2015 학년도수시논술전형대비 FINAL 생명과학논술 - 최신고려대기출문제해설서 -
2015 학년도고려대논술 FINAL Chapter 0. 고려대논술전형의개요 1 고려대논술고사안내 1. 전형요소별반영비율및선발비율 구분전형요소별반영비율비고 일괄선발논술 45% + 학생부 55% ( 교과 45% + 비교과 10%) 동점자는모두선발함 2. 대학수학능력시험최저학력기준 구분모집단위및계열최저학력기준 ( 등급 ) 자연계 자연계 ( 의과대학제외 ) 의과대학 국A, 수B, 영, 과 (2) 중 2개영역이상 2등급이내 ( 단, 수B 또는과 (2) 영역반드시포함 ) 국A, 수B, 영 3개영역등급합 4 이내 과학탐구영역은별도지정과목이없으나반드시 2 개과목을응시해야하며, 2 개과목평균등급으로반영함 3. 논술고사일시및장소 1 논술고사시간은 100분임 2 고사일시및고사과목 계열 모집대학 고사일시 ( 고사장입실완료시간 ) 고사과목 필수 : 수학 자연계오전 이과대학, 공과대학, 사범대학 ( 자연 ) 11.22( 토 ) 09:30 선택 : 물리, 화학, 생명과학중택 1 ( 단, 지구환경과학과, 건축학과, 산업경영공학부, 수학교육과는물리, 화학, 지구과학 중택 1) 필수 : 수학 자연계오후 생명과학대학, 의과대학, 간호대학, 정보대학, 보건과학대학 ( 자연 ) 11.22( 토 ) 13:30 선택 : 물리, 화학, 생명과학중택 1 ( 단, 바이오의공학부는물리, 화학중택 1, 바이오시스템의과학부는화학, 생명과학중 택 1) 4. 합격자발표일및등록일 1 최종합격자발표일시 : 12.6( 토 ) 17:00 / 고려대입학처홈페이지 2 합격자등록기간 : 12.8( 월 ) ~ 12.10( 수 ) 16:00 까지 3 미등록충원기간 : 12.11( 목 ) ~ 12.15( 월 ) 21:00 까지 - 3 -
5. 논술고사관련유의사항 (1) 수험표와신분증 ( 주민등록증, 운전면허증, 기간이만료되지않은여권, 주민자치센터에서발급한사진이부착된임시신분증, 청소년증만인정 ) 으로본인여부를철저히대조하니반드시수험표와신분증을지참하여야합니다. (2) 전자및통신기기류등을지참하고고사장에입실할수없으며, 발견시에는부정행위로간주합니다. (3) 입실완료시간까지지정된고사장또는대기실에반드시입실해야합니다. (4) 시험중부정행위로적발되면퇴실조치하며, 불합격처리합니다. (5) 논술고사시컴퓨터용수성사인펜과수정테이프를지참해야합니다. 답안작성은흑색 ( 연필사용가능 ) 또는청색필기구로작성하여야하며, 내용수정도동일한필기구를사용해야합니다. (6) 논술고사의답안지는원칙적으로교환하여주지않으며, 문제지와답안지는가지고나갈수없습니다. 6. 2015 학년도고려대일반전형 ( 논술 ) 모집단위별경쟁률 대학 모집단위 모집인원 지원인원 경쟁률 생명과학부 32 1,151 35.97:1 생명과학대학 생명공학부 35 1,428 40.80:1 식품공학부 15 505 33.67:1 환경생태공학부 23 700 30.43:1 수학과 15 1,016 67.73:1 이과대학 물리학과 15 580 38.67:1 화학과 15 803 53.53:1 지구환경과학과 11 478 42.55:1 화공생명공학과 27 1,841 68.19:! 신소재공학부 43 2,393 55.65:1 건축사회환경공학부 31 1,076 34.71:1 공과대학 건축학과 13 531 40.85:1 기계공학부 45 2,634 58.53:1 산업경영공학부 18 1,045 58.06:1 전기전자공학부 55 3,107 56.49:1 의과대학 의과대학 25 2,410 96.40:1 사범대학 가정교육과 12 265 22.08:1 수학교육과 12 638 53.17:1 간호대학 간호대학 20 454 22:70:1 정보대학 컴퓨터학과 39 1,410 36.15:1 바이오의공학부 22 654 29.73:1 보건과학대학 바이오시스템의과학부 22 690 31.36:1 보건환경융합과학부 38 1,005 26.45:1-4 -
2 고려대논술출제경향 1. 자연계논술의유형과기본방향 1 유형 : 지문제시형 2 기본방향 - 고교과학교육및공교육정상화 ( 제시문을고교교과서에서직접발췌하거나적절하게변형함 ) - 수리논술및과학논술문항들의유형별분리 - 각과학과목의심층사고력측정 3 고사시간 : 100분 2. 자연계논술출제방향 ( 고려대발표내용 ) 1 수학과목문항은필수, 과학과목문항중하나를선택 2 출제범위는고등학교교과과정내로한정 3 수험생에게익숙한내용을위주로문제를출제 4 고등학교교과서및 EBS 교재를활용하여제시문을마련 5 자연계 A 및 B, 두가지유형출제 3. 자연계논술대비방법 ( 고려대발표내용 ) 1 논리적추론및심층사고력개발훈련 2 논술문제의유형및출제의도파악 3 교과서중심의제시문출제및기본개념위주의출제방향에대한대비 4 올바른답안서술 4. 자연계논술응시자점수분포 (2013 학년도기준, 고려대발표내용 / 10 점만점기준 ) 점수 (10 점 만점 환산 ) 도수 ( 명 ) - 5 -
3 2015 학년도모의고사결과 1. 과학논술과목별응시인원분포 수학은필수이고과학은물리, 화학, 생명과학, 지구과학중한문제를선택하며과학과목선택비율은아래와같다. 구분 물리 화학 생명과학 지구과학 계 학생수 150 233 219 41 652 비율 23% 36% 34% 6% 100% 자연계모집단위 24개중에서지구환경과학과, 건축학과, 산업경영공학부, 수학교육과지원자만지구과학을선택할수있 으므로응시자의수가적었다. 2. 고사시간의적절성 구분 부족하다 적절하다 길다 수학 + 물리선택자 25% 70% 5% 수학 + 화학선택자 28% 70% 2% 수학 + 생명선택자 35% 64% 1% 수학 + 지구선택자 18% 80% 2% 3. 제시문의난이도 수학 구분 어렵다 + 매우어렵다 응답자비율 수학 27% 물리 5% 화학 14% 생명과학 14% 지구과학 10% 물리화학생명과학지구과학 - 6 -
4. 논제의난이도 수학 구분 어렵다 + 매우어렵다 응답자비율 수학 59.52% 물리 13% 화학 31% 생명과학 22% 지구과학 29& 물리화학생명과학지구과학 - 7 -
Chapter 1. 2015 학년도고려대논술 FINAL 생명과학출제경향분석하기 다음제시문을읽고각논제에답하시오. - 2015 학년도모의논술문제 - < 가 > 체세포분열은모세포와동일한유전물질을가진 2개의딸세포를형성하는과정이다. 이과정동안 S기에복제된유전물질을가지고있는하나의핵이 2개로나누어지는핵분열과세포질이 2개로나누어지는세포질분열을거쳐 2개의딸세포가만들어진다. 한편, 감수분열은한번의 DNA 복제와두번의연속된세포분열을통해염색체수가모세포의절반인 4개의딸세포가생성되는과정이다. 이때감수 1분열결과상동염색체가분리되어각각의딸핵을생성하고이어서세포질분열이일어나 2개의딸세포가생성된다. 그리고감수 1분열후각각의딸세포에서새로운 DNA 복제없이감수 2분열이일어나다시 2개의딸세포가생성된다. 하나의세포속에들어있는염색체의상대적인수를구성상태에따라표시한것을핵상이라고한다. 서로다른종류의염색체를한조로묶어서 n이라고하는데, 대부분의생물은부계와모계로부터염색체를한조씩물려받아짝수개의염색체를갖는다. < 나 > 아래그림은어떤가상의동물 (2n=4) 의여러세포들을관찰한뒤세포분열과정에있거나세포분열직후인세포들을나타낸것이다. 편의상염색체사이의교차는일어나지않았다고가정한다. < 다 > 적록색맹은적색과녹색을잘구별하지못하는유전형질이다. 적록색맹의유전자는 X 염색체상에있으며, 정상에대해열성으로작용한다. 청색과황색을인지하지못하는청황색맹과달리적록색맹은여자보다남자에서그출현비율이높다. 아래그림은적록색맹을가진어떤가족의가계도이다. - 8 -
