[■문제 ]

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[가] 감각 기관에서 자극에 대한 신호가 발생할 수 있는 최소한의 자극의 세기를 역치라고 한다. 감각 기관이 강한 자극을 지속적으로 받으면 감각 기관의 역치가 높아져 신호가 잘 발생하지 않아 감각기가 둔해지고, 감각 기관이 자극을 계속 받지 않으면 역치가 낮아져 신호 발생이 잘 이루어지는 예민한 상태가 된다. 근섬유나 신경 섬유는 역치보다 약한 자극에서는 반응을 나타내지 않지만 역치에서 최대의 반응을 나타내며 자극을 더 강하게 주어도 반응의 크기는 증가하지 않고 일정하게 나타나는데, 이를 실무율이라고 한다.

[나] 신체의 흥분을 한 부분에서 다른 부분으로 보낼 때 신경은 전기적 방식과 화학적 방식 두 가지를 사용한다. 아무런 자극이 주어지지 않았을 때에 뉴런의 내부는 K+의 농도가 높고 외부는 Na+의 농도가 높게 유지된다. 이것은 신경 섬유의 막에서 에너지를 사용하여 세 개의 Na+이온을 밖으로 내보내면서 동시에 두 개의 K+이온을 안으로 이동시키는 Na+/K+ 이온펌프 때문이다([그림 1]). 그 결과 세포막 안이 세포막 밖에 대해 상대적으로 (-)로 대전되는 분극이 나타난다. 이 때, 세포막 안과 밖 사이에 전위차가 발생하는데, 이것을 휴지 전위라고 하며 그 크기는 -70mV 정도이다([그림 2]).



수상 돌기나 신경 세포체가 역치 이상의 충격을 받으면 세포막에 존재하는 Na+ 이온 통로가 열려 Na+ 이온이 급격히 막의 안쪽으로 들어와 분극 상태가 유지되지 않고 상대적으로 막의 안쪽이 (+), 바깥쪽이 (-)로 탈분극된다. 탈분극이 일어나면 막 내외의 전위가 약 +30mV로 되어 휴지 전위와의 차이가 약 100mV가 되는 활동 전위가 발생한다.

탈분극시 안으로 유입된 Na+이온은 옆으로 확산되어 그 부분의 전위차를 감소시키므로 옆부분에서도 연속적으로 탈분극이 일어나 흥분 부위가 차례로 이동한다. 이와 같이 축색 돌기의 기부에서 탈분극이 일어나면 신경 섬유를 따라 활동 전위가 연속적으로 축색 돌기의 말단까지 흐른다. 이것을 흥분의 전도라고 한다. 한편, Na+이온이 유입된 후에 Na+ 이온 통로는 다시 닫히고 K+ 이온 통로가 열려 K+ 이온이 세포막 밖으로 방출된다. 그 결과 막 내외의 전위는 원래 상태로 재분극된다. 그 후, Na+/K+이온펌프에 의하여 막 내부의 Na+ 이온은 세포막 밖으로 이동하고 막 외부의 K+ 이온은 막 안으로 이동하여 이온 분포가 정상으로 된다([그림 2]).

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【문제1】 근육이나 신경 다발에서 실무율이 적용되지 않는 이유를 설명하시오.

【문제2】 제시문 (나)의 [그림 2]의 화살표(ㄱ)으로 표시된 시점에서 세포막 안과 밖의 이온분포(Na+와 K+)를 제시문 (나)의 [그림 1]과 같이 그림으로 나타내고 설명하시오.

【문제3】 상염색체에 존재하는 SCN9A 유전자는 통증의 신경전도에 관여하는 Na+ 이온 통로 단백질을 만든다. 이 유전자에서 발견되는 두 종류의 돌연변이 가운데 하나는 이온 통로가 외부의 변화에 반응하지 않는 돌연변이(A)이고, 다른 하나는 이온 통로가 열린 후 다시 닫히기까지 더 오랜 시간이 걸리는 돌연변이(B)이다. 두 가지 돌연변이(A, B)가 독립적으로 다음 세대로 유전된다고 했을 때, 각각의 돌연변이가 우성으로 유전될 지 열성으로 유전될 지를 결정하고 그 이유를 설명하시오.

