마디에서마이오신이있는부분은어둡게보이고, Z선주위의액틴필라멘트만있는부분은밝게보인다. 골격근은이러한구조때문에어두운 A대 ( 암대 ) 와밝은 I대 ( 명대 ) 가반복되는가로무늬가나타난다. 그래서골격근을가로무늬근이라고도한다. - 79 -

근수축의원리 관찰해보기 근수축이할때근육원섬유마디의변화 는왜생기는것일까 아래그림은근수축할때생기는근육원섬유마디의변화를전자현미경으로관찰한 것이다. 관찰결과및정리 1. A 대, H 대, I 대는어떤특징을나타내는가? ( 예시답안 ) A 대는어둡고, I 대는밝다. H 대는짧고어둡다. 2. 근육원섬유가수축하면 A 대, H 대, I 대의길이는각각어떻게변하는가? ( 예시답안 ) A 대는변하지않고, I 대는짧아지며 H 대는사라진다. 3. 근육원섬유가수축할때근육원섬유마디가짧아지는이유를설명해보자. ( 예시답안 ) 근육이수축할때 I 대가 A 대사이로미끄러져들어가기때문이다. - 80 -

원리 근수축의활주설근육원섬유마디가수축할때액틴필라멘트가마이오신사이로미끄러져들어가근육원섬유마디가수축하며, 이때 ATP 에너지가사용된다. 따라서근수축이일어날때근육원섬유마디는짧아지지만, A대의길이는변하지않고 I대와 H대가짧아진다. ( 출처 : 심규철외 5명. 2011. 고등학교생명과학 Ⅰ. 비상교육 ) 설계해보기 근수축활주설모형 근수추활주설을쉽게설명할수있는모형을설계하여보자. ( 예시답안 ) - 81 -

참고자료 인공근육 자신보다 10 만배무거운짐도번쩍드는인공근육개발 한양대전기생체공학부김선정교수팀은미국호주등의국제나노연구팀과함께자신의무게보다 10만배나무거운짐을들수있는강하면서도유연한실모양의인공근육을개발했다. 인공근육은전기를흘려주면운동을하는물질이나장치를뜻한다. 지금까지개발된인공근육은늘어나거나줄어들수있어굽히거나펴는동작은할수있었지만비틀거나회전운동은하지못했다. 연구팀은지름이 0.015mm에불과한원통형탄소나노튜브안에파라핀을넣어실모양의새로운하이브리드소재를만들었다. 이소재에열을가하면파라핀이팽창하면서소재전체의부피가늘고길이는짧아진다. 이런현상을이용해소재를나선형으로꼬아놓으면비트는동작은물론이고회전운동도가능하다. 이소재로만든근육은매우유연해실처럼꼬거나매듭을지을수있고바느질도가능하다. 강도역시뛰어나다. 이근육은수축할때 0.025초의속도로빠르게줄어들뿐만아니라실제근육이수축할때내는힘보다훨씬더강한힘을낼수있다. 연구진은이인공근육이구조가간단하면서성능이뛰어나기때문에로봇이나섬세한수술을위한장비, 초소형모터나밸브등다양한곳에활용할수있다고설명했다. 김교수는 이인공근육은연구실에서액체속에서나작동하는것이아니라일반대기중에서도작동이가능해곧바로실용화가가능하다 며 모터나로봇산업, 의생명분야에파급효과가클것으로기대된다 고말했다. 이연구결과는세계적과학학술지 사이언스 11월호 (11월 16일 ) 에게재됐다. ( 출처 : 동아일보 A27 면 4 단 기사입력 2012-11-16 03:14 이재웅동아사이언스기자 ilju2@donga.com) - 82 -

평가 학생들은닭발을움직여봄으로써근육의운동원리에대해호기심을갖고근육의구조와운 동원리에대해탐구해본다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 근육의구조와운동원리를연결지어예측 할수있는가? 창의적 설계 근육의운동원리를쉽게설명할수있는 모형을설계할수있는가? 능동적인자세로탐구를해결해가려는의지 를가지고있는가? 감성적 터치 서로의경험을나누고, 의견을모으는등 협력적인태도를갖는가? 다른학생의발표를경청하는가? 교사의견및채점평가 합산 - 83 -

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2 차시 흰근육과빨간근육은무엇이다를까? 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅰ(3) 항상성과건강 - 항상성과몸의조절 연계단원 수업차시 2 차시지도대상고등학교 1~3 학년 활동유형 토의발표 교과학습 목표 1. 근육의종류를말할수있다. 2. 지근과속근의특성을이해할수있다. 교과연계 성 중학교 1~3 과학고등학교생명과학Ⅱ (14) 자극과반응 - 항상성유지체내 외환경변화에대한신경과호르몬의조절작용으로항상성이유지됨을이해한다. (1) 세포와물질대사 - 세포와에너지세포의물질대사가효소를이용한화학반응에의해이루어지며, 이에필요한에너지공급이생체막을통한에너지전환과관련됨을이해한다. 학습단계 도입 교수 학습활동생선의흰살부분과빨간살부분을보여주면왜차이가나는지생각해보기같은생선인데왜부위에따라색깔이다른지그이유를생각해보고발표할수있도록한다. 시간 학습자료 ( 분 ) 및유의점 5 PPT 본활동 근육의색 1. 피가붉은이유를설명한다. 2. 근육의붉게보이는이유를물어본다. 3. 다양한근육을보여주며차이를물어본다. 4. 근육의색과에너지발생속도를연관짓는다. 5. 지근과속근의특징을설명한다. 다양한동물의근육사진을준비하여보여준다. 15-87 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 본활동 운동과근육의종류 동물의운동모습을보여준다음어떤종류의근육이많은지예측하도록한다. 다양한스포츠선수의운동모습을보여주며어떤종류의근육이많을지예측하도록한다. 20 PPT 100M 달리기와마라톤, 역도와수영처럼무산소운동과유산소운동이잘대비되는스포츠를선택하여제공한다. 활동을통해 정리 탐구내용공유하기 자신이예측한결과를발표한다. 10 학생들이새로알게된내용을 확인한다. - 88 -

02. 흰근육과빨간근육은무엇이다를까? 참치회를보면같은참치에서나온것인 데도부위별로색이다른다. 왜그런것 일까? 근육의색 사람의피가붉게보이는이유는무엇일까요? ( 예시답안 ) 적혈구때문이다. 헤모글로빈때문이다. 교사지도 Tip [ 헤모그로빈의구조 ] - 89 -

소고기를보면근육이붉게보이는데이유는무엇일까요? ( 예시답안 ) 미오글로빈때문이다. 교사지도 Tip [ 미오글로빈구조 ] 다음은여러동물들의근육이다. 흰색을띠는근육과붉은색을띠는근육은어느것이 며순간적으로빠른운동을하는근육과지속적으로느린운동을하는근육은각각어 떤색일까? - 90 -