< 라 > 사람의감각기관은외부의환경을인식하여이들감각정보를중추신경계로전달한다. 시각의경우도눈에존재하는망막에서빛을감지하여이를신경흥분의형태로전환하여이신호가대뇌로전달된다. 망막에서활동전위를발생시켜뇌로전달하는망막신경절세포는빛이없을때 -70mV 정도의막전위를유지하다빛이감지되면 +40mV 정도로탈분극된다. < 마 > 멘델집단은하디-바인베르크평형상태가유지되는이상적인집단을일컫는다. 이집단은확률의법칙이적용될정도의많은개체로구성되고다른집단과의유전적흐름이없으며돌연변이의확률이무시할수있을정도로낮아유전적평형을이루고있다. 또한집단내에서무작위적인교배가이루어진다. 하디-바인베르크평형상태에서어떤유전자 A의두대립유전자 A와 a의빈도를각각 라할때 ( 단, ), 두대립유전자의전체빈도는 로나타낼수있다. [ 논제 1] 제시문 ( 가 ) 를참조하여제시문 ( 나 ) 의각세포들이가지는핵상에는어떤차이가있는지 n값으로설명하시오. [ 논제 2] 논제 1의각세포들이가지는 DNA의상대적인양에는어떤차이가있는지설명하시오. ( 단, DNA 양이가장적은세포의 DNA 양을 2라고하시오.) [ 논제 3] 제시문 ( 나 ) 의세포들중분열기의세포들만골라그들의딸세포가가진핵상에는어떤차이가있는지 n값으로설명하시오. [ 논제 4] 논제 3의각세포들이가지는 DNA의상대적인양에는어떤차이가있는지설명하시오. ( 단, DNA 양이가장적은세포의 DNA 양을 1이라고하시오.) [ 논제 5] 제시문 ( 다 ) 의적록색맹이남자에게서더많은비율로발견되는이유를설명하시오. [ 논제 6] 제시문 ( 다 ) 의가계도에서 8은어린시절사고로인하여시각을잃어색맹의여부를알수없다. 7과 8 부부가셋째아이를낳을경우색맹인딸을낳을확률을설명하시오. ( 단, 출생시남녀비율은동일하다.) [ 논제 7] 제시문 ( 라 ) 에설명되어있는망막신경절세포의빛에의한전도현상을세포막의능동수송과수동수송의관점에서설명하시오. [ 논제 8] 제시문 ( 다 ) 의가계도가속한집단이제시문 ( 마 ) 의멘델집단으로가정하고, 이집단의적록색맹은유전자 G의대립유전자 g에의해일어나며, 이집단내여성에서의대립유전자 g의빈도가 0.2라면제시문 ( 다 ) 의 12가결혼하여낳은딸이적록색맹보인자일확률을계산하시오. - 9 -
sciholic@scipedia 의 Key Point 난도는높지않으나문항수가다른과목에비해많다. 생명과학은다른영역에비해문항수가많은편이긴한데, 수학과의시간배분을고려한다해도체감난도가높지않은편이다. 관건은, 관련교과내용을머릿속에서빠르게추출해내어간결한답안을작성하되모든문항을다풀어내는것이라할수있다. 생명과학Ⅰ의내용이주를이루며, 체세포분열과비교한감수분열의양상, 가계도분석을통한유전양상, 뉴런내물질출입과활동전위발생양상 에대한내용을잘이해하고있는지가문제풀이의열쇠가된다. 생명과학Ⅱ의내용은보조적성격이강한데, 세포막을통한물질출입양상, 하디-바이베르크법칙 에대한간단한이해정도만으로도충분하다. 실제학생들을대상으로검증을해본결과, 논제 5, 7, 8이가장뚜렷한변별을보인것으로확인되었으니, 세논제에대해서는면밀한검토가필요하다. 해설및예시답안 [ 논제 1] 해답세포1 n 세포2 2n 세포3 2n 세포4 2n ( 혹은, 생식세포인경우 n) 해설세포1은감수2분열분열기의중기로앞선감수1분열 ( 감소분열 ) 을통해이미상동염색체의분리가일어났으므로 (2n n) 2가염색체 (4분염색체) 가존재하지않고염색분체들의결합이보인다. 세포2는감수1분열분열기의중기로, 상동염색체들이결합된 2가염색체 (4분염색체) 를관찰할수있다. 이시기에는여전히양친으로부터물려받은상동염색체들을보유하고있으므로 2n의상태가유지되고있다. 세포3은체세포분열분열기의중기로상동염색체들이 2가염색체를형성하지않고나란히적도판에배열한다. 체세포는세포주기전체를통해핵상의변화가없이 2n 상태를유지한다. 세포4는체세포분열직후간기 (2n) 혹은생식세포감수 2분열직후 (n) 에해당한다. [ 논제 2] 해답세포1의 DNA 양 = 1 세포2의 DNA 양 = 2 세포3의 DNA 양 = 2 세포4의 DNA 양 = 1( 체세포인경우 ) 세포1의 DNA 양 = 2 세포2의 DNA 양 = 4 세포3의 DNA 양 = 4 세포4의 DNA 양 = 1( 생식세포인경우 ) 해설세포1은감수2분열중기의상태로감수1분열중기인세포2가분열한뒤새로운 DNA 복제없이두번째세포분열에들어가는상태이다. 따라서세포1의 DNA양은세포2의절반이다. 상대량 =1 세포2는감수1분열중기의상태로감수분열에돌입하기에앞서 DNA가복제된상태이다. 상대량 =2-10 -
세포3은체세포분열중기의상태로세포분열에앞서 DNA가복제된상태이다. 상대량 =2 세포4는체세포분열직후로세포3에비해 DNA양이절반이다. 상대량 =1 ( 세포4가감수분열직후로여기는경우 DNA 양은세포1의절반이므로상대량 =0.5가된다.) [ 논제 3] 해답세포1의딸세포 n 세포2의딸세포 n 세포3의딸세포 2n 해설세포1의감수2분열은핵상의변화없이염색분체만나누어지면서두개의딸세포로분리된다. 세포2의감수1분열은감소분열이라고부르듯이핵상이 2n에서 n으로감소한다. 체세포분열의딸세포는모세포와동일하게 2n 상태를유지한다. [ 논제 4] 해답 : 세포1의딸세포의 DNA 양 = 1 세포2의딸세포의 DNA 양 = 2 세포3의딸세포의 DNA 양 = 2 해설 : 분열기의세포들은핵막이소실된상태로염색체가응축되어있으므로세포1, 2, 3이분열기의세포들이다. 세포1의감수2분열과정에서새로운 DNA 복제없이세포분열이일어나므로딸세포의 DNA양은세포2에비해절반이다. 상대량 =1 세포2의감수1분열을위해서는 DNA 복제가일어난후세포분열이일어나므로딸세포의 DNA양은 DNA 복제이전의모세포와동일하다. 상대량 =2 세포3은체세포분열과정으로 DNA 복제가일어난후세포분열이일어나므로딸세포의 DNA양은 DNA 복제이전의모세포와동일하다. 상대량 =2 [ 논제 5] 해답및해설 : 반성유전의개념을묻는문제로, 우성과열성의이해를바탕으로매우쉽게답할수있는문제이다. 색맹유전형질이열성임을기술하고, 성염색체의차이에따른 (XX vs. XY) 표현형의차이를기술하되, 색맹유발유전형의집단내빈도를이용하여기술하면높은점수를받을수있다. 우수답안의예적록색맹유전자의빈도를 q라하고이와대립유전자인정상유전자의빈도를 p라하면, p+q=1, 0<p<1, 0<q<1이다. 적록색맹은 x염색체에존재하는반성유전이고열성이다. 따라서남자에게서적록색맹이일어날확률은적록색맹유전자를가질확률 q와같고, 여자에게적록색맹이일어날확률은두개의 X 염색체모두가적록색맹유전자를가질확률인 q 2 이다. 1>q이므로 q>q 2 이다. 따라서남자에서의색맹빈도가높다 부족답안의예적록색맹유전자를가진 X염색체를 X 이라할때, 남자는 XY 또는 X Y 중 X Y가, 여자는 XX, X X, X X 가운데 X X 만이색맹이되므로, 남자는 1/2의확률로색맹이되고, 여자는 1/3의확률로색맹이되므로남자에서의색맹빈도가높다. - 11 -
[ 논제 6] 해답및해설가계도를이용하여유전자의분포를유추하는문제이다. 가계도를이용하여부모의유전형의가능성을유추하고이를이용하여확률을유추하는논리를기술하여야한다. 우수답안의예 1이색맹이므로 X Y( 색맹을유발하는유전자를가진 X 염색체를 X 이라할때 ) 의유전형을가지고, 7은정상형질이지만 1로부터 X 염색체를받아야하므로 X X를가진보인자이다. 4는색맹아들 (X Y) 인 9를낳았으므로 X 을물려준보인자여야하고, 따라서 8은 X 을가질확률이 1/2이다. 따라서 7-8의셋째자녀가색맹인딸일확률은, 7로부터 X 을받을확률 (1/2) x 8로부터 X 을받을확률 (1/2 x 1/2) = 1/8이다. 부족답안의예 8은색맹의여부를모르므로 XY일수도있고, X Y일수도있다. 우선 XY인경우,... 둘째, X Y인경우는... [ 논제 7] 해답및해설막전위형성의원리와활동전위의발생현상을이온의수송관점에서이해하고있는지를묻는문제이다. 막전위생성의원리와활동전위생성의원리를능동수송 / 수동수송의기전으로설명하되, 능동수송과수동수송의원리도함께설명하여야한다. 우수답안의예세포막의세포질측과세포외측사이의막전위는이온의불균등한분포때문에생기는데, 이는주로 Na 이온을세포밖으로퍼냄과동시에 K 이온을세포안으로퍼들이는 Na -K 펌프의작용에의해일어난다. 이펌프는이온의농도구배를거슬러이온을수송하는능동수송이므로 ATP를소비하며일어난다. 이결과휴지막전위상태에서는세포내 Na 이온의농도는세포밖에비하여월등히낮게유지되고세포내 K 이온의농도는세포밖에비하여월등히높게유지된다. 빛의자극이오면망막신경절세포는이에반응하여활동전위를일으키는데, 세포막에존재하는 Na 통로 ( 채널 ) 가자극에의해열리면세포밖의 Na 농도가높으므로확산에의해이온이이동하는수동수송이일어나, 에너지의소비없이 Na 이온의세포내유입이일어난다. 이를통해탈분극이일어나면, 다시 K 통로가열리게되어세포내높은농도로유지되던 K 이온의세포밖으로의수동수송이일어나고이를통해재분극이일어나게된다. 부족답안의예세포막의전위는능동수송에의해일어나고빛에의한전도는수동수송에의하여일어난다. -이경우능동수송과수동수송의정의 ( 에너지사용여부등 ) 를설명하여야한다. [ 논제 8] 해답및해설하디-바인베르크평형의원리를이해하고적용할수있는지를묻는문제이다. 우수답안의예제시문 ( 다 ) 의가계도에서 12는정상남자이므로정상 X 염색체를가지고있고, 따라서그자녀의색맹여부는배우자에의해결정된다. 이집단이멘델집단임을가정하면, 이집단내여성의색맹유전형에따른빈도는색맹유전자 g의빈도 ( 하디-바인베르크공식에서의 q에해당 ) 인 0.2에의해결정된다. 즉, 정상유전자를가진정상여자 (XX) 의빈도는 (1-q) 2 이므로 0.64(64%) 이고, 보인자여자 (XX ) 의빈도는 2(1-q)q 이므로 0.32(32%), 그리 - 12 -
