백신 접종 뒤 1차 면역반응 느리게 일어나는 탓
HIV항체가 에이즈 발병을 막지 못하는 이유는
감염된 HIV 항체 피할 변종바이러스 증식 때문

[문제]

※다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)
바이러스는 유전정보를 가진 핵산과 이를 보호하는 단백질 껍질로 구성되어 있는 작은 감염물질로서 생물과 무생물의 경계에 걸쳐 있다. 바이러스 입자는 세포로 되어 있지 않으며, 물질 대사에 관여하는 효소가 없어서 스스로 물질 대사를 하지 못한다는 점에서는 생명체라고 할 수 없다. 그러나 살아있는 세포 내에서는 숙주세포의 효소를 이용하여 자신의 유전물질을 복제하고 증식하므로 생명체의 특징을 가지고 있다고 할 수 있다. 또한 바이러스의 핵산은 돌연변이 발생률이 높아 유전자 구성을 다양하게 바꿀 수 있는데, 이는 바이러스도 다른 생명체처럼 진화한다는 것을 의미한다.

(나)
세균, 바이러스 등 외부에서 침입하는 이물질에 대항하여 스스로 방어하는 작용을 면역이라고 한다. 체내에 항원이 들어오면 이에 대한 항체가 만들어지는데 이를 1차 반응이라고 한다. 면역반응이 끝나면 증식된 림프구는 대부분 사라지지만 일부는 기억 세포로 남아 있다가 동일한 항원을 만나면 신속하게 다량의 항체를 만드는데, 이를 2차 반응이라고 한다(그림1).

(다)
세포 호흡은 유기물을 산화하여 에너지를 얻는 과정이라 할 수 있으며 생물은 여기에서 얻어진 에너지를 여러 가지 생명활동에 이용한다. 즉, 소화과정을 거쳐 최종적으로 흡수된 포도당은 세포 내에서 여러 단계의 반응을 거쳐 산소를 소모하여 이산화탄소와 물로 산화 분해된다. 각각의 반응은 여러 가지 효소들의 작용으로 이루어지며, 이 과정에서 생성되는 에너지는 직접 이용되지 못하고 일단 ATP라는 물질에 저장한 후 이용한다.

대부분의 생물은 포도당과 같은 탄수화물이나 지방, 단백질 등의 영양소를 ATP를 생산하는데 이용한다. ATP에 저장된 에너지는 우리의 일상생활에서 운동을 하고 소리를 내며, 무엇인가를 생각하고 신체를 이루는 물질의 합성 등 모든 세포활동에 필요하다. 인체 내에서 생명활동에 필요한 에너지는 ATP가 ADP로 되는 과정에서 발생하는 에너지다(표).

(라)
유기 호흡 과정은 크게 해당과정, TCA 회로, 전자전달계의 3단계로 진행된다. 세포로 흡수된 포도당은 세포질에서 해당과정을 거쳐 피루브산으로 분해되며 이 과정에서 약간의 ATP가 생성된다. 해당과정에서 생성된 피루브산은 산소가 충분히 있으면 미토콘드리아 내로 들어가 미토콘드리아의 기질에서 TCA회로를 거치게 되고 이 과정에서 이산화탄소와 수소의 이탈이 일어난다. 이탈된 수소는 NAD나 FAD와 같은 전자 전달 물질에 수용된 후 미토콘드리아 내막의 전자 전달계를 거쳐 산소에 전자를 전달한다. 전자 전달계에서는 전자의 이동에 의해 생긴 에너지를 이용하여 많은 양의 ATP를 생성한다.

(마)
산소 공급이 차단된 경우 많은 세포들은 해당과정을 계속 실행할 수 있으며, 발효에 의해 제한된 양의 ATP를 생성한다. 이 과정은 해당과정과 함께 세포질에서 일어난다. 발효는 해당과정에 의해 형성된 NADH2를 피루브산을 환원하는데 이용하거나 발효의 대사물질의 하나로 이용하여 결과적으로 NAD+가 생성된다. NAD+는 해당과정의 중간 반응을 위해 요구되므로 그것이 해당과정을 통해 더 많은 포도당을 운반할 수 있게 한다. 또한 발효의 전체과정을 통해 생성되는 ATP 양은 적으나, 발효는 지속적으로 ATP를 생성하기 위한 해당과정을 가능하게 한다. 다만 세포호흡에 의해 획득되는 아주 많은 양의 ATP는 아니지만 기질 수준 인산화로부터 획득할 수 있을 만큼의 ATP가 생성된다. 발효를 할 수 있는 세포가 무산소 상태가 될 때 해당과정의 속도는 10배 이상 또는 그 이상으로 빨라진다. 그래서 포도당 분자당 ATP 분자로 환산한 효율이 산소 호흡과 비교해서 크게 감소될지라도 ATP 생성의 실제 속도가 유지된다.