흰색 붉은색 근육부위 ( 예시답안 ) 닭가슴살, 개구리뒷다리, 악어, 뱀, 황새치뱃살 ( 예시답안 ) 닭다리살, 오리다리살, 오리가슴 살, 고등어, 연어, 방어, 다랑어 운동속도 ( 예시답안 ) 순간적으로빠른운동을하는근육 ( 예시답안 ) 지속적으로느린운동을하는근육 - 91 -

빠른수축섬유와느린수축섬유 근섬유는근육세포와같은말이다. 근섬유는수축속도에따라속근 ( 흰색근육 ) 과지근 ( 적색근육 ) 으로나누고물질대사과정의이용능력도서로다르다. 빠른수축섬유인속근섬유는 ATP와 PC (Phosphocreatine) 충전기의저장능력이크고무산소호흡능력이좋다. 즉무산소에너지생산능력이발달되어있어빠른속도로 ATP 를생산하여공급할수있다. 그래서속근섬유는높이뛰기, 공던지기, 단거리달리기와같이빠르고강력한무산소운동에우선적으로사용된다. 근섬유의신속한수축이가능하기때문이다. 그러나쉽게지쳐금방피로를느낀다. 지근은수축속도는느리고힘도약하지만잘피로해지지않는특징이있다. 지근섬유는산소전달능력이발달되어있고많은양의산화효소를함유하고있다. 지근은 ATP, PC 충전기의보유량이많지않고무산소호흡능력이미흡한대신미토콘드리아숫자가많아서유산소대사능력이뛰어난편이다. 느린수축섬유인지근은유산소에너지생산능력이발달되어있지만 ATP 생산속도가더디기때문에근섬유수축이느리다. 그대신 ATP를대량생산하는능력이있어근섬유가오랫동안일할수있다. 따라서걷기, 조깅, 수영과같이낮은강도에서장시간하는운동에사용된다. 짧은시간에강력한힘을요구하는웨이트트레이닝에는빠른수축섬유가, 달리기처럼지구력을요하는운동에는느린수축섬유가동원된다. 유산소성대사능력이뛰어난지근섬유는속근섬유보다지방연소능력이탁월하다. 인체는두종류의근섬유를함께가지고있지만개인에따라그비율에차이가있다. 속근섬유의비율이높은사람은빠른운동을, 지근섬유의비율이높은사람은지구력을요하는운동에유리하다. 실제로 100미터달리기유명선수들은빠른수축섬유의비율이, 유명마라톤선수들은느린수축섬유의비율이높다. 근섬유비율은유전인자에의해결정되는경향이있어서운동선수의명성은타고난재질일지도모른다. 성장호르몬은지근섬유보다속근섬유의숫자를증가시킨다. 왜속근을백근 ( 白筋 ), 지근을적근 ( 赤筋 ) 이라고부를까? 그이유는피의순환과관련되어있다. 지근에는혈액중의산소운반의역할을하고있는헤모글로빈으로부터산소를받아들이는미오글로빈이나모세혈관이많이분포해있어붉게보이는것이다. 참치회가붉게보이는것도그이유이다. 거꾸로속근은미오글로빈도모세혈관도적기때문에희게보이는것이다. 중간근은양자가적절히섞여있기때문에핑크색을띠고있다. 속근의능력은나이가들어감에따라쇠해져서무거운것을들수없게되거나, 재빠른움직임이불가능해주춤거리거나넘어지면재빨리몸을바로세울수없게된다. 그렇게되지않기위해서는속근의능력을유지해야한다. 평소천천히조깅만하는중년의주자도가끔스피드훈련이나근력훈련을실시해야하는이유가거기에있다. - 92 -

운동상태와근육의종류 예측지극과속근중어느것이더많을까? 다음동물의골격근에는지근과속근중어느것이더많을까? 그렇게생각한이류를적 어보자. 근육의종류 이유 치타속근순간적으로빠른운동을하기때문이다. 소지근지속적인운동을많이하기때문이다. 거북지근지속적인운동을많이하기때문이다. 돌고래속근순간적으로빠른운동을하기때문이다. 다음운동선수의골격근에는지근과속근중어느것이더많을까? 그렇게생각한이유 를적어보자. 근육의종류 이유 100m 선수속근순간적으로빠른운동을하기때문이다. 마라톤선수지근지속적인운동을많이하기때문이다. 높이뛰기선수속근순간적으로빠른운동을하기때문이다. 경보선수지근지속적인운동을많이하기때문이다. - 93 -

참고자료 이봉주와우사인볼트는 근육색깔 이다르다 근육의색깔 근육의색깔하면빨간색이떠오르지만, 실제로는단순한빨간색이아니다. 근육도고유의색깔을갖는다. 붉은색계통이지만연한핑크빛에서검붉은색까지일련의스펙트럼사이에서한위치의색깔을나타낸다. 근육이붉은색을띄는이유는피때문이다. 특히혈액성분의적혈구는대부분이헤모글로빈으로이루어져있는데, 헤모글로빈은철분을함유하고있어근육의붉은색이유지된다. 더정확하게말하자면근육의붉은색은적혈구나헤모글로빈때문이아니라미오글로빈때문이다. 헤모글로빈이혈액속에서산소를운반하는기능을가진다면근육에서는미오글로빈이산소운반을책임진다. 헤모글로빈이붉은색을띠는이유는간단하다. 철분에산소가합쳐진꼴이기때문이다. 못을생각하면이해하기쉽다. 깨끗한못을마당에내어두어비를맞고햇볕을쐬면녹이슨다. 처음에는진한청색을띠던못이시간이지날수록녹이생겨붉은빛으로변한다. 이렇듯철분에산소가합쳐지면붉은색을띤다. 반대로생각해보자. 어린아이들이추운겨울날문밖으로나가한동안활동하면입술이파래진다. 보통추워지면입술이파래진다고한다. 산소를많이가진헤모글로빈은마치녹슨못과같아붉은빛을띠지만산소가모자란헤모글로빈은붉은색에서청색쪽으로색깔을변형시킨다. 마치녹슨못이다시새못으로변하는것처럼말이다. 이렇듯근육은미오글로빈이라는단백질때문에붉은빛을띤다. 미오글로빈은혈액속의헤모글로빈으로부터산소를받아근육에산소를저장하는역할을한다. 때문에산소를많이가진근육들은자연스럽게더붉은색을갖기마련이다. 그래서근육이더붉다는뜻은더많은산소를가졌거나더많은미오글로빈을가진, 또는더많은미오글로빈들이최대한으로산소를함유하고있다는뜻과같다. 이로써연한핑크빛의근육과검붉은근육들은서로다른미오글로빈의양과산소의양을가졌을것이라는자연스런가정이설정된다. 그렇다. 근육의색깔은산소를가진미오글로빈의양에의해결정된다. 그렇다면연한핑크빛의근육은어디에서볼수있을까? 가장흔한예로는닭고기가있다. 이보다조금더붉은고기로는돼지고기를들수있다. 돼지고기보다더붉은색의고기로는소고기가있다. 직접볼경우는드물지만고래고기는아주붉다. 붉다못해검붉다. 미오글로빈이무지하게많다는의미다. 고기, 즉근육이붉다는의미가산소를많이함유할수있다는의미라면위의동물중어떤동물이근육에산소를가장많이가지고있을까? 그렇다. 고기색깔이검붉은고래다. 고래는포유류임에도불구하고잠수로수십분이상을버틸수있다. 숨을쉬지않고도이미근육속에저장돼있는산소를이용해오랜시간동안잠수할수있는것이다. 반대로닭은숨을못쉬게하면빠른시간안에기절한다. - 94 -