고색맹여자인 X X 의빈도는 q 2 인 0.04(4%) 이다. 이때, 딸이색맹일확률은보인자와결혼할경우의확률인 0.32 x 1/2 = 0.16과색맹인여자와결혼한경우의확률인 0.04 x 1 =0.04의합인 0.2(20%) 이다. 부족답안의예대립유전자의빈도가 0.2이므로확률은 0.2이다. - 이경우틀린답안은아니나, 제시문에서제시한하디-바인베르크평형을응용한답안이아니므로, 감점의요인이됨.) - 13 -
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Chapter 2. 2015 학년도고려대논술 FINAL 2014 학년도기출문제해제 1 2014 학년도오전기출 다음제시문을읽고각논제에답하시오. ( 가 ) K군과 U양은생태계조사를위해각각숲과바다로떠났다. K군은조사지에서식물군집이지표면으로부터몇개의수직적인층으로구성되어있는것을발견했다 ( 그림 1). 맨위의교목층에는 100% 에가까운태양빛이도달했으나가장아래의초본층에는거의빛이도달하지않았다. 따라서 K군은가장아래층에는음지식물이우점종일것이라고판단했다. 한편 U양이해양생태계를조사해보니해조류가수심에따라서수직적인분포를하고있는것을발견했다. 해수면에가장가까운곳에서부터깊은곳의순서대로녹조류, 갈조류, 홍조류가주로분포하고있었다 ( 그림 2). 그림 1. 식물군집의층상구조 (EBS 교재에서인용 ) 그림 2. 수심에따른해조류의분포 (EBS 교재에서인용 ) ( 나 ) 생태계를구성하는환경요인은생물적요인과비생물적요인으로나눌수있다. 생물적요인이란생태계내에존재하는동물, 식물, 미생물등의생물이며, 이들의영양단계에따라서생산자부터 3차소비자까지나눌수있다. 각단계에속하는생물의개체수, 생체량, 에너지양을하위영양단계에서부터상위영양단계의순서대로쌓아올린것을생태피라미드라고한다. 이생태피라미드의모양은환경에따라다양하게나타난다. ( 다 ) 식물세포의세포소기관인엽록체는태양의빛에너지를화학에너지로전환하는과정 ( 광합성 ) 을담당한다. 광합성은빛이있을때일어나는과정 ( 명반응 ) 과빛이없을때일어나는과정 ( 암반응 ) 으로나눌수있다. 명반응에서는물이광분해되어산소가발생되고, 빛을받은색소로부터고에너지전자가방출된다. 암반응에서는명반응에서만들어진산물을이용하여탄소를고정한다. 엽록체는생태계에공급되는빛에너지를유기물로바꾸어생태계를유지하는역할을한다. ( 라 ) 사람을둘러싼환경요인은지속적으로변한다. 그래서사람은몸의외부혹은내부의변화에대해내부 환경을일정하게유지하려는성질 ( 항상성 ) 을갖는다. 항상성의조절은신경계와호르몬의작용에의해일어난 - 15 -
다. 신경계는일정한방향으로자극을전달하는특성을갖고있다. 호르몬은특정한조절중추에서만들어지고표적기관에작용한다. 신경계는비교적신속하게근육과내분비샘에신호를전달하지만, 호르몬은이보다느리게표적기관에신호를전달한다. ( 마 ) 수정란으로부터개체가발생하는과정에서구조와기능이특수화된세포들이만들어지는과정을분화라고한다. 사람의경우난자와정자가만나서형성된수정란은세포분열을거듭하면서단순히세포개수만늘어나는것이아니라특수한기능을수행하는다양한세포와기관이형성된다. [ 논제 1] 제시문 ( 가 ) 의 K군이발견한식물군집에서음지식물은양지식물에비해약한빛에서도효율적인광합성을한다. 이를위해어떤차별화된전략을사용할것인지설명하시오 ( 단, 양엽, 음엽의구조적차이는제외하시오 ). 또한 U양이발견한생태계에서수심에따라해조류우점종이달라지는이유가무엇인지설명하시오. [ 논제 2] 제시문 ( 가 ) 와 ( 나 ) 를참조하여 U양이연구한해양생태계의생태피라미드모양은삼림생태계의생태피라미드모양과비교했을때생체량 (g m ) 에서어떤차이점이있는지설명하시오. [ 논제 3] 제시문 ( 다 ) 에설명되어있는광합성의두반응은서로밀접하게연결되어있다. 암반응이이용하는산물은명반응내의 비순환적전자흐름 과 순환적전자흐름 을거치면서만들어진다. 비순환적전자흐름 에서만들어지는산물중암반응이이용하는산물에대해서설명하시오. 또한 순환적전자흐름 에서방출된전자는어떤경로를거쳐서순환되는지그림을그려간단히설명하시오. [ 논제 4] 사람의체온이일정하게유지되는현상은제시문 ( 라 ) 에서언급한항상성유지의사례이다. 추울때체온을올리기위한우리몸의호르몬조절기작가운데갑상샘이관여하는경로에대해서설명하시오. [ 논제 5] 제시문 ( 마 ) 에서언급한분화의과정에서분화가정상적으로이뤄지기위해서는유전자발현이선택적으로일어나야하며정교하게조절되어야한다. 유전자의선택적발현에의해서분화가조절되는기작을근육세포의분화또는초파리눈의기관형성을예로들어설명하시오. [ 논제 6] 유전자의정교한발현을위해서전사인자가그유전자의프로모터에서부터수천염기쌍정도멀리떨어진서열에결합하는경우도있다. 이서열은무엇인지쓰고, 이서열이어떻게유전자발현에영향을미치는지조절기작을설명하시오. - 16 -
해설및예시답안 [ 논제 1] 관련교과내용떠올리기 1 빛의세기와식물 : 양지식물은음지식물보다보상점과광포화점이높고빛요구량도크다. 빛을잘받는곳에자라는양엽은울타리조직이 2~3층으로발달하는반면음엽은울타리조직에비해해면조직이더발달되어있다. 2 빛의파장에따른해조류의분포 : 바다에사는조류의경우얕은곳에는적색광을주로이용하는녹조류가많이분포하지만, 깊은곳에는긴파장의적색광이도달하지못하고파장이짧은청색광이도달하기때문에청색광을이용하는홍조류가많이분포한다. 그리고녹조류와홍조류의중간위치에는갈조류가많이분포한다. 이처럼조류는자신의몸색과보색관계에있는빛을주로이용하여광합성을하도록적응되어있다. 예시답안초안작성하기 1 음지식물은아래그림과같이보상점과광포화점이양지식물보다낮다. 즉, 호흡량이적어서약한빛에서도호흡량과광합성량이같아지는광포화점에도달할수있으며, 이는약한빛이쬐이는환경에서생존의가능성을높이는방향으로적응을한사례로볼수있다. ( 단, 논제요구조건처럼양지식물과음지식물의구조적차이는언급하지않음 ) 2 식물의이파리가녹색으로보이는이유는녹색계열의빛은이파리에서반사되고청색과적색계열의빛은 - 17 -
흡수되기때문이다. 빛이해수에입사하면파장이긴붉은색계열의빛은투과력이약해수심이얕은곳에서흡수되고초록빛이나파란빛등의파장이짧은빛은수심이깊은곳까지도달한다. 이를종합해보면수심이매우얕은곳에서는물에의한빛의흡수가작기때문에지면의식물과비슷한녹색색소를갖는녹조류가분포하고수심이깊어질수록물에의해붉은색계열의빛이감소하고, 초록색, 파란색계열의빛이상대적으로많이분포하므로조류는초록색파란색계열의빛을흡수하고붉은색계열의빛을반사하는색소를가짐으로서생존의가능성을높이게되었는데이를보색적응이라고한다. [ 논제 2] 관련교과내용떠올리기 에너지량과생체량모두안정적인피라미드형태를이루며, 생산자의에너지가 1차소비자로가장많이이동한다. 에너지량과생체량의대부분이생산자에저장되어있다. 생산자의에너지가 1차소비자로가장적게이동한다. 1차소비자의생체량이생산자보다많다. 이는생산자가매우빠르게분열하는식물성플랑크톤으로생산력은크지만생체량은적기때문이다. 예시답안초안작성하기산림생태계에서생물량의대부분은목재에모여있고이들은초식동물에게일반적으로이용되기어렵다. 따라서생산자인목본식물은큰생물량을보이지만초식동물과이를포식하여살아가는육식동물은생산자에비해크게줄어든양상을보인다. - 18 -
