고려대 2012 수시논술 자연계 문제(B)

광주 살레시오여고 정백진

[생물 분야 제시문]

(자)

‘시냅스 전달’은 시냅스를 통하여 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 흥분이 전달되는 과정이다. 시냅스 전달의 특성에 관한 논의는 오랫동안 지속되었다. 시냅스 전달이 빠르게 일어난다는 사실을 근거로 시냅스에 전류가 직접 흐른다고 보는 ‘전기적 시냅스 가설’과 전기적 신호가 축색 말단에서 화학적 신경전달물질을 분비시켜 시냅스 전달이 일어나는 것이라는 ‘화학적 시냅스 가설’이 대립하였다. 두 뉴런 간 직접 전류를 통과시키는 전기적 시냅스도 소수 존재하지만, 인간 신경계의 대부분은 화학적 시냅스로 이루어져 있다. 근육의 수축을 조절하는 운동 뉴런과 근육세포 사이의 시냅스는 아세틸콜린을 신경전달물질로 이용하는 대표적인 화학적 시냅스이다.

(차)

면역 반응에는 다양한 세포들이 관여하며, B 림프구는 이물질에 대한 항체를 만들어 이물질을 무력화시키는 역할을 수행한다. 그러나 자신의 몸에서 생성된 정상 단백질을 림프구가 이물질로 인식하여 항체를 생성하면 자가면역질환이 발생한다.

(카) 축색의 전도도는 길이 상수 λ에 비례하는데 λ는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(타)

사람의 피부 감각에는 온각, 냉각, 촉각, 압각, 통각 등이 있다. 온도와 압력 등의 자극이 진피 속에 분포한 각기 다른 감각 수용체를 활성화시키면 각각의 신호가 대뇌에 전해짐으로써 이들 감각이 인지된다. 이들 신호를 피부로부터 뇌로 전달하는 축색들은 그 굵기에 따라 Aβ형, Aδ형, C형 축색 등으로 분류된다. 특히 C형 축색은 다른 축색들과 달리 수초로 싸여 있지 않다는 특징이 있다. 감각 수용체의 종류에 따라 연결되는 축색의 종류가 다른데, 촉각은 주로 Aβ형 축색, 온각과 냉각은 Aδ형 축색, 그리고 통각은 Aδ형 또는 C형 축색에 의해 전달된다.

[생문 분야 논제]

논제 5. (선택) 위의 제시문 (자)∽(타)를 읽고 다음 질문에 답하시오.

(a) 시냅스 전달을 알아보기 위하여 아래 그림 5-1과 같이 뉴런 1의 축색 말단과  신호를 전달받는 뉴런 2로부터 막전위를 측정하였다. 뉴런 1의 축색 말단에 자극용 전극을 넣어 인위적으로 전류를 주입하여 탈분극을 유도했을 때 그림 5-2와 같은 막전위 변화가 나타났다. 뉴런 1이 아닌 뉴런 2의 수상돌기 부위에 전류를 주입할 경우의 막전위 변화를 예측하고 그 결과를 바탕으로 주어진 두 뉴런 사이 시냅스 전달의 특성을 제시문 (자)를 근거로 논술하시오.

[정답] 한 개의 뉴런 내에서의 흥분의 전도는 활동전위에 의한 전기 화학적 방식에 의하지만, 시냅스를 거쳐 일어나는 흥분의 전달은 화학물질에 의한 화학적 방식에 의하므로 전자를 흥분의 전도라 하고, 후자를 흥분의 전달이라고 하여 구분한다. 흥분의 전도는 전기 화학적 방식에 의하므로 한 개의 뉴런 내에서는 방향성이 없으나 흥분의 전달은 방향성이 있어서 축색돌기 말단으로부터 다음 뉴런의 수상돌기나 신경세포체 쪽으로만 전달되며, 그 반대 방향으로는 전달되지 않는다. 그 이유는 자극 전달물질을 담고 있는 시냅스 소포가 축색돌기의 말단에만 있고, 시냅스 틈을 확산해 온 아세틸콜린과 반응하는 아세틸콜린수용체는 수상돌기나 신경세포체의 막에 존재하기 때문이다.

▲시냅스에서 흥분의 전달(절전뉴런의 신경종판에서 절후뉴런의 수상돌기)

(b) 중증근무력증은 점진적으로 근육이 약화되어 의지대로 근육을 움직이지 못하는 자가면역질환이다. 이 질병은 운동 뉴런과 근육세포 사이의 시냅스 전달 이상으로 발생한다. 그러나 환자의 운동 뉴런을 자극한 후 시냅스에서 분비되는 아세틸콜린의 농도는 정상인과 차이가 없었다. 운동 뉴런의 활성을 차단한 후 근육세포 위에 아세틸콜린을 직접 가하여 유발된 근육세포의 막전위 변화는 아래와 같았다.

또한 정상인의 혈청 또는 환자의 혈청이 포함된 배지를 사용하여 정상인의 운동 뉴런과 근육세포를 혼합하여 배양하였다. 운동 뉴런을 자극하여 유발된 근육세포의 막전위 변화는 아래와 같았다.