인간은다양한색깔의근육을갖는다. 인간도다른포유류들과유사한근육색깔을갖는다. 굳이비교하자면돼지와소고기색깔의중간정도다. 물론인간들은부위에따라다른색깔을보이기도한다. 산소가많이필요한부위의근육은더붉은색을띄며산소가덜필요한부위의근육은핑크빛쪽으로치우쳐보인다. 사람들간에도서로다른근육의색깔을보인다. 산소를많이이용하는근육을가진사람들은근육이붉고산소를덜이용하는근육을가진사람들은핑크빛을보인다. 산소를많이이용한다는것은계속적으로호흡을통해에너지를이용한다는의미다. 때문에마라톤선수들은붉은색의근육을가진다. 반대로산소를이용하지않고단번에힘을발휘하는근육을가진사람들은핑크빛의근육을가진다. 대표적인예가단거리달리기선수들이다. 마라토너이봉주의근육이 100m 세계신기록보유자인우사인볼트의근육보다붉다는의미다. 밝은핑크빛의근육은힘을내는데적합하고진한색의근육일수록지구성에유리하다. 밝은색근육은힘을내야하기때문에가능한한큰덩어리를유지한다. 여러가닥의고무줄이한꺼번에뭉쳐있다고생각하면쉽다. 근육이큰힘을발휘하기위해많은고무줄들을한꺼번에잡아당겼다가튕겨주는이치다. 그러나쉽게지치는단점이있다. 반면진한색의근육은쉽게피로하지않는다는특징을가진다. 근육이가진산소를이용해더많은에너지를공급할수있는기능을가졌기때문이다. 그러나큰힘을내지못한다는단점도있다. 때문에지구력이강한근육은얇고가늘다. 이봉주와우사인볼트의근육을생각해보면이해가빠르다. 밝은핑크빛의근육은순발력과파워가강하고진한붉은빛의근육은지구력이강하다. 우사인볼트 ( 좌 ) 는밝은핑크빛근육의소유자, 이봉주 ( 우 ) 는진한붉은빛근육의소유자. 근육의색깔은사람들간에도조금씩다르지만신체부위별로도조금씩다르다. 다리근육과손근육, 안면근육의색깔은서로다르다. 허리와다리근육의색깔은진한편이고안면근육은밝은편이다. 기능도대략짐작이가능하다. 허리근육과목근육은자세를지속적으로곧게유지하는기능을수행해야한다. 때문에계속적인긴장이필요해금세피곤해지면안된다. 그래서붉은계통의색깔을보인다. 하지만안면근육은지구력이필요하지않아밝은색의근육을가진다. 근육은유전에의해결정된다. 가끔궁금하다. 나도이봉주나우사인볼트처럼될수있을까. 답은 그럴수없다. 이들 은자신의근육색깔을가지고태어났다. 운동선수는타고난다는말은이때문이다. 그럼 - 95 -

또궁금하다. 후천적인노력으로개조할수는없는지말이다. 이에대한답역시 그럴수없다 이다. 근육의색깔은근육이정하는것이아니라신경이정하기때문이다. 결론부터말하면, 미오글로빈이많은 (= 산소를많이가진, 지구력이강한, 비교적얇은 ) 근육은이근육을움직이게하는대뇌로부터의운동신경이지배하기때문이다. 그렇다면신경을바꾸면가능할지또궁금해진다. 그렇다. 신경을바꾸면근육은바뀐다. 그렇다면신경은어떻게바꿀수있을까? 이부분이바로 유전 이라는것이다. 어떤근육이만들어질지는바로어떤신경을가지고태어나는지에달렸다. 즉훈련, 또는어떠한방법을동원해서도근육은거의변하지않는다. 때문에 100m 달리기와마라톤에서함께금메달을딸수있는인간은존재하지않는다. ( 출처 : 한겨레뉴스과학향기등록 : 2011.12.06 11:09 글 : 이대택국민대학교체육학부교수 http://www.hani.co.kr/arti/science/kistiscience/508787.html) - 96 -

평가 학생들은다양한동물의근육을관찰함으로써근육의종류와운동형태에대해호기심을갖 고근육의종류와체형에대해탐구해본다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 운동의종류와근육의근육종류를연결시 킬수있는가? 능동적인자세로탐구를해결해가려는의지 를가지고있는가? 감성적 터치 서로의경험을나누고, 의견을모으는등 협력적인태도를갖는가? 다른학생의발표를경청하는가? 교사의견및채점평가 합산 - 97 -

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3 차시 건강하게생활하려면? 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅰ(3) 항상성과건강 - 항상성과몸의조절 연계단원 고등학교운동과건강생활 (1) 운동과건강관리 - 건강과운동의관계 이해 수업차시 3 차시지도대상고등학교 1~3 학년 활동유형 토의발표 교과학습 목표 1. 근육의종류에따른운동방법을이해할수있다. 2. 나에게적합한운동방법을구성할수있다. 교과연계 성 중학교 1~3 과학고등학교생명과학Ⅱ (14) 자극과반응 - 항상성유지체내 외환경변화에대한신경과호르몬의조절작용으로항상성이유지됨을이해한다. (1) 세포와물질대사 - 세포와에너지세포의물질대사가효소를이용한화학반응에의해이루어지며, 이에필요한에너지공급이생체막을통한에너지전환과관련됨을이해한다. 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 도입부의 팔, 다리가굵어지면어떡하지? 의상황 다시도입 헬스클럽에서웨이트트레이닝을하는여성분들이종아리가굵어 도입 졌다고호소하는이유는무엇일까요? 그것은근육이갑작스러운운동으로일시적인충격을받아종아리뒤쪽근육이단단해지기때문입니다. 활동력이약하던근육을갑자기과하게사용하면일시적인근육쇼크상태로돌입하는데, 5 도입부상황 자료제시 (ppt) 근육이뭉치고딱딱해지고부을수는있습니다. 그래서준비운동과자신의몸상태에맞는운동이필요한것입니 다. 그러면이제부터자신의몸상태를고려한운동방법을구성 해봅시다. - 101 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 자신이원하는체형그리기 1. 자신이원하는체형을그려본다. 2. 자신이원하는체형을만들기위해발달시켜야할근육부위와근육의종류를적는다. 15 PPT 본활동 나에게적합한운동방법구상 1. 건강관련체력이해 2. 근육의부위와근육의종류에따른운동방법을알아본다. 3. 원하는체형에맞는운동방법을구상한다. 20 PPT 정리 탐구내용공유하기 구상한운동방법을발표하면서서로의생각을공유하고근육 의종류와운동방법의관계를이해한다. 10 활동을통해학생들이새로알게된내용을확인한다. - 102 -