반면해양생태계의생산자는대부분단세포조류이고이들은매우빠르게분열함으로써적은생물량으로초식동물의훨씬큰생물량을유지할수있다. 즉, 생산자의대부분은세균과원생생물이기때문에빠른세포분열로인해증식률이매우높아많은양의 1차소비자를부양할수있다. 이로인해생산자와 1차소비자사이에역전된생체피라미드양상을보인다. [ 논제 3] 관련교과내용떠올리기 - 명반응에서는물의광분해를통해 H 과전자가생성되고, 부산물로산소를배출한다. H O O H e - 물에서유래된전자는틸라코이드막에있는전자전달계를거치고, 최종적으로전자수용체인 NADP 에전달되어 NADPH가만들어진다. - 한편틸라코이드막에있는전자전달계에서전자가이동될때방출된에너지를이용하여 ATP가합성되는광인산화과정이일어난다. - 광인산화에서 ATP를합성하기위해서는광계와전자전달계를통해일어나는전자흐름이있어야하며, 전자흐름에는비순환적전자흐름과순환적흐름이있다. - 결국명반응에서는빛에너지를이용하여 ATP와 NADPH를합성하며, 이것은암반응에서 CO 를환원시키는재료와에너지원으로쓰이게된다. 그리고명반응의산물인 O 는외부로방출된다. 예시답안초안작성하기 1 비순환적광인산화 - 광계Ⅱ의 P680이빛을받아고에너지전자를방출하며, 이전자는 1차전자수용체인퀴논에결합한다. - 효소에의해물이광분해되어전자와 H 을생성하고산소기체를발생시킨다. 이때생성된전자를잃고산화된 P680에전달되어다시원상태의 P680으로환원시킨다. - 광계Ⅱ의 1차전자수용체에결합되어있던고에너지전자는전자전달계를거치면서에너지를방출하고광계Ⅰ로전달된다. 이때전자는플라스토퀴논 (Pq) 사이토크롬복합체 (Cyt) 플라스토사이아닌 (Pc) 이라는단백질로이루어진전자전달계를따라이동한다. - 방출된에너지는 H 을틸라코이드내부공간에농축시켜화학삼투에의해 ATP가합성되도록한다. 이때 - 19 -
전자 2개당 ATP 1분자가형성된다. - 빛에너지가광계Ⅰ의 P700에전달되어고에너지전자를방출하게하고, 이전자는 1차전자수용체와결합한다. 그결과전자를잃고산화된 P700에 P680으로부터전달된전자를투입하여 P700을환원시킨다. - 광계Ⅰ의 1차전자수용체와결합되어있던전자는전자전달계의페레독신 (Fd) 과페레독신-NADP 환원효소를거쳐 NADP 에수용되어 NADPH가생성된다. - 이러한과정이계속반복되기위해서는 P680에전자를계속공급해주어야하므로광계Ⅱ에서물의광분해반응이일어난다. 또, 비순환적전자흐름에서는광계Ⅰ의 P700에서방출된전자가전자를방출한 P700으로되돌아가지는않는다. - 결국총 12회의비순환적전자흐름을거치면 ATP와 NADPH, O 가생성된다. 2 순환적광인산화 - 순환적전자흐름에서는광계Ⅰ의 P700이빛을받아고에너지전자를방출한다. - 방출된전자는 1차전자수용체에전달된후전자전달계인페레독신 (Fd) 사이토크롬복합체 (Cyt) 플라시토사이아닌 (Pc) 을거치면서에너지를방출하고전자를잃은 P700으로되돌아오게된다. - 순환적전자흐름은광계Ⅰ만작용하므로 NADPH를만들지않고, 산소도방출하지않지만에너지를방출하여화학삼투에의해 ATP가합성되도록한다. [ 논제 4] 관련교과내용떠올리기 예시답안초안작성하기갑상샘은티록신을분비하는내분비샘이다. 티록신은세포의물질대사를촉진하는호르몬으로추울때체온 - 20 -
을올리기위해많이분비된다. 티록신의분비조절은음성피드백을통해이루어지며추운경우간뇌의시상하부에서 TRH의분비량을늘리면 TRH의표적기관인뇌하수체전엽에서 TSH의분비를늘리게되고, 이로인해 TSH의수용체가존재하는갑상샘에서티록신의분비량을늘리게된다. 티록신으로인해물질대사가촉진되어체온상승에중요한역할을한다. [ 논제 5] 관련교과내용떠올리기 < 세포분화와유전자발현의조절 > - 핵심조절유전자 : 세포에서유전자발현을총괄적으로조절하는유전자로, 유전자발현을조절하는조절인자를암호화하고있다. 핵심조절유전자가발현되면하위조절유전자들이연속적으로발현되어유전자조절과정이연속적으로일어난다. - 세포분화와유전자발현의예 : 마이오디 (MyoD) 유전자는핵심조절유전자로근육모세포가근육세포로분화하는데관여한다. - 핵심조절유전자의작용 : 핵심조절유전자에서발현된조절단백질이하위조절유전자발현에영향을미치고, 하위조절유전자에서발현된조절단백질이또다른조절유전자를발현시킨다. - 다양한세포의분화과정과특성 : 다양한세포의분화과정과특성은세포가가지는다양한전사조절인자의조합에의해결정된다. 3개의전사인자 (1~3) 의조합에의해 8종류의다양한세포가형성될수있다. < 기관의형성과유전자발현의조절 > - 핵심조절유전자는발생초기에발현되어여러유전자의발현을조절하며, 기관형성에도영향을미친다. - 초파리의아이 (Ey) 유전자발현 : 초파리에는아이 (Ey) 유전자가있어눈형성을조절한다. - 21 -
예시답안초안작성하기 1 근육세포의분화마이오디 (MyoD) 유전자가발현되면전사촉진인자인마이오디단백질이만들어지고, 이물질은자신과또다른전사촉진인자의발현을유도하여활성화시킨다. 그결과세포는증식활동을멈추고, 근육세포에필요한단백질의발현을유도하여근육세포로분화되는것을촉진한다. 2 초파리눈의기관형성기관의형성과같은발생과정에서는여러전사조절인자들이연쇄적으로작용하여나타나는유전자발현양상이매우중요하다. 즉, 기관의형성과개체의발생은유전자발현의조절에의해일어나는것이다. 초파리의눈을형성하도록유전자발현을조절하는것도같은원리이다. 초파리의눈을형성하는데중요한역할을하는아이 (Ey) 유전자는핵심조절유전자로그산물은전사촉진인자가되어, 여러유전자의발현을조절하여한세포를다른세포로바꿀수도있다. 예를들어, 눈의형성을조절하는핵심조절유전자인아이유전자가다리를형성하는세포에서발현되면다리에눈구조가형성될수도있고, 아이 (Ey) 유전자에돌연변이가일어나면다른기관의자리에눈이형성될수도있는것이다. - 22 -
이렇게개체의발생과정에서는단하나의유전자발현변화만으로도여러세포로구성된기관의형성이영향을받을수있다. [ 논제 6] 관련교과내용떠올리기 < 세포분화와유전자발현의조절 > - 진핵생물의전사과정에는다양한전사조절인자들이결합하여전사를조절한다. - 전사조절인자 : 프로모터가까이위치한근거리조절요소나프로모터에서멀리떨어져있는원거리조절요소에결합하여전사를조절하는인자들이있다. - 1 전사촉진인자 : 염색질의구조를풀어주고 RNA 중합효소가프로모터에잘결합할수있도록도와주며, 결합한 RNA 중합효소의활성을자극하는등의다양한작용으로전사개시를촉진하는전사조절인자이다. 2 전사억제인자 : 조절요소에결합하여전사촉진인자나중합효소복합체의결합을막거나, 결합한전사촉진인자가작용하지못하도록하여전사를억제하는전사조절인자이다. 예시답안초안작성하기진핵생물의전사과정에는다양한전사조절인자들이결합하여전사를조절한다. 전사조절인자중전사촉진인자가조절요소에결합하면 DNA를꺾어주는단백질에의해 DNA가꺾이고이로인해전사촉진인자들이프로모터가까이에위치하게된다. RNA 중합효소, 매개단백질, 전사조절인자등이결합하여복합체인전사기구가형성되면서전사가시작된다. 이때프로모터에서멀리떨어져있는특정염기서열의전사인자를원거리조절요소라하는데, 그역할은다음과같다. 전사인자가 DNA의특정염기서열의원거리조절요소 ( 인핸서 ) 에결함 DNA가휘어짐 인헨서에결합한전사인자가프로모터에결함 추가로여러전사인자들과 RNA 중합효소가프로모터에결함 ( 단백질복합체 - 23 -
형성 ) 전사개시 - 24 -
2 2014 학년도오후기출 다음제시문을읽고각논제에답하시오. ( 가 ) 우리장내에살고있는대장균을포함하여세균들의세포벽에는매우다양한형태의탄수화물분자사슬들이존재한다. 이분자들은세균의구조와기능에필수적인반면, 백혈구의일종으로항체생산을담당하는 B 림프구가인식하는주요한항원으로작용하기도한다. ( 나 ) 병원체에대한방어는비특이적면역과특이적면역으로구분된다. 특이적면역은다시 1차면역반응과 2 차면역반응으로구분되는데, 1차면역반응은이전에감염된적이없는항원에노출되었을때의반응으로며칠의잠복기를거쳐소량의항체가생산된다. 이기간동안항체를만드는 B림프구는분화 / 증식하여일부는항체를생산하는형질세포가되고일부는기억세포가된다. 2차면역반응은재차침입한항원을인식했을때의반응으로기억세포가빠르게형질세포로분화 / 증식하여대량의항체를생산한다 ( 그림 1). 그림 1. ( 다 ) 항원-항체반응의좋은예가 ABO 혈액형사이의적혈구응집반응이다. 적혈구표면의항원을응집원, 이를인식하는항체를응집소라고부른다. 혈액형분류방법중수혈시중요한것은 ABO 혈액형과 Rh 혈액형이다. ABO 혈액형과 Rh 혈액형은모두단일인자유전이며서로에대해서는독립적이다. ( 라 ) ABO 혈액형은적혈구세포막에존재하는탄수화물분자사슬인응집원의모양에따라결정된다. ABO 응집원을결정하는유전자는 A, B, O 세가지대립형질을가지는복대립유전자이며 A와 B는상호간에공우성이고 O에대해서는우성이다. A형은적혈구표면에응집원 A를가지며혈액중에항B 항체를가진다. B형은응집원 B를가지며항A 항체를가진다. O형은응집원 A, B 모두가없으며항A와항B 항체를가진다. AB형은응집원 A, B 모두를가지지만항A, 항B 항체는없다. ( 마 ) Rh 혈액형도적혈구세포막에존재하는응집원 D의유무에의해결정된다. 응집원 D를가지는 Rh+ 형은응집원 D가없는 Rh-형에대해우성이다. Rh 혈액형은지역과인종에따라큰차이를보이는데유럽인은 Rh- 표현형이인구의 15% 정도인반면아시아인의경우 1% 미만이다. Rh-형인사람은처음에는항D 항체가없지만 Rh+ 혈액을수혈받으면항D 항체가형성되어그뒤로는 Rh+ 혈액을수혈받을수없다. Rh-형인여성이 Rh+ 형인아이를임신하는경우첫번째출산은정상적이다. 그러나임신후반기에소량의태아적혈구가어머니혈액으로넘어올뿐만아니라, 출산과정에서어머 - 25 -