[■해설/제주제일고 교사 류승협]

【문제1】

[문제 1]은 하나의 세포에서 적용되는 실무율이 근육이나 신경다발에서 적용되지 않는 이유를 묻는 문제로 '생물 I' 교과서에 정답이 제시되어 있다. 즉 근육은 수많은 근섬유가 모여서 이루어진 집합체이고 신경 다발 역시 많은 신경 세포로 구성되어 있다. 각각의 근섬유, 또는 신경 세포가 가지는 역치가 다르기 때문에 자극의 세기에 따라 반응하는 세포의 수도 달라진다는 것을 알고 있다면 쉽게 해결할 수 있을 것이다.

<예시답안>

근육이나 신경 다발을 이루고 있는 각 세포의 역치가 다르다. 따라서 자극의 세기에 따라 반응하는 세포의 수가 다르고 그 결과 실무율이 적용되지 않는다.

【문제2】

[문제 2]는 탈분극 후 재 분극 되었을 때 세포막 안과 밖의 이온 분포를 묻고자 하였다. 신경 세포에서 활동 전위가 발생하는 과정을 이해하고 있다면 어렵지 않게 해결할 수 있을 것으로 기대한다.

<예시답안>

자극에 의해 세포막 밖의 나트륨 이온이 나트륨 이온 통로에 의해 세포막 안으로 들어와 탈분극이 일어난 후에 칼륨 이온 통로가 열려 세포막 안의 칼륨 이온이 세포막 밖으로 배출된다. 그 결과 세포막 안쪽에 나트륨 이온이 많아지고 바깥쪽에는 칼륨이 많은 상태가 되어 실제 전위차가 -70mV 부근으로 되돌아오는 재 분극 현상이 관찰된다.

【문제3】

[문제 3]은 자극의 전달에서 중요한 역할을 하는 나트륨 이온 통로 유전자를 예로 돌연변이의 성질에 따라 다음 세대에서 어떠한 영향을 미치는 지를 묻고자 하였다. 특히 우성과 열성이 생존의 유, 불리에 의해서 결정되는 것이 아니라 실제 돌연변이가 갖는 성질에 의해 결정된다는 것을 이해하는 지를 알아보고자 하였다. '생물 I' 교과서에서 배우는 우성 유전병과 열성 유전병에 대한 내용을 잘 이해하고 있다면 큰 어려움 없이 해결할 수 있을 것으로 기대한다.

<예시답안>

돌연변이(A)는 대립 유전자의 하나에서만 나타난다면 정상인 다른 하나의 유전자에서 정상적으로 작동하는 나트륨 이온 통로가 만들어질 수 있으므로 돌연변이 (A)는 정상 유전자에 대해 열성으로 작용하여 유전될 것으로 추정할 수 있다. 별도의 가능성이 있는 예상 답안으로 중간유전 (불완전 우성)의 가능성을 제시할 수도 있으며, 이 경우 논리적으로 설명하였다면 부분정답으로 처리한다. 돌연변이(B)는 대립 유전자 중 하나의 유전자에서만 나타나도 그 돌연변이 나트륨 이온 통로에 의해 신경 전도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 정상 유전자에 대해 우성으로 작용하고 하나의 유전자에서만 돌연변이가 생겨도 그 형질이 다음 세대로 유전될 것으로 추정할 수 있다.

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<평가기준>

● 고등학교 '생물 I' 교과서에서 배우는 자극의 수용과 자극의 전기적 전달 과정을 이해하고 있는 지를 확인

● 돌연변이에 의한 형질의 유전 여부, 특히 우성과 열성의 개념을 정확히 이해하고 있는 지를 확인

※ 위 내용은 한라일보 홈페이지(www.ihalla.com)에서 확인할 수 있습니다.