03. 건강하게생활하려면! 활동력이약하던근육을갑자기과하게사용하면일시적인근육쇼크상태로돌입하는데, 근육이뭉치고딱딱해지고부을수는있는데이것을보고종아리가굵어졌다고생각할수있습니다. 이렇게뭉치고딱딱해진근육은남자의경우1개월, 여자의경우3개월까지갈수있습니다. 그래서이런일을예방하기위한준비운동과자신의몸상태에맞는운동이필요한것입니다. 그러면이제부터자신의몸상태를고려한운동방법을구성해봅시다. 체형그리기 내가원하는체형그려봅시다. 그려놓은체형에발달시켜야할근육부위와근육의종류를적어보세요. - 103 -

운동방법구상 건강관련체력이란? 건강관련체력이란일상생활을영위하는데최소한갖추어야할체력을말한다. 이러한건강관련생활체력은큰피로감없이적극적으로작업활동에종사할수있는능력뿐아니라취미생활이나레크레이션활동에참여하고불의의사태에대처할수있는능력도포함하고있다. 건강관련체력요소는근력, 지구력그리고순발력과유연성을기반으로하고있다. 교사지도 Tip 체력에서가장중요한두가지요소는근력과근지구력이다. 근력은근육이저항을이겨내기위해최대한으로수축력을발휘하는능력이며, 근지구력은일정기간동안최대하힘으로반복할수있는능력을말한다. 근력은근육이수축할때발생하는힘이며근육의횡단면적에비례한다. 근지구력은근육의활동지속력이며근육이피로감을느끼지않고계속힘을발휘할수있는시간또는근육이피로감을느끼지않고주어진부하에서반복하여힘을발휘할수있는횟수를말한다. 윗몸일으키기, 팔굽혀펴기와같은동적근지구력과오래매달리기와같은정적근지구력이있다. 근력강화는근섬유의비대또는근육운동에동원할수있는근섬유의정량적숫자가증가함을의미한다. 근섬유의비대는근섬유의크기가증대되는것이다. 무게를점진적으로올려가며근력운동을지속하면근섬유가비대해지고근수축에참여하는근섬유의숫자가많아져서근력이강화된다. 오랫동안근력운동을하지않은사람은근섬유의기능이약화되며다수의근섬유를동원하기어렵다. 근력은앉았다일어서기, 걷기, 물건나르기, 집안일등일상생활이나스포츠, 레저등인간의모든활동에필수적이다. 따라서근력운동은심폐기능을단련시키는유산소운동과더불어삶의질을향상시키는중요한수단이며위기상황에서벗어나기위한신속한동작의근원이다. 강건한근력은신체적위기에효과적으로대처하여크고작은부상을감소시킨다. 근력운동은뼈를단단하게만들어골다공증을예방하는효과가있다. 신체자세는뼈대와근육에의해유지된다. 근력이약하면체형이변하거나비특이적통증을동반하기도한다. 근력은자세를개선시키고매력적인몸매를유지시켜준다. 특히여성의곡선미는근력에의해창출된다. 증대된근력은체중을조절한다. 근력운동으로늘어난근량 ( 筋量 ) 이더많은칼로리를소비하기때문이다. 건강관련체력요소의증진은호흡, 순화기능의향상과성인병예방및비만해소, 그리고생활에새로운활력을불어넣는원동력이된다. 운동의종류와운동강도 유산소운동 : 최대심박수의 60~80% 의강도로 15~60분정도의운동을실시하면효과적이다. 무산소운동 : 자신이한번들수있는최대무게의 60~70% 정도의무게를 8~12횟수로 2~3회반복하여실시한다. - 104 -

교사지도 Tip 유산소운동은오랜시간을요하는운동으로운동을할때산소가필요하며몸속에축적된지방을주에너지원으로사용하기때문에체지방을분해하는데효과적이다. 유산소운동으로는걷기, 체조, 조깅, 자전거, 수영, 에어로빅, 테니스등이있다. 무산소운동은단시간에큰힘을요구하는운동으로산소를필요로하지않으며근육량을늘리는데효과적이다. 복근운동, power lifting, 팔굽혀펴기, 아령운동등이있다. 운동의강도는일반적인느낌으로는숨이적당하게차오를정도가이에해당한다. 강도가너무강하면운동을쉽게포기하게되며또한다음날온몸이아파서운동을할수없게되어버린다. 지방은운동시작후약15분후부터태워지기시작한다. 따라서강도를세게해서짧게끝나는운동은지방을빼려는목표를가지고있는사람에게는적당하지않은운동방법이다. 운동빈도운동시간은초기에는 20분부터점차증가시켜 1시간으로늘여가는것이좋다. 운동량이측정되지않거나시간적으로여유가있으면어떤단위를정해놓고이것을증가시키는반복적인훈련방법을택해야합니다. 1시간씩혹은 30, 40분등빈도는처음에주당 3회로시작하여신체적인무리가없다면매일운동하도록하는것이바람직하다. 그러나적절한운동강도를선택한다면매일운동하는것도무관하다. 설계 나에게맞는운동방법 목표심박수는운동강도의지표이므로다음방법으로자신의목표심박수를계산해보 자. 가. 220 에서나이를뺀다. 최대심박수 = 220- 나이 = 나. 최대심박수대비목표심박수의비율을정한다. 목표심박수의적절한비율은 60%~80% 이다. 목표심박수의단위는분당심박수이다. 최대심박수 목표심박수비율 = 속근을발달시키는운동방법을선택하고운동강도와운동빈도를정해보자. - 105 -

운동방법운동강도운동빈도 지근을발달시키는운동방법을선택하고운동강도와운동빈도를정해보자. 운동방법운동강도운동빈도 교사지도 Tip 스트레칭은근육과관절을유연하게하여운동중의부상이나운동후의피로회복에효과적이므로운동방법을고안할때는운동전과운동후에요가나맨소체조로각관절을충분히풀어줄수있도록한다. - 106 -