니혈액이태아적혈구에노출되기때문에두번째임신부터어머니의항D 항체가태반을통과하여 Rh+ 형인태아의적혈구를파괴하는적아세포증이생긴다. 이를예방하기위해 Rh-형여성의첫임신 28주, 34주, 그리고출산직전에적당량의항D 항체를정맥주사해준다. [ 논제 1] O형어머니와 AB형아버지사이에서태어난아이가가지는 ABO 응집원의표현형이아버지와같을확률과, Rh-형인어머니와 Rh+ 형아버지사이에서태어난아이가가지는응집원 D의표현형이아버지와같을확률을각각백분율 (%) 로나타내시오. [ 논제 2] 특이적면역반응의일종인항체반응이나타나기위해서는항원에먼저노출되어야한다. 그러나수혈, 장기이식, 임신등의경험이한번도없는사람이라도자신과는다른 ABO 혈액형의응집원에반응하는항체를갖는다. 그이유를제시문 ( 가 ) 와 ( 라 ) 에근거하여설명하시오. [ 논제 3] 논제 2 에서자신의응집원에반응하는항체는만들어지지않는다. 그이유는무엇인가? [ 논제 4] A형인사람에게항B 항체를수혈직전먼저정맥주사하고 B형혈액을수혈하기로결정하였다. 이방법이수혈을가능하게하는데도움이될수있는가? [ 논제 5] 논제 4 의답에서그렇게판단한이유를설명하시오. [ 논제 6] Rh-형여성의두번째임신에서 Rh+ 형태아에게적아세포증이나타나는것을예방하기위해첫아이임신후반기에주사된항D 항체는어머니혈액으로넘어온태아적혈구에결합하여태아적혈구의파괴를촉진한다. 항체가결합된태아적혈구를파괴하는백혈구는어떤세포이며파괴하는방법은무엇인가? [ 논제 7] 논제 6에서태아항원에대한어머니의면역반응이어떻게적아세포증예방에도움이되는지를제시문 ( 나 ) 에근거하여설명하시오. [ 논제 8] 첫출산때항D 항체치료를받지않은 Rh-형여성이두번째 Rh+ 형아이를임신한경우에도항D 항체치료가적아세포증을방지하는데도움이될수있는가? [ 논제 9] 문제 (h) 의답에서그렇게판단한이유를설명하시오. - 26 -
해설및예시답안 [ 논제 1] O형은응집원 A와 B가모두존재하지않고 AB형은응집원 A와 B가모두존재한다. O형의유전자형은 OO이고 AB형의유전자형은 AB이고아버지와어머니로부터각각하나의유전자를물려받으므로 O형인어머니와 AB 형인아버지사이에서는유전자형이 AO인 A형과유전자형이 BO인 B형만이탄생한다. A형은응집원 A만을갖고, B형은응집원 B만을가지므로태어난자손이아버지와응집원의표현형이같을확률은 0% 이다. 반면 Rh+ 는응집원D를갖고 Rh-는응집원 D를갖지않는다. Rh+ 형은 Rh-형에대해우성이므로 Rh-형인어머니의유전자형은 dd이고 Rh+ 형인아버지의유전자형은 DD 또는 Dd이다. 아버지의유전자형이 DD인경우자손은모두유전자형이 Dd이다. 반면아버지의유전자형이 Dd인경우자손의유전자형은 Dd와 dd가 1:1의비율을갖는다. 이때유전자형 Dd는 Rh+ 형으로응집원 D를갖고있지만유전자형 dd는 Rh-형으로응집원 D를갖지않으므로아버지와같이응집원 D를갖는표현형은 4가지경우중 3가지이므로 75% 이다. [ 논제 2] ABO식혈액형도항원-항체반응이다. 즉, 항원 ( 응집원 ) 에노출시항체 ( 응집소 ) 가생성된다. 수혈, 수술, 장기이식, 임신등의경험이없더라도다른 ABO식혈액형의응집원에반응하는응집소를갖는것으로보아제시문 ( 가 ) 의세균의세포벽과밀접한관련이있는것으로판단할수있다. 세균의세포벽에는다양한형태의탄수화물분자사슬이존재하는데이탄수화물분자사슬이 A형또는 B형의응집원과매우비슷한구조를가지고있기때문이라고추측할수있다. 즉, 호흡이나음식물을통해 A형또는 B형의응집원과비슷한구조의탄수화물분자사슬이있는세균이체내에유입되고항원-항체반응에의해자신과다른 ABO식혈액형의응집원에반응하는응집소를생성하게되는것이다. [ 논제 3] 항원-항체반응은항원에노출시항체가생성되는반응이다. 항원이란체내에갖고있지않은비자기물질로서면역체계가이를인식하여반응이일어나게된다. ABO식혈액형에서자신이가지고있는응집원은체내에서자기물질로인식하기때문에항원으로취급되지않는다. 이에따라자신의몸에있는항원에대해면역반응을일으키는항체는분화과정에서소멸되므로자신의응집원에대한항체는만들어지지않는다. [ 논제 4] [ 논제 5] A형인사람은응집원 ( 항원 )A와응집소 ( 항체 )β를가지고있다. 항B 항체는응집소β에해당하고이를 A형인사람에게정맥주사를하면 A형인사람의체내에는응집소β의양이많아지게된다. 이후 B형혈액을 A형인사람에게수혈하게되면 B형의적혈구표면에존재하는응집원B와정맥주사를통해양이많아진응집소β의응집반응이매우빠르게일어나게된다. 따라서수혈은불가능하다. [ 논제 6] 백혈구의종류에는호중성백혈구, 호산성백혈구, 호염기성백혈구, 단핵구 ( 대식세포 ), 림프구등으로나눌수있다. 호중성, 호산성, 호염기성백혈구는병원균의침입시작용하는것이대부분이며림프구는면역반응에주로관여한다. 응집반응이일어난태아적혈구는대부분단핵구 ( 대식세포 ) 에의해파괴된다. 평소에는단핵구로존재하다가체내이물질이발견되면포식작용이가능한대식세포로변하게된다. 대식세포의세포질에는가수분해효소가축적된리소좀이많이포함되어있어응집반응이일어난적혈구를포식하여가수분해효소에의해응집된적혈구가분해 ( 소화 ) 된다. - 27 -
[ 논제 7] 제시문 ( 나 ) 의그래프를보면항원이주입된약간의시간차 (3~4일) 를두고항체가생성되기시작한다. Rh+ 형의아이를출산전에모체의체내에항D 항체가존재할경우출산시태아의응집원 D가모체에유입되더라도모체의면역계가응집원 D를인식할때까지는약간의시간이걸리므로그전에주사를통해모체에주입된항D 항체에의해응집원 D가제거되므로모체의면역계는차후에도항D 항체를생성하지않기때문에적아세포증을예방하는데도움이된다. [ 논제 8] [ 논제 9] 도움이되지않는다. 아무런처치를받지않은상태로 Rh+ 형인첫째아이를출산하게되면모체의면역계에의해많은양의항D 항체와기억세포가존재하므로생성되므로 Rh+ 인두번째아이출산전에항D 항체를모체에주입시키면오히려모체에존재하는항D 항체의양이더많아지므로적아세포증을방지하는데도움이되지않는다. - 28 -
Chapter 3. 2015 학년도고려대논술 FINAL 2013 학년도기출문제해제 1 2013 학년도오전기출 다음제시문을읽고각논제에답하시오. ( 가 ) 구획화는생명체기능의핵심중하나이다. 세포소기관들은생체막을이용하여구획화를할수있고, 구획에따라서서로다른환경이만들어진다. 세포소기관뿐만아니라거대한단백질복합체들도구획화를통하여특정기능을획득하기도한다. 최근전자현미경기술의발전으로세포소기관과거대단백질복합체를직접관찰할수있게되었다. 현미경으로세포내구획화를직접확인하는것외에도세포분획법, 조직배양법, 자기방사법등이세포를연구하는방법으로이용되고있다. ( 나 ) 리소좀은단일단위막으로된구형의구조물로여러종류의가수분해효소 ( 리소조말가수분해효소 ) 를포함하고있다. 그효소들은리소좀막으로보호되어있기때문에보통때에는세포내물질을분해하지않는다. 그러나식세포작용으로식포가형성되어물질이세포안으로들어오면리소좀이식포와융합하고리소조말가수분해효소가이물질을분해한다. 박테리아와같은외부물질이침입하면세포가식포를형성하고리소좀은식포와융합하여이를분해한다 ( 그림 1). 또한, 리소좀은자신의세포가손상되거나죽었을때도이들을분해시켜새로운세포가신속히생성되는것을돕는다. ( 다 ) 우리는누군가에게물품을전달하기위해서택배시스템을이용한다. 택배회사는물품을접수하면고유한표지 (tag) 를붙이고, 그물품을표지정보에따라서분류한후에정해진위치로물품을보낸다. 수취인은받은물건을확인하고용도에따라처리하게된다. 이러한특정한표지에따른인식, 분류및이동은세포내단백질들에도비슷하게적용되고, 단백질들의세포내운명을결정할때가많다. 그대표적인예가유비퀴틴 (Ub) 표지이다 ( 그림 1). [ 그림 1] 세포내구획화및리소좀의작용 [ 그림 2] 단백질가수분해효소프로테 아좀의구조 - 29 -