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<논제 1> 항생제는 병원성 세균을 죽이거나 무력화시키는 데는 매우 효과적이지만 바이러스 치료에는 소용이 없다. 그 이유를 제시문 (가)를 근거로 설명하시오.(10점)

<논제 2> 여러 가지 바이러스 치료제들이 개발되었지만, 바이러스에 대항하는 가장 강력한 무기는 백신이다. 그러나 백신은 항생제 같은 일반적인 약물과는 달리 효과가 빨리 나타나지 않는다. 그 이유를 제시문 (나)를 근거로 설명하시오.(10점)

<논제 3> 사람 면역결핍 바이러스(HIV)는 후천성면역결핍증(AIDS)을 유발한다. HIV에 감염되더라도 바로 AIDS가 발병되는 것은 아니고 몇 달에서 길게는 몇 십 년 동안 어떤 증상도 나타나지 않는 잠복기를 거치는데, 이 기간 동안 우리 몸의 면역세포는 HIV에 대한 항체를 생산한다. 따라서 HIV 항체가 존재하는지를 검사함으로써 증상이 없는 잠복기에도 신속한 AIDS 검사가 가능하다. 그러나 이러한 HIV 항체는 AIDS 발병을 막지는 못한다. HIV 보균자의 몸에서 HIV 항체가 생성됨에도 불구하고 왜 바이러스가 치료되지 않고 결국에는 AIDS가 발병하는가? 그 이유를 제시문 (가), (나)를 근거로 추론해보시오.(20점)

<논제 4> 생체 내의 여러 가지 물질 중에서 ATP가 주요한 에너지 저장매체로 사용될 수 있는 이유는 무엇인가? 그 이유를 제시문 (다), (라), (마)를 참조하여 설명하시오.(10점)

<논제 5> 효모가 포도당을 에너지원으로 이용하는 관점에서 위에서 제시된 유기 호흡 및 무기 호흡이 모두 가능하다. 두 호흡 중 효모 증식에 유리한 것은 무엇인지 유추하고, 사람이 효모를 이용하여 효율적인 바이오 에너지를 얻기 위해 위의 호흡과정에 관여할 수 있는 행위는 어떤 것이 있을 수 있는지 제시문 (다), (라), (마)를 참고하여 이를 ATP의 생산효율성과 연관하여 설명하시오.(20점)

[예시 답안]

<논제1> (10점)

항생제는 주로 세균의 세포벽이나 효소에 작용하여 세균의 증식을 억제한다. 그런데 제시문 (가)에서 설명한 것처럼 바이러스는 세포 구조로 되어 있지도 않고 효소도 가지고 있지 않기 때문에 항생제가 작용할 수 있는 표적이 없다. 따라서 항생제는 바이러스를 치료할 수 없다.

<논제2> (10점)

백신을 접종하면 1차면역반응에 의해 항체가 생성되어야 한다. 그런데 1차 반응은 제시문 (나)에서 설명한 것처럼 느리게 일어나기 때문에 즉각적인 예방효과를 기대할 수 없다.

<논제3> (20점)

제시문 (가)에서 바이러스의 유전물질은 돌연변이 발생률이 높아 유전자 구성을 다양하게 바꿀 수 있으며, 그 결과 진화한다고 하였다. HIV도 매우 빠르게 돌연변이를 일으키기 때문에 처음 감염된 HIV로부터 계속해서 변종 바이러스가 생성된다. 이러한 변종 바이러스 중에는 이미 만들어진 HIV 항체를 피할 수 있는 변종들이 있다. 따라서 HIV 항체는 이러한 변종 바이러스의 증식을 억제시키지 못하고, 결국 AIDS가 발병 하게 된다.

<논제4> (10점)

ATP → ADP로, ADP → AMP로 분해될 때 발생되는 에너지는 약 36kcal/mol로, AMP → Adenosine으로 분해될 때 방출되는 에너지인 12.6 kcal/mol 과 비교해 볼 때 고에너지 인산결합을 하고 있기 때문이다.(대부분의 물질들은 이보다 낮은 에너지 결합을 하고 있다.)

<논제5> (20점)

효모증식에 유리한 것은 유기호흡이다. 왜냐하면 유기호흡을 통해 포도당 한분자로 38개의 ATP를 생성할 수 있고, 무기호흡을 통해서는 2개의 ATP 생성이 가능하기 때문이다. 따라서 유기호흡을 통해 생산된 풍부한 에너지는 효모증식에 관여하는 대사 작용의 에너지원으로 사용된다. ATP의 생산 효율성에서는 무기호흡이 유기호흡보다는 덜 효율적이나 바이오에너지로 이용되는 에탄올의 형성은 혐기적 조건에서 생성된다. 따라서 사람은 효모가 포도당을 분해 할 때 발효의 조건으로 이행될 수 있는 혐기조건의 무기호흡을 유도하면 보다 효율적인 바이오 에너지를 생산 할 수 있다.

<제주도논술면접교육연구회>