평가 학생들은건강한생활을위한체력향상의중요성을이해하고근육의종류와그에따른운 동방법을연결지어자신에게맞는운동방법을고안해본다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 원하는체형에맞는근육의종류와운동방 법을연결지을수있는가? 창의적 설계 자신에게적합한운동방법을설계할수있 는가? 능동적인자세로탐구를해결해가려는의지 를가지고있는가? 감성적 터치 서로의경험을나누고, 의견을모으는등 협력적인태도를갖는가? 다른학생의발표를경청하는가? 교사의견및채점평가 합산 - 107 -

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융합인재교육 (STEAM) 주제별프로그램개발 - 바이오 어떻게하면김치를 안전하게운송할수있을까? 고등학교용

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교육과정관련안내 2009 개정 교육과정 고등학교생명과학 Ⅱ. (1) 세포와에너지 세포와에너지 4 발효를실생활과관련지어이해한다. 해설 본수업은생명활동에필요한에너지공급과관련된호흡에기초한다. 호흡에대한기초적인과학지식의기반위에발효의원리와현상을탐구학습하고학습한내용을실생활과연결하여과학적사고력과창의적문제해결력을기르고자한다. 스팀요소 S T E A M 호흡, 발효원리발효실험, 김치만들기안전한김치운송방법설계안전한김치운송방법홍보안만들기시간에따른기체발생량의변화를그래프그리기 - 111 -

안전한김치운송방법 택배회사의고민 택배회사의고민 요즘택배회사에큰고민이생겼습니다. 시골에사시는부모님들이대도시에사는자녀들에게겨울철먹을거리로맛있게담근김장김치를택배를통해서보내고있는데김치가운송도중폭발하는사고가급증하고있기때문입니다. 또폭발하지는않더라고김치고유의냄새가다른택배물건에묻거나베이게되어소비자들의항의가커지고있기때문입니다. 부모님들이정성을다해담근맛있는김치는안전하게배송하는방법은없을까요? - 112 -

어떻게하면김치를안전하게운송할수있을까? 차시주제활동내용 연계 교과 / 단원 1 알코올발효 -효모액만들기 -발효관에효모액과포도당용액넣기 -시간에따른기체발생량의변화관찰 -시간에따른기체발생량의변화를표와그래프로나타냄 생명과학 Ⅱ/1. 세포와물질대 사 2 김치만들기 -페트병을자르기 -배추자르기 -양념섞기 -변화관찰하기 -김치운송과정에서생길수있는문제발견하기 생명과학 Ⅱ/1. 세포와물질대 사 3 안전한김치운송방법고안 -안전한김치운송방법설계하기 -과학적원리제시 -안전한김치운송방법홍보안고안하기 -안전한김치운송방법및홍보안발표하기 생명과학Ⅱ/1. 세포와물질대사화학Ⅱ/4. 화학반응속도 - 113 -

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1 차시 알코올발효 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅱ. (1) 세포와에너지 - 알코올발효 연계단원 수업차시 1 차시 지도대 상 고등학교 1~3 학년 활동유형 실험, 그래프그리기, 토의 교과학습목 표 교과연계성 1. 알코올발효의원리를이해할수있다 2. 효모가무산소상태에서당을분해하여어떤물질을만드는지말할수있다. (3) 항상성과건강-생명활동과에너지고등학교세포가생명활동을하는데필요한물질및생명과학Ⅰ 에너지의출입과관련하여우리몸의각기관계의작용을통합적으로이해한다. 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 김치를배송하는택배회사를고민을들려준다. 김치가운송도중폭발하거나김치고유의냄새가다른택배 물건에묻거나베어소비자들의항의가커지고있다. 김치를안전하게배송하기위해김치가어떻게만들 도입 어지는지과학적원리를알아본다. 김치는대표적인발효식품이다. 발효란미생물이나균 10 효모사진 자료 류를이용하여인간에게유용한물질을얻어내는과정이나 산소를사용하지않고에너지를얻는당분해과정을말한 다. 효모를이용한알코올발효는빠른시간내에발효결과 어떤물질이생기는지알수있다. - 117 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 순서에맞게탐구활동을한다. 포도당용액에생효모를넣어저어준다음발효관에넣고 발효시킨다. 본활동 10% 포도당용액을사용한다. 생효모 2g을사용한다. 30 활동지 효모가들어있는포도당용액을발효관에채우고맹관 부에기포가들어가지않도록발효관을세운다음입구를 솜마개로막고세워둔다. 활동을통 정리 탐구내용발표하기 실험후뒷정리를하고탐구결과를발표하여결과를공유한 다. 다른결과가나온모둠이있는경우그이유를토의한다. 10 해학생들이새로알게된내용을확인 한다. - 118 -

01. 알코올발효 최근 CEO들이읽는만화책이라는입소문을타고급속히번지고있는 신의물방울 이란책이있다. 여기서신의물방울은포도주를뜻한다. 포도를병속에넣고뚜껑을닫아두면포도주가만들어지는데이것은알코올발효가이루어졌기때문이다. 알코올발효결과무엇이만들어지는알아보자. 알코올발효의비밀을풀어봅시다. 실험알코올발효를실험으로확인해보아요. 실험목표 1. 알콜발효의원리를이해할수있다 2. 효모가산소가없는상태에서당을분해하여어떤물질을만드는지말할수있다. 실험시유의사항 1. 맹관부에기포가들어가지않도록한다. 2. 건조효모를가급적새것을사용한다. 지도시주의사항 1. 건조효모를사용할경우따뜻한증류수에녹여사용한다. 2. 용액을뽑아낼때맹관부로공기가들어가지않도록주의한다. - 119 -

실험준비물 생효모, 10% 포도당용액, 10% KOH 용액, 솜, 유리막대, 스포이트, 시계, 큐네발효관, 항온기, 비커, 깔대기, 증류수 실험방법 생 1. 10% 포도당용액 50mL 에생 효모 6g 을넣고유리막대로 저어준다. 2. 효모가들어있는포도당용 액을발효관에채운다. 3. 입구를솜마개로막고큐네발효관을세운다음큐네발효관을 40 항온기에넣은다음맹관부의눈금을 5분간격으로읽는다. 4. 솜마개를빼고냄새를맡아 본다음, 팽대부의용액을덜 어낸다. 5. 10% 수산화칼륨 (KOH) 용액 5mL 를첨가한다. 6. 맹관부를약간기울인다. - 120 -