( 라 ) 양성자펌프는세포막, 미토콘드리아와리소좀막등에존재하는막단백질로서생체막에의해분리된두구획사이의수소이온 (H ) 농도차이를만든다. 미토콘드리아의내막에는 NADH 탈수소효소, 시토크롬환원효소, 시토크롬산화효소등고정된전자운반체들과이동성전자운반체들이모여서전자전달계를형성하고있다. 이과정에서수소이온이미토콘드리아기질 (matrix) 에서내막과외막사이의공간으로보내지게된다. 리소좀의경우는양성자펌프와염소이온통로들에의해서세포질의수소이온이리소좀의내강으로보내지게된다. 수소-칼륨 ATP 분해효소 (H -K ATPase) 와같은양성자펌프는인체의위 (stomach) 를산성화하는데주된역할을하고, 이러한산성환경에서소화효소인펩신은활성을가진다. 양성자펌프의작용은우리가자전거를타고언덕을오르거나내려가는것과유사하다. 양성자펌프에의해형성된수소이온농도의차이는전기화학적에너지로저장되기도하고사용되기도한다. ( 마 ) 유비퀴틴은막단백질이나침입한세균에붙어서이물질들을리소좀으로전달하거나, 세포질내의분해되어야할단백질에붙어서프로테아좀 ( 가수분해효소거대복합체 ) 으로전달하는표지역할을한다 ( 그림 1). 프로테아좀은가운데촉매중심부와두개의기능조절부로구성되어있다 ( 그림 2). 촉매중심부는도넛모양의알파-링과베타-링이그림 2처럼 4개가쌓인형태로단백질기질 (substrate) 을가수분해하고, 기능조절부는유비퀴틴표지가붙은기질을인식하여촉매중심부로전달하는역할을한다. 프로테아좀은여러가지가수분해효소의성질을복합적으로가지고있는데, 트립신과비슷한활성도가지고있다. 이효소활성부위는원통형의프로테아좀촉매중심부의베타-링안쪽에존재하기때문에외부로노출되어있지않다. [ 논제 1] 제시문에주어진리소조말가수분해효소, 펩신, 프로테아좀이존재하는위치및작용점을고려하여 ph에따른효소들의활성을그림으로그리고설명하시오. 단, x축은 ph, y축은상대적반응속도로지정하시오. [ 논제 2] 세포를현미경으로관찰하면세포내구조물에대해서는알수있지만, 그기능까지알기는어렵다. 제시문 ( 가 ) 에언급된세가지다른연구방법들을이용하여알아낼수있는정보들에대해서논술하시오. [ 논제 3] 미토콘드리아는생명활동에필요한에너지를생성하는발전소이다. 제시문 ( 라 ) 의미토콘드리아전자전달계에의해형성된수소이온농도의차이는화학삼투현상을통하여 ATP를생성하는데이용된다. ATP를직접생성하는양성자펌프와위 (stomach) 를산성화시키는양성자펌프를비교설명하시오. [ 논제 4] 제시문 ( 나 ) 와 ( 다 ) 의정보를이용하여프로테아좀에의한단백질분해와리소좀에의한물질분해의유사점및차이점에대해서논술하시오. - 30 -
해설및예시답안 [ 논제 1] 1 효소는자신이존재하는곳에서최적활성을가져야함. 2 위 - H -K ATP 분해효소와같은양성자펌프에의해위의산성화가진행되어펩신을활성화시킴 - 펩신은 ph 2~3 정도의강한산성에서최적활성을가짐 ( 위의강한산성은음식물의항원을사멸시키기위한목적이더큼, 강한산성은일반적으로효소의활성에부정적인영향을미침에유의.) 3 리조조말가수분해효소 - 양성자펌프와염소이온통로에의해수소이온이리소좀내강으로유입 - 리소좀내강은수소이온으로인해 ph 5~6정도의약산성을유지함 - 리소조말가수분해효소는 ph 5~6 정도의약산성에서최적활성을가짐 4 프로테아좀 - 트립신과비슷한활성을조건을가진다고하였으므로 ph 7~8의중성및약염기성에서최적활성을가짐 5 그래프그리기 (x축: ph, y축 : 상대적반응속도 ) [ 논제 2] 1 세포분획법을이용 : 세포소기관으로분리 각소기관의물질함량과산소, 이산화탄소등의물질출입을조사함 세포소기관의기능을유추할수있음 2 자기방사법을이용 : C 로표지된방사성아미노산을이용 각소기관에서의방사능검출량을조사 단백질 ( 아미노산 ) 의이동경로를추정할수있음 3 조직배양법을이용 : 유전적으로동일한세포를배양하여세포분화과정을관찰할수있음, 배양환경조건을달리하여환경이생물에미치는영향을탐구할수있음, 같은유전형질의세포를대량생산하여여러실험에사용할수있음. [ 논제 3] 1 미토콘드리아의양성자펌프 : 전자전달계에서 NADH FADH 의산화에너지를이용하여수소이온을막간공간으로펌핑 내막을경계로전기화학적인농도기울기가형성됨 (= 전기화학적위치에너지생성 ) ATP의화학에너지로전환 2 위를산성화시키는양성자펌프 : H K ATP 분해효소의에너지를사용하여수소이온을위의내강으로이동시켜위의산성화유도 이과정에서칼륨이온을위의조직세포안으로이동시킴 단, 양이온의이동정도가비슷하므로전기적기울기는생성되지않음 3 공통점 : 화학적농도기울기이용 4 차이점 미토콘드리아의양성자펌프전자의산화에너지를사용전기적기울기를형성함최종목적은 ATP를생성하기위함 위를산성화시키는양성자펌프 ATP를사용전기적기울기를형성하지않음최종목적은위내강의산성환경형성을통한펩신의활성화 - 31 -
[ 논제 4] 1 공통점 : 가수분해효소를이용, 분리된공간에서반응이진행됨. 2 차이점프로테아좀에의한단백질분해리소좀에의한물질분해 Ub 표지된물질만인식하여분해세균이나세포내부물질분해세포질에서일어남 ( 세포질 ph에서최적활성 ) 리소좀내부에서일어남 ( 리소좀 ph에서최적활성 ) - 32 -
2 2014 학년도오후기출 다음제시문을읽고각논제에답하시오. ( 가 ) 진핵생명체의세포안에는막으로둘러싸인 세포소기관 이존재한다. 이 세포소기관 은영원히쓸수있는것이아니다. 수명이다한 세포소기관 이나손상된 세포소기관 은분해된다. 손상된 세포소기관 의분해를담당하는 세포소기관 도있다. 이분해과정에서가수분해효소가중요한역할을한다. 상처를입은후시간이지나면손상된세포는사라지고새살이돋아상처가아문다. 올챙이가개구리로변할때올챙이꼬리의세포가사라진다. 사람의태아는초기에손가락이구분되어있지않지만, 점점자라면서손가락사이의세포가분해되어소멸되고손가락의형태가만들어진다. 이렇게세포가분해되어없어지는현상을 세포의자가분해 라고한다. 이런 자가분해 는염증을유발하는세포를없애서염증을줄이거나, 과다하거나불필요한세포를소멸시키는작용을한다. ( 나 ) 식물세포에서만볼수있는세포벽은세포막바깥을두텁게싸고있다. 세포벽은세포막에비해단단해서세포를보호하고식물체의모양을유지하는데중요한역할을한다. 그러나세포벽은 1차벽과 2차벽으로되어있어서인접한세포간의물질교환을막는단점도있다. 이는세포막이서로인접해있어서세포간연락이비교적자유로운동물세포와다른식물세포의특성이다. 동반세포는체관요소에붙어있는세포이다 ( 그림 1). 체관요소는완전히성숙하면핵과리보솜이없어지기때문에체관요소의생명활동은동반세포에의존한다. 종자식물군에서꽃을피우게하는데중요한역할을하는 A 단백질은동반세포에서만들어져서체관요소로이동한다. 일단체관요소안으로들어온 A 단백질은광합성산물과함께꽃을만드는위치로이동한다. [ 그림 1] 동반세포에서체관요소로의 A 단백질의이동 ( 다 ) 중심설에의하면유전정보는 DNA에저장되어있고, 이정보는 mrna로전사된후단백질로번역된다. DNA의염기는 4개밖에없지만, 단백질은 20여종의아미노산으로구성된다. 번역과정에서생명체는 3개의 DNA 염기로이루어진다양한조합 ( 트리플렛코드 ) 들을이용하여각각의아미노산을만든다. 번역과정에서복수의트리플렛코드가하나의아미노산을암호화하기도한다. 예를들어, GGU, GGC, GGA, GGG의트리플렛코드들은모두글리신을암호화한다. 따라서 GGC의 C가다른염기로변하는돌연변이가일어나더라도단백질수준에서의변화는없다. 반면단백질을암호화하는염기서열에차이가없더라도단백질발현수준에차이가나는예도있다. - 33 -
( 라 ) 진핵생명체세포분열중기의핵을관찰하면염색체를볼수있다. 그러나간기에는염색체가매우가느다란염색사형태로풀려있어서관찰되지않는다. 염색사안에는 DNA가히스톤단백질과결합하고있다. 염색사는세포분열이시작되면응축되어염색체로된다. 사람 DNA의지름은약 2nm이며길이는거의 2m에달하지만, 세포분열중기에볼수있는염색체의너비는 1,400nm이며길이는수백 ~ 수천nm로줄어든다. 이렇게염색체의구조로변하기위해서는여러단계의응축화를거쳐야한다 ( 그림 2). 히스톤단백질은전체아미노산의 1/5 이상이양전하를띄고있다. 이특성때문에히스톤단백질은음전하를띈 DNA와강력하게결합할수있다. 히스톤단백질은공모양의구조를갖는부분과꼬리부분을갖고있다 ( 그림 3). 8개의히스톤단백질이모여서뉴클레오솜을형성하고, 이를 DNA 이중나선이휘감는다. 꼬리부분은바깥쪽으로돌출되어있으며, 인접뉴클레오솜의 DNA와정전기적인력을보인다. [ 그림 2] 세포분열중기에보이는염색체를형성하기위한단계별응축화 (EBS 생물교재에서인용 ) [ 그림 3] 히스톤단백질과뉴클레오솜의구조 ( 마 ) 1997년에최초로포유동물의복제가성공한후, 다양한종의포유동물복제가시도되었다. 그중대표적인성공사례는고양이의복제이다. 고양이복제는애완동물을복제했다는의의가있다. 복제하면겉모양이서로완벽하게같으리라는일반인의예상과다르게, 핵을제공했던고양이와복제해서태어난고양이의털색깔의패턴이달라서복제에실패한것처럼보였다. 과학자들은털색깔을결정하는유전자가 X염색체에있기때문이라고그이유를설명했다. - 34 -