실험결과및토론 1. 시간에따른기체발생량의변화를표와그래프로나타내어본다. 시간 0 5 10 15 20 기체발생량 기체발생량 (ml) 0 5 10 15 20 시간 ( 분 ) 2. 냄새를맡은결과무엇이생성되었음을알수있는가? 알코올 3. 수산화칼륨 (KOH) 용액을넣는이유는무엇인가? 맹관부에모인기체를확인하기위해서이다. 4. 맹관부기체와이용액의접촉면을크게하는이유는무엇인가? 접촉면이커지면이산화탄소와수산화칼륨의반응속도가빨라지기때문이다. 실험원리효모는산소가없는상태에서도포도당을분해하여에탄올을만들고, 이과정에서생성된에너지를이용하여살아간다. 알코올발효는포도당이해당과정을거쳐피루브산이된다음, 해당과정에서만들어진 NADH를이용하여에탄올과이산화탄소를만드는반응이다. - 121 -

예 상 배추로김치를담그면어떤변화가 일어날까? 교사지도 Tip 다음과같은사항을고려하여구체적으로예상하도록한다. 1. 재료가포도당에서배추로바뀜 2. 소금을사용함 3. 산소가없고배추에는많은미생물이존재함 4. 효모를넣어주지않음 예상하기 는다음시간과연계하기위한것으로시간여유가없을때는생략가 능하다. 답안예시 - 백김치가될것이다. - 짠맛만날것이다. - 젖산발효가일어나김치가될것이다. - 아무런변화가없을것이다. - 배추가흐물흐물해질것이다. - 젖산발효가일어나젖산이생길것이다. - 이산화탄소와알코올이생길것이다. - 배추가섞으면서고약한냄새가날것이다. - 122 -

참고자료청국장균주로대체에너지개발? 청국장발효균주가단지청국장제조뿐만아니라대체에너지개발에도이용될 수있는가능성이제시되었다. 청국장박사 로유명한호서대학교생명공학과김한복교수는청국장의주성분인 바실러스리케니포미스 B1 균주 가 β-1,4-글루카내이스(β -1,4-glucanase) 라는효소를분비해 셀룰로오스바이오연료 와같은대체에너지제조에사용될수있음을규명하였다. 김교수는이효소의유전자정보도해독했으며, 과련특허는최근한국과미국, 일본에등록완료하였다. 바이오연료로쓰이는셀룰로오스는나무껍질과식물줄기, 씨앗따위에널리분포하지만분해하기어렵다는단점을가지고있다. 그러나청국장에들어있는 β-1,4-글루카내이스 와같은셀룰로오스분해효소를이용하면이효소가당을만들고, 이당이효모에의해발효되는과정을거쳐알코올을생산할수있다는것이김교수의설명이다. 즉청국장발효균주가원래콩껍질의셀룰로오스를분해하는기능을이용해나 무껍질에존재하는셀룰로오스도분해시켜알코올과같은대체에너지를얻을 수있는것이다. 이렇게만들어진알코올은휘발유와섞어대체에너지원으로이용될수있다. 실 제로미국의경우이미옥수수를이용해만든바이오에탄올을휘발유에섞어쓰 고있다. 다만청국장발효균주의효소액은산성이나중성에서만들어진기존의셀룰로오 스분해효소와달리알칼리성영역에서높은활성을갖고있어생산효율을높 이기위한추가연구가필요한다. - 123 -

평가 학생들이알코올발효실험결과를표와그래프로잘나타낼수있으며, 실 험결과를잘분석하였는지평가하도록한다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 시간에따른기체발생량의변화를표 와그래프로잘나타내었는가? 실험에즐겁게참여하였는가? 감성적 터치 모둠원사이의역할분담이잘이루어 졌는가? 교사의견및채점평가 실험을성공하였는가? 합산 - 124 -

2 차시 김치만들기 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅱ. (1) 세포와에너지 - 발효 연계단원 수업차시 2 차시지도대상고등학교 1~3 학년 활동유형 교과학습 목표 실험, 관찰, 설계 1. 김치를만들수있다. 2. 김치를만들때나타나는변화를말할수있다. 교과연계 성 고등학교 생명과학 Ⅰ (3) 항상성과건강-생명활동과에너지세포가생명활동을하는데필요한물질및에너지의출입과관련하여우리몸의각기관계의작용을통합적으로이해한다. 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 배추로김치를담그면어떤변화가일어날까? 라 는전시간에제시된문제에대해발표한다. 김치는젖산균에의한발효로젖산이생겨시큼한맛을낸 다. 젖산균의종류에따라에탄올과이산화탄소도만들어 진다. 배추로김치를만들면예상한것과같은결과가나오 는지김치만들기를통해확인한다. 도입 김치가발효될때젖산균이큰영향을미친다. 젖산균은눈에보이지않는 0.5~2 μm크기로당분과아미노산을먹고젖산을 10 생산하는세균이다. 젖산균은김치를숙성시킬뿐아니라우유를 치즈로만들기도하는데수십종이알려져있다. 젖산균는당분을먹은후만들어내는물질에따라크게두 부류로나눈다. 하나는젖산만만들어내는호모젖산발효군이고 다른하나는젖산외에이산화탄소나에탄올과같은물질도만들 어내는헤테로젖산발효군이다. 이두부류의젖산균모두김치 를발효시킨다. - 127 -

학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 김치만들기를순서에맞게한다. 25 본활동 1.5 L 페트병 1 개가필요하다. 배추, 마늘, 고추, 소금이필요하다. 배추는 4cm 정도로잘라둔다. 김치가숙성되는과정을관찰하며그변화를기록한다. ex) 배추변화, ph 의변화, 부피변화, 기체발생 5 김치만들기 ( 활동지 ) 정리 관찰내용발표하기 관찰결과를발표하고그결과를공유한다. 결과에차이는 있는경우그이유에대해토의한다. 10 활동을통해학생들이새로알게된내용을확인한다. - 128 -

02. 김치를만들어보아요. 사우어크라우트, 오이피클, 요구르트의공통점은무엇일까? 사우어크라우트는독일전통음식으로양배추를절인음식이고, 오이피클은오이를절인음식이다. 그리고요구르트는우유를젖산발효시킨식품입니다. 이들세음식의공통점은바로발효식품이라는것이다. 우리나라에는발효식품이다양한데이번시간에는대표적인발효식품인김치를만들어보고김치에숨어있는과학원리를알아보자. 김치만들기 실험김치의숙성과정을관찰해보아요. 실험목표 1. 김치를만들수있다. 2. 김치가숙성될때나타나는변화를말할수있다. 실험시유의사항 1. 고추를만지고난다음에는반드시손을깨끗이씻어고추의매운성분이눈에닿지않도록한다. 2. 페트병을자를때손을다치지않도록주의한다. 지도시주의사항 1. 김치가숙성되는데 3 일 ~2 주정도가걸린다. 2. 배추는항상소금물에잠겨있도록한다. - 129 -

실험준비물 1.5L 페트병 1 개, 지름 9 cm의플라스틱원판 1 개, 배추 1 통, 고추가루약간, 마늘약간, 소금 20g, ph 측정지 1 통, 칼, 가위 실험방법 1. 상표를제거한페트병의윗 부분을자른다. 2. 배추, 마늘, 고추를조금씩넣고소금을뿌린다. 병이가득찰때까지이런식의작업을반복한다음소금이고르게퍼져배추의숨이죽도록플라스틱원판을덮고단단히누른다. 3. 마요네즈나잼병같이약간무게가나가는것이나빈병에물을채워올려놓는다. 3일 ~2주동안매일관찰하고, ph의변화도측정한다. 교사지도 Tip 배추는온도에따라빠르면 3일, 늦어도 2주정도면완전히발효되어김치가된다. 따라서김치만들기칼럼이완성되면오른쪽그림처럼만든학생의이름, 만든날짜를적고매일매일 ph를측정하여기록할수있도록한다. 측정한 ph는김치만들기칼럼에기록할수있도록한다. 소금물의 ph가 3.5~3.6 정도로떨어지면김치를맛볼수있다. 김치에곰팡이가피었다면먹지않도록한다. - 130 -

실험결과및토론 1. 시간에따른 ph의변화를표와그래프로나타내어본다. 시간 ( 일 ) 0 1 2 3 4 기체발생량 ph 0 1 2 3 4 시간 ( 일 ) 2. 소금물표면에공기방울이맺히는것을볼수있는가? 이기체는무엇일까? 그렇게생각한이유를적고확인할수있는방법을생각해보자. 미생물의호흡결과생긴기체이므로이산화탄소일것이다. 이기체가이산화탄소라면석회수에통과시켰을때뿌옇게변할것이다. 실험원리젖산균은공기를싫어하는미생물로산소가없는환경에서잘자란다. 산소가있으면죽지는않지만생장이아주더디다. 김치를담글때칼럼안의배추에소금을뿌리면삼투현상에의해배추의세포에서물과당분이빠져나와젖산균이활동하기좋은환경이만들어진다. 그리고배추가소금물에잠기도록하는것은산소가없는환경을만들어젖산균이잘자라도록하기위한것이다. 젖산균은산소가적고당분이많은환경에서당분을먹고젖산을만들어낸다. 시간이지나면김치의 ph가작아지는데이것은바로젖산균이만드는젖산의양이늘어나기때문이다. 젖산균은 ph 5 정도에서가장잘자란다. - 131 -

아래그래프는김치가숙성되는동안 ph 와당분, 젖산의변화를나타낸것이다. 젖산균에도여러종류가있는데당분을섭취한후만들어내는물질에따라크게두부류로나눈다. 하나는젖산만만들어내는호모젖산발효군이고, 다른하나는젖산외에이산화탄소나에탄올과같은다른물질도만들어내는헤테로젖산발효군이다. 이두부류의젖산균모두배추를발효시켜김치를만든다. - 132 -

참고자료 김치맛의비밀은젖산균 김장김치한포기에는무채와마늘, 고춧가루, 젓갈과같은다양한양념이들어간다. 알맞게익은김치의깔끔한맛은 김장과학 의결정체이다. 김치맛은김장을담그는이의손맛에달려있다지만, 김치맛의숨겨진비밀은젖산균이다. 젖산균이없는김치는익지도, 상큼한맛도, 감칠맛도나지않는다. 겉절이비슷한일본의 기무치 가되고만다. 발효가일어나지않기때문이다. 김장김치를막담가놓으면그속에뒤섞여있는잡균과젖산균의전쟁이시작된다. 잡균은산소가포함된공기를좋아하고, 젖산균은산소를싫어한다. 막담근김치와국물속에는산소가많지만곧소진된다. 그래서처음에번성하던잡균이산소의결핍과젖산균의번성으로설자리를잃고죽기시작한다. 산소가없어진국물에잠긴김장김치는젖산균세상으로변하기시작한다. 막김장을했을때는 1만마리 /ml 정도인젖산균수가김치가익었을때는 6,000만마리 /ml 로급격하게늘어난다. 이때는김치한젓가락만먹어도 40 억 ~50먹마리의젖산균을섭취할수있다. 김치속젖산균은배추잎과물관속에깊숙이파고들어가있기때문에살아있는젖산균이장까지도달하여장건강에도움을준다. 젖산균의먹이는배추와고춧가루속에들어있는포도당과과당, 양념과함께버무려들어간설탕이다. 과당은꿀과과당시럽의주성분이다. 젖산균은이들을먹고김장김치의독특한맛을내는젖산, 아세트산, 알코올, 덱스트란 (Dextran), 만니톨, 이산화탄소와같은여러물질을만든다. 젖산은신맛을, 아세트산은신맛과냄새를, 알코올은냄새를, 덱스트란은감칠맛을, 만나톨은단맛을, 이산화탄소는톡쏘는탄산을만든다. 잘익은김장김치를식탁에내놓을때가장늦 - 133 -

게내놓으면탄산이빠져나가는것을최소화할수있어톡쏘는맛을즐길수있다. 김장독을열어김치를꺼내먹기시작하면김치속으로공기가들어가면서효모와같은잡균이다시제세상을맞게된다. 그래서국물밖으로나온배추에는허연골가지가피고, 군내와같은역한냄새가난다. 효모는배추김치의아삭한식감을주는성분을분해해김치를무르게한다. 김치젖산균은 20여종이발견되었다. 우리나라에서처음발견해국제학회에보고한것만 6종이다. 김치젖산균은생명력도강하다. 김치젖산균을우유에넣으면치즈를만들지만우유에서추출한젖산균을김치에넣으면곧죽어버린다. 김치젖산균의항암효과, 아토피치료효과도여럿보고되고있다. - 134 -

평가 학생들이김치만들기실험결과를표와그래프로잘나타낼수있으며, 실 험결과를잘분석하였는지평가하도록한다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적 사고 시간에따른 ph 변화를표와그래프로 잘나타내었는가? 실험에즐겁게참여하였는가? 감성적 터치 모둠원사이의역할분담이잘이루어 졌는가? 교사의견및채점평가 김치만들기를성공하였는가? 합산 - 135 -