[ 논제 1] 다양한가수분해효소중에제시문 ( 가 ) 에나온 세포내소화 와 세포의자가분해 에중요한역할을담당하는가수분해효소들은자신의표적과만나게되기까지세포내에서어떤이동경로를거치는가? 가수분해효소를암호화하는유전자의전사에서부터그경로를차례대로설명하시오. [ 논제 2] 제시문 ( 나 ) 에기술한 A 단백질은어떤경로를거쳐서동반세포에서체관요소로세포간이동을하는지기술하시오. 단, A 단백질은세포벽을투과할수없다. [ 논제 3] DNA 염기서열을변화시키지않고단백질발현수준을조절해야만여성의정상적인세포활동이유지되는예를인체 세포소기관 안에있는핵산구조물에서찾아서기술하시오. [ 논제 4] 제시문 ( 라 ) 에언급된히스톤단백질의꼬리에있는아미노산중리신에아세틸화가일어나면아세틸리신으로변하게된다 ( 그림 4). 이런아세틸화는연속된뉴클레오솜-뉴클레오솜구조에어떤변화를일으킬것인지제시문 ( 다 ) 와 ( 라 ) 에근거하여논술하시오. [ 그림 4] 아세틸리신의형성 [ 논제 5] 위질문 [ 논제 4] 에는아세틸화가일어난뉴클레오솜이언급되었다. 그뉴클레오솜주위를휘감는 DNA 에암호화된유전자의발현은어떻게변할것인지예측하고그이유에대해서논술하시오. [ 논제 6] 제시문 ( 마 ) 에나온고양이복제에서핵을제공했던고양이와복제해서태어난고양이의털색깔의패턴이왜달랐을까? 그이유에대해서제시문 ( 다 ), ( 라 ), ( 마 ) 에근거하여논술하시오. 고양이의성별은사람과마찬가지로 XX, XY 염색체에의해결정되며, 털색깔을결정하는유전자에는서로다른색깔을지정하는 2개의대립형질 (B와 B') 만있다고가정한다. - 35 -
해설및예시답안 [ 논제 1] 세포내소화나자가분해에관여하는효소들은리소좀내에존재하다가그역할을수행하게되는데, 이들이합성되어리소좀에도달하기까지의경로는다음과같다. 일단가수분해효소를암호화하는유전자는핵내의 DNA에존재하는데, 이것이전사및가공 ( 스플라이싱 ) 과정을거쳐성숙한 mrna를형성하게된다. mrna는핵공을통해세포질로수송되어리보솜과만나거친면소포체에부착된다. 리보솜에서번역과정을통해합성된단백질은고유의기능을갖도록변형되며소포체내부에서수송소낭의형태로떨어져나와골지체와융합한다. 골지체로이동한단백질은골지체막과함께떨어져나와리소좀을형성하게된다. [ 논제 2] 제시문 ( 나 ) 에서세포벽은인접한세포간의물질교환을막는단점이있다고하였는데, 그럼에도불구하고 A 단백질은동반세포에서체관요소로이동할수있다. 이는두가지로설명할수있다. 첫째, 동반세포와체관요소사이에세포벽이존재하지않는경우를들수있다. 이경우단백질은세포벽을통과하지않으므로쉽게이동할수있을것이다. 둘째, 동반세포와체관요소사이에세포벽은존재하지만, 그사이에물질이이동할수있는통로역할을하는부분이있는경우를생각해볼수있다.( 실제로식물은원형질연락사라는구조를지녀세포간물질이동이가능하다.) [ 논제 3] 남성의핵형은 XY로 X염색체를하나만가지고있는데반해, 여성은 XX로 X염색체두개를가지고있다. 이때여성이두 X 염색체의유전자를모두발현한다면, 과량의단백질을발현하게되어정상적인세포활동을유지하기힘들다. 이러한문제를극복하기위해여성은간기에서 X 염색체하나를응축된상태로가지고있다. 응축된염색체는전사과정을거치지않으므로단백질을만들지않아남성과동일한수준의단백질발현량을유지할수있다. 이때응축된하나의 X염색체는여성체세포핵내부에바소체형태로존재한다. [ 논제 4] 히스톤은양전하를띠므로음전하를띤 DNA와상호작용하여응축될수있다. 그런데양전하를띠는대표적인아미노산인라이신에아세틸화가일어나게되면아세틸라이신은더이상양전하를띠지않게된다. 이러한경우히스톤과 DNA 사이의상소작용이약화되며, 응축이느슨해져뉴클레오솜의구조가쉽게풀릴수있다. [ 논제 5] 히스톤단백질의아세틸화가일어난경우 DNA와히스톤단백질의상호작용이약화되어뉴클레오솜이쉽게풀리게된다. 이에따라 DNA 사슬이노출되어 DNA의전사가더쉽게일어날수있다. [ 논제 6] 고양이의털색을결정하는유전자는 X 염색체위에있으며암컷고양이는 B와 B 을모두가질수있다. 고양이가털색을결정할때, 해당하는세포가 B가있는 X 염색체를응축시키고 B 이있는 X 염색체만발현된다면 B 에해당하는털색이나타날것이며, 반대의경우라면 B에해당하는털색이나타날것이다. 그런데복제를통해 DNA서열이동일한두고양이의털색깔패턴이다른것으로보아두개의 X 염색체중에어떤 X 염색체를응축시킬지는유전적으로미리결정되어있는것이아니라생후에무작위적으로일어나는것임을알수있다. 이로인해유전적으로동일한경우라도털색의패턴을다르게나타랄수있다. - 36 -
Chapter 4. 2015 학년도고려대논술 FINAL 2012 학년도기출문제해제 1 2012 학년도오전기출 다음제시문의내용을읽고문제에답하시오. < 가 > 암의발생에중요한역할을하는 발암유전자 와 암억제유전자 는상반된기능을한다. 정상유전자가돌연변이또는유전자증폭에의해발암유전자가되면, 비정상적으로높은활성의단백질이발현되거나과량의단백질이발현되어암세포가된다. 반면, 세포의무절제한성장을억제하는암억제유전자가돌연변이또는유전자결실에의해기능을상실하면암이발생한다. 발암유전자는우성적으로작용하며, 돌연변이또는결실된암억제유전자는열성적으로작용한다. < 나 > 세포의성장은성장인자, 호르몬등의자극에의해조절되며, 이러한자극에의해세포내다양한단백질들이활성화또는불활성화된다. 세포성장을조절하는단백질중인산화효소 ( 기질에인산기를붙여주는효소 ) 와탈인산화효소 ( 기질의인산기를떼어주는효소 ) 가중요한역할을하며이들효소들은성장인자의자극에반응하여세포의성장을촉진또는억제한다. < 다 > 대장상피세포는성장인자 P에의존하여성장한다. 그림 1과같이, 인산화효소 Q, 단백질 R, 성장유도단백질 S는서로결합하여세포성장을조절한다. 성장인자 P가없을때, 효소 Q는활성화되며활성화된 Q는단백질 S를인산화하여분해를유도함으로써세포성장이억제된다. 세포가성장인자 P의자극을받으면효소 Q가불활성화되며단백질 S를분해시키지못하고축적된단백질 S에의해세포성장이촉진된다단백질 R 은 Q와 S를결합시켜주는역할을한다. 그림 1 < 라 > 정상세포에서는암억제단백질 X 가단백질 Y 의생성을촉진하며생성된 Y 가다시 X 와결합하여 X 를분해 - 37 -
시키는이른바음성되먹임작용이작동한다. 따라서단백질 X는정상세포에서는매우적은양으로유지되며세포성장을억제하지않는다. DNA가손상을받게되면단백질 X는인산화효소 Z에의해인산화되고, 인산화된 X는 Y와결합하지못한다. 그결과단백질 X는분해되지않고축적되어세포성장을억제한다. 암억제단백질 X를암호화하는유전자 가결실또는돌연변이에의해기능을상실하면비정상세포의성장을억제하지못하여암세포가발생한다. [ 논제 1] 정상세포와암세포를융합하여잡종세포를만드는실험을하였다. 아래그림과같이정상세포 A와암세포B를융합시켜잡종세포 D를만들고, 정상세포 A와암세포 C를융합시켜잡종세포 E를만든결과, 잡종세포 D는암세포가되었고잡종세포 E는정상세포가되었다. 제시문 ( 가 ) 에근거하여 B, C, D, E 세포의특성에대하여설명하고그이유를논술하시오. [ 논제 2] 제시문 ( 다 ) 에서단백질 S를암호화하는유전자가정상이라면, 대장상피세포가비정상적인성장을하여암세포가될수있는경우를나열하고제시문 ( 가 ), ( 나 ), ( 다 ) 에근거하여이유를설명하시오. [ 논제 3] 암억제유전자 X가정상인두종류의세포 1과 2가있다. 두세포를방사선에노출하여배양한후세포의특성을검사한결과, 세포 1은정상세포의특성을유지하였고세포 2는암세포로형질이전환되었다. 두세포의모든인산화효소의기능은정상이었다. 암억제유전자 가정상임에도불구하고세포 2가암세포로형질전환될수있는이유들을제시문 ( 가 ), ( 나 ), ( 라 ) 에근거하여추론하시오. - 38 -
해설및예시답안 [ 논제 1] 1 발암유전자는우성으로작용 발암유전자의이형접합, 동형접합은모두암발생 2 돌연변이암억제유전자는열성으로작용 돌연변이암억제유전자가동형접합일때암발생. 3 첫번째실험 : A( 정상세포 ) + B( 암세포 ) 세포융합 D( 암발생한잡종세포 ) 잡종세포D는정상세포A와암세포B의이형접합인잡종세포이고암이발생했으므로암세포 B에우성으로작용하는발암유전자가존재함을알수있음. 4 두번째실험 : A( 정상세포 ) + C( 암세포 ) 세포융합 E( 정상인잡종세포 ) 잡종세포E는정상세포A와암세포C의이형접합인잡종세포이이고암이발생하지않았으므로암세포C는돌연변이암억제유전자가동형접합으로존재함을알수있음. [ 논제 2] 1 성장인자 P에따른세포성장 ⑴ 성장인자 P가없음 인산화효소 Q의활성화 성장유도단백질S의인산화 S의분해 세포성장억제 ⑴ 성장인자 P가존재 인산화효소 Q의활성화안됨 성장유도단백질S의인산화안됨 S의축적 세포성장촉진 2 S를암호화하는유전자가정상이므로성장유도단백질 S는정상적으로생성되고, 이때암이되는경우는 S 가분해되지않아야함. S가분해되지않기위해 3 S가인산화되지않는경우, 4 S가인산화되었지만 S가분해되지않는경우로나눌수있음. 3 S가인산화되지않는경우 ⑴ 성장인자 P의과다발현 세포의지속적자극 S의과다축적 세포의비정상성장 ( 암 ) ⑵ 성장인자 P가없는경우 인산화효소 Q의기능상실 S를인산화하지않음 S의축적 세포의비정상성장 ( 암 ) ⑶ 성장인자 P가없는경우 인산화효소 Q는정상이지만단백질 R의돌연변이 S가분리됨 S의축적 세포의비정상성장 ( 암 ) 4 S가인산화되었지만 S가분해되지않는경우탈인산효소의과다발현 S가분리됨 S의축적 세포의비정상성장 ( 암 ) [ 논제 3] 1 암억제유전자 X가정상이지만암억제단백질 X가생성되지않는경우 : 정상의암억제유전자X 방사선에의한전사 번역과정에문제발생 암억제단백질 X가생성안됨 암발생 2 암억제유전자 X가정상이지만암억제단백질 X가축적되지않음 : 방사선으로인한단백질 Y의과다발현 암억제단백질 X와단백질Y 가결합후 X를분해 암억제단백질 X의양감소 암발생 - 39 -
2 2012 학년도오후기출 다음제시문의내용을읽고문제에답하시오. < 가 > 시냅스전달 은시냅스를통하여한뉴런에서다음뉴런으로흥분이전달되는과정이다. 시냅스전달의특성에관한논의는오랫동안지속되었다. 시냅스전달이빠르게일어난다는사실을근거로시냅스에전류가직접흐른다고보는 전기적시냅스가설 과전기적신호가축색말단에서화학적신경전달물질을분비시켜시냅스전달이일어나는것이라는 화학적시냅스가설 이대립하였다. 두뉴런간직접전류를통과시키는전기적시냅스도소수존재하지만, 인간신경계의대부분은화학적시냅스로이루어져있다. 근육의수축을조절하는운동뉴런과근육세포사이의시냅스는아세틸콜린을신경전달물질로이용하는대표적인화학적시냅스이다. < 나 > 면역반응에는다양한세포들이관여하며, B 림프구는이물질에대한항체를만들어이물질을무력화시키는역할을수행한다. 그러나자신의몸에서생성된정상단백질을림프구가이물질로인식하여항체를생성하면자가면역질환이발생한다. < 다 > 축색의전도도는길이상수 에비례하는데는다음과같은식으로나타낼수있다. ( : 축색막의단위면적당저항, : 축색내세포질의비저항, : 축색의지름 ) < 라 > 사람의피부감각에는온각, 냉각, 촉각, 압각, 통각등이있다. 온도와압력등의자극이진피속에분포한각기다른감각수용체를활성화시키면각각의신호가대뇌에전해짐으로써이들감각이인지된다. 이들신호를피부로부터뇌로전달하는축색들은그굵기에따라 Aβ형, Aδ형, C형축색등으로분류된다. 특히 C 형축색은다른축색들과달리수초로싸여있지않다는특징이있다. 감각수용체의종류에따라연결되는축색의종류가다른데, 촉각은주로 Aβ형축색, 온각과냉각은 Aδ형축색, 그리고통각은 Aδ형또는 C형축색에의해전달된다. [ 논제 1] 시냅스전달을알아보기위하여아래그림 1과같이뉴런 1의축색말단과그신호를전달받는뉴런 2로부터막전위를측정하였다. 뉴런 1의축색말단에자극용전극을넣어인위적으로전류를주입하여탈분극을유도했을때그림 2와같은막전위변화가나타났다. 뉴런 1이아닌뉴런 2의수상돌기부위에전류를주입할경우의막전위변화를예측하고그결과를바탕으로주어진두뉴런사이시냅스전달의특성을제시문 ( 가 ) 를근거로논술하시오. - 40 -
그림 1 그림 2 [ 논제 2] 중증근무력증은점진적으로근육이약화되어의지대로근육을움직이지못하는자가면역질환이다. 이질병은운동뉴런과근육세포사이의시냅스전달이상으로발생한다. 그러나환자의운동뉴런을자극한후시냅스에서분비되는아세틸콜린의농도는정상인과차이가없었다. 운동뉴런의활성을차단한후근육세포위에아세틸콜린을직접가하여유발된근육세포의막전위변화는아래와같았다. 또한정상인의혈청또는환자의혈청이포함된배지를사용하여정상인의운동뉴런과근육세포를혼합하여배양하였다. 운동뉴런을자극하여유발된근육세포의막전위변화는아래와같았다. 위질병의원인을제시문 ( 가 ) 와 ( 나 ) 에근거하여추론하시오. [ 논제 3] 영희는무심코방바닥에떨어진뾰족한물체를밟았다. 물체를밟는순간에는무언가가닿는다는느낌만을받았지만곧이어극심한고통을느꼈다. 발을뗀후처음의통증이사라진다음에도얼얼한느낌의통증이한동안지속되었다. 물체를밟은후위와같이서로다른감각 ( 촉각, 첫번째통각, 두번째통각 ) 을인지하는시간적차이가나는이유를제시문 ( 다 ) 와 ( 라 ) 를근거로설명하시오. - 41 -
해설및예시답안 [ 논제 1] 먼저, [ 그림 2] 의결과를분석해보면뉴런 1의축색에자극을가한경우뉴런 1에서는빠르게큰전위의변화가일어났으나, 뉴런 2에서는느리게작은전위차가발생하였다는것을알수있다. 이는시냅스틈을통과하는데시간이걸렸다는것과, 전위차가온전히전달되지않았다는것을뜻한다. 따라서뉴런 2에직접전류를주입할경우에는다른뉴런을통해전달되는것이아니므로막전위가보다빨리, 크게변할것으로예상되며이는두뉴런간의신경전달이화학적시냅스라는가설의근거가된다. 만약전기적시냅스가설이옳다면뉴런 2의막전위는보다빠르게뉴런 1과같은양상으로나타났을것이다. 또한뉴런 1에자극을가했을경우에는일정한시간이후뉴런 2에도막전위의변화가나타났으나뉴런 2에자극을가하면뉴런 1에는막전위변화가나타나지않을것이다. 만약전기적시냅스였다면수상돌기에서축색돌기방향으로전위차가전달될것이나, 화학적시냅스이므로자극전달에방향성이있어서반대방향으로는전위차가전달될수없다. [ 논제 2] 중중근무력증은운동뉴런과근육세포사이의시냅스전달이상으로발생하는자가면역질환이다. 먼저, 시냅스에서의전달과정을알아보다. 운동뉴런의축색말단에서아세틸콜린이분비되고, 아세틸콜린은시냅스틈을거쳐수상돌기의아세틸콜린수용체에결합한다. 따라서문제가생긴다면아세틸콜린의분비에이상이생기거나, 아세틸콜린이작용하는과정에생긴문제임을알수있다. 그런데환자의운동뉴런을자극했을때시냅스에서분비되는아세틸콜린의농도는정상인과차이가없다고하였으므로분비과정의이상은아님을알수있다. 또한아세틸콜린을직접가하여막전위변화를보았을때에도문제가발생한것을보아아세틸콜린이확산되는과정의문제도아니라는것을확인하였다. 그리고정상인의운동뉴런과근육세포를가지고실험하여근육세포의문제인지를알아보고자하였는데, 이때모든세포가정상임에도불구하고혈청이다름에의해증상이나타났음을알수있었다. 따라서문제는혈청에있음을알수있는데, 문제에서자가면역질환이라명시하였으므로근육세포의아세틸콜린수용체가혈청에존재하는항체에의해무력화되었음을추측할수있다. 즉, 이환자의 B림프구는자신의아세틸콜린수용체단백질을이물질로인식하여항체를생성하였을것이고, 항체는혈청에함유되어스스로의단백질을공격해서근육세포가운동뉴런의신호에반응하는것을방해하여근육을약화시켰음을추론할수있다. [ 논제 3] 영희는뾰족한물체를밟은후시간순서에따라세가지자극을받았다. 처음으로닿는다는느낌인촉각을느끼고다음에는극심한통증을느낀후마지막으로얼얼한느낌의통증이지속되었다. 통증을느낀부위에는여러피부감각이있었을것이다. 그리고자극이이피부감각의수용체를활성화시켜대뇌로전하는과정에서감각은감각뉴런을통해전해지게된다. 그런데제시문 ( 라 ) 에따르면감각뉴런을구성하는축색의종류는세가지이며, 이때 C형축색은수초로싸여있지않다고하였다. 또한촉각은 형축색에의해, 통각은 형또는 C형축색에의해전달된다고명시하고있다. 이를통해첫번째촉각은 형축색을가진감각뉴런에의해전달되었음을알수있다. 또한수초가없는신경의경우에는수초를가진신경에비해전도의속도가느리므로첫번째통각은 형, 두번째통각은 C형축색에의해전달되었음을추론할수있다. 그런데 형과 형축색이감각전달하는속도가다른것은제시문 ( 다 ) 의식에서추측할수있다. 제시문에따르면축색의전도도는축색의지름따라달라진다. 세포질이같다고가정하면비저항은같을것이고, 축색막의저항도같은세포막에서유래한것이므로동일할것이다. 따라서제시된식에서변할수있는값은축색의지름뿐이다. 그러므로속도가더빠른 형축색의경우축색의지름이 형보다커서더빠른속도로감각을전달함을알수있다. - 42 -
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