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3 차시 택배회사의고민을해결하자 교사용교재

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수업지도안 단원고등학교생명과학 Ⅱ. (1) 세포와에너지 - 발효 연계단원 고등학교화학 Ⅱ (4) 화학반응속도 수업차시 3 차시지도대상고등학교 1~3 학년 활동유형교과학습목표교과연계성 문제해결, 설계 1. 김치를운송하는과정에서나타나는문제를발견할수있다. 2. 김치운송과정에서나타나는문제를해결할수있는방안을제시할수있다. (3) 항상성과건강-생명활동과에너지고등학교세포가생명활동을하는데필요한물질및생명과학Ⅰ 에너지의출입과관련하여우리몸의각기관계의작용을통합적으로이해한다. 학습단계 교수 학습활동 시간 ( 분 ) 학습자료 및유의점 배추가김치로변하는과정에서나타나는변화를 도입 발표한다. 이산화탄소가만들어진다. 신냄새가난다. 김치를포장해서배달할때생길수있는문제가무엇 인지김치의숙성과정과연관하여발표해보자. 김치가발효될때발생하는이산화탄소가김치가숙성됨에 따라, 온도가상승함에따라팽창하여포장재가터질수있다. 본활동 그리고김치가숙성할때발생하는김치특유의냄새가다른택배물품에밸수있어택배물품을받는소비자의기분을상하 게할수있다. 김치를운송할때생길수있는문제를해결하는방법을설계 하고발표한다. ex) 냉장상태에서운송, 이산화탄소흡수제사용 설계내용발표하기 활동을통해 정리 활동을통해학습에대한즐거움갖기자기평가 상호평가를통하여서로의아이디어를 학생들이새로알게된내용 공유한다. 을확인한다. - 139 -

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03. 택배회사의고민 우정사업본부가 ' 김장김치폭발사고 ' 로진땀을흘리고있다. 김장철이막바지에접어들면서김장김치택배의뢰건이크게늘었지만비닐포장등이중간에터지는일이잇따르고있기때문이다. 대부분시골및도시의부모가김장김치를담근뒤이를비닐로싸맞벌이자녀에게택배로부치는경우가많은데, 전달도중김치가익으며발생한가스로비닐봉투가파손되기때문이다. 김치를운송할때생길수있는문제발견하기 김치가숙성될때나타나는변화를관찰하였는가? 관찰한것을발표해보자. ph 가변하였다. 시큼한냄새가난다. 기체 ( 이산화탄소 ) 가발생한다. 배추의숨이죽는다. 물이생긴다. 김치를보관하거나운송할때곤란한일을당한경험이있나요? 김치를보관하거나운송할때어떤문제가생길수있을까요? 다음과같은방법으로김치를보관하거나운송할때생길수있는문제를찾아적어보자. 이름김치포장상태발생한문제 모둠원 1 홍길동비닐로한겹포장했다. 비닐이터져김치국물이흘 러나왔다. 모둠원 2 모둠원 3 모둠원 4 모둠원 5 모둠원 6-141 -

설계 택배회사의고민해결하기 김장김치를운송할때생길수있는문제를해결할수있는방법을설계한다음시골부모님들이쉽게따라할수있도록만화형식으로표현해보자. 해보아요! 김치포장방법음식물중가장많은배송을차지하는김치의경우에는배송중에김치의발효음식특성상가스가생겨잘못하면폭발할수도있으니비닐봉투에음식물을 3/2정도만넣고잘묶은다음김치가상하지않도록스티로폼박스에아이스팩과함께넣어테이프로잘묶어줍니다. - 142 -

교사지도 Tip 운송과정에서문제를찾을때에는브레인라이팅기법을활용한다. 다음과같은사항을고려하여해결방안을구체적으로설계하도록한다. 1. 이산화탄소의발생및팽창예 ) 김치가숙성하는과정에서이산화탄소가발생하여김치를포장한비닐이터질수있다. 이산화탄소를흡수할수있는화학약품을사용하여이산화탄소를흡수한다. 냉장보관 ( 아이스박스이용 ) 하여운송한다. 이산화탄소발생을고려하여포장용기의 2/3 정도만채워운송한다. 2. 포장용기예 ) 플라스틱이나유리처럼비닐보다튼튼하여잘터지지않는소재로포장한다. - 143 -

참고자료 김치의세계화 1980년대정부는김치의세계화를꾀했다. 그러려면언제어디서나맛이다르지않도록표준화가필요했고, 바다를건너수출하려면신선하게수송할수있는특별한포장도있어야했다. 세계에널리내세울수있는브랜드도필요했다. 투자여력이있는민간기업을수소문했고, 당시정부는소비재분야에서노하우가있었던두산에이일을맡겼다. 두산은인간문화재 38호이자조선궁중음식전수자인고황혜성고문등김치전문가들로부터조언을받아표준화된조리법을만들었다. 대대로전해내려온손맛을표준화한다는의미에서브랜드를 종가집 으로정했고, 브랜드로고에기와지붕을넣었다. 87년강원도횡성군묵계리에횡성공장이준공되면서국내포장김치 1호 종가집김치 가처음출시됐다. 세척 포장은자동화설비로하지만김칫소를넣는것은일일이사람손으로해야했다. 청결을강조하기위해생산복에서머리카락이세번적발되는현장작업자는무조건퇴사시키는 삼진아웃제 를시행하기도했다. 가장큰난관은포장이었다. 김치에서탄산가스가생겨비닐팩이부풀어오르다가터지는경우가생겼다. 이를해결하기위해연구한끝에 88년비닐팩안의공기를빼는진공포장방법을개발해특허를획득했다. 89년에는탄산가스흡수제를비닐팩안에집어넣는기술개발에성공하면서수출에박차를가할수있게됐다. 포장김치시장이안정단계에접어든 99년두산은김치를소비자앞에서버무려판매하는 실연매대 를도입했다. 직접보여주면품질에대한신뢰를얻을수있다는판단에서였다. 99년 1100억원규모였던가정용상품김치시장은실연매대도입후 1500여억원규모로확대됐다. 김치맛을더좋게하기위해 3년여간의연구끝에 2005년에는유산균 류코노스톡 배양에성공했다. 류코노스톡균을찾아내기위해제주도를비롯한전국맛집에서김치를얻어연구했다. 전북남원의한유명맛집에선사흘간꼬박주방의궂은일을도운후에야김치를얻을수있었다. 이렇게얻어진류코노스톡균은김치를시게하는산패균의번식을억제하고, 아삭하고시원한맛을오랫동안유지시켜주는역할을했다. 2006년회사가두산에서대상FNF로바뀐후에도종가집브랜드는계속유지되고있다. 종가집김치는지난해약 2800만달러 ( 약 320억원 ) 어치가중국 일본 유럽에수출됐다. - 144 -

평가 학생들이김치운송할때생기는문제의원인과해결방법을만화로잘표 현하였는지평가하도록한다. 평가 영역 평가기준 평가척도 매우 잘 보 미 미완 미제 잘함 함 통 흡 성 출 5 4 3 2 1 0 통합적사고 -다학문적또는간학문적통합 문제의원인과해결방밥을글과그림 으로잘나타내었는가? 감성적터치 -재미 -감성 -열성 -실천 -배려 -다양성인정 교사의견및채점평가 문제해결과정및발표과정에즐겁게참여하였는가? 모둠원사이의역할분담이잘이루어졌는가? 발표할때내용전달이잘되었는가? 합산 - 145 -

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