위 질병의 원인을 제시문 (자)와 (차)에 근거하여 추론하시오

[정답] 신경근육접합부에 발생하는 질병 중 가장 흔하고 대표적인 것이 바로 중증 근무력증이다. 특징적인 증상은 변동성 근력 약화와 근육의 피로감인데, 이는 신경근육접합부에서 아세틸콜린 수용체의 숫자가 줄어들기 때문에 나타나는 증상이다. 중증 근무력증의 정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았지만 발병 기전은 항체매개 자가면역병이라고 알려져 있다. 즉, 신경이 근육에 연결되는 부위인 신경근육접합부에서 근육의 표면에 존재하는 아세틸콜린 수용체에 대한 항체가 체내에서 생성되는데, 이 항체가 수용체에 결합하여 신경전달물질인 아세틸콜린이 결합하는 것을 방해하므로 신경근육접합부의 기능이 저하된다. 그러면 근육 세포에 존재하는 나트륨 통로의 대부분이 열리지 않아 세포 밖에서 세포 안으로 나트륨 이온의 유입이 정상적으로 이루어지지 않아 근육세포의 활동전위의 발생이 정상적이지 못하게 된다.

▲중증근무력증의 발생 기전을 나타낸 모식도(1)

▲중증근무력증의 발생 기전을 나타낸 모식도(1)

(c) 영희는 무심코 방바닥에 떨어진 뾰족한 물체를 밟았다. 물체를 밟는 순간에는 무언가가 닿는다는 느낌만을 받았지만 곧이어 극심한 고통을 느꼈다. 발을 뗀 후 처음의 통증이 사라진 다음에도 얼얼한 느낌의 통증이 한동안 지속되었다. 물체를 밟은 후 위와 같이 서로 다른 감각(촉각, 첫 번째 통각, 두 번째 통각)을 인지하는 시간적 차이가 나는 이유를 제시문 (카)와 (타)를 근거로 설명하시오.

[정답]신경은 직경과 전달 속도에 따라 A, B, C 섬유로 나뉘며, A 섬유가 가장 직경이 크고 빠른 전도 속도를 가지고 A-α, A-β, A-γ, A-δ 등 4가지로 구분된다. C섬유는 가장 작고 전도 속도가 가장 느리며 B 섬유는 그 중간이다.

통각 수용체는 말초신경계의 여러 섬유의 말단에 존재하며, A-δ와 C 섬유가 대표적인 통각수용 섬유이다. A-δ 섬유는 다른 A 섬유처럼 말이집 형성(myelination)이 되어 있지만 그 중 직경이 가장 작고 말이집 형성의 정도가 가장 적으며, 특히 피부에 분포되어 주로 강한 기계적 자극(예, pin prick)에 반응한다. 때로는 열 자극에도 반응하여 통각성 자극을 중추에 전달한다.

C 섬유는 여러 가지 종류의 통각성 자극(기계적, 열, 화학적 자극)에 반응하는 다양상의 침해 수용 섬유이며, 직경이 가장 작고 말이집 형성이 되어 있지 않아 전도속도가 가장 느리다. 따라서 촉각은 말이집 신경이고, 말이집 형성 정도가 커서 랑비에결절에서만 도약전도가 일어나며 단면적이 커서 전기저항이 작은 Aβ 섬유에 의해 전해지므로  빨리 느껴지고, 첫 번째 통각은 말이집 형성 정도가 작고, 신경의 직경도 다소 작은 A-δ 섬유에 의해서, 두 번째 통각은 민말이집 신경이고, 직경이 가장 작아 저항이 커서 축색의 전도도가 가장 늦은 C 신경섬유에 의해 전달되기 때문에 시간적 차이를 느끼게 된다.

종류		역할과 속도
A신경	Aα	기능은 고유수용기에서 체성운동신경을 담당하며 전도속도는 70~120m/sec임
	Aβ	기능은 촉각, 압각 담당이며, 전도 속도는 30~70m/sec임
	Aγ	기능은 근방추로 가는 운동신경이며 전도 속도는 15~30m/sec임
	Aδ	기능은 통각, 온도, 촉각 담당이며 전도 속도는 12~30m/sec임
B신경		기능은 절전 자율신경 역할이며, 전도 속도는 3~15m/sec임
C신경 (무수신경)		후근, 기능은 통각, 반사 반응이며 전도 속도는 0.7~2.3m/sec임

▲신경섬유의 종류와 전도속도-1

▲신경 섬유의 종류-2

▲신경섬유의 종류(Aδ, C)에 따른 통각 감각의 시간차이

2012학년도 수시모집 자연 B 논술출제의도와 문제 해설

(고려대학교 입학처)

논제 5의 제시문 (자)-(타)는 고등학교 생물 I 교과과정에 포함된 감각과 신경계에 관한 내용을 기초로 뉴런 간의 시냅스 전달, 축색의 전도도 그리고 피부 감각의 전달 등에 관한 정보를 담고 있다. 또한 생물 I의 순환계에서 소개되는 면역반응의 이해를 기반으로 하는 자가면역질환의 정의에 대하여 정보를 제시한다. 논제의 3개 문항은 이 제시문을 바탕으로 수험생의 교과과정의 이해도와 주어진 정보의 분석 및 논리적 사고력을 평가하기 위한 의도로 출제되었다.

문제 (a)는 활동전위의 발생 과정에 대한 이해를 바탕으로 주어진 막전위 변화의 결과를 분석하여 이를 바탕으로 제시문 (자)에서 언급된 시냅스 전도의 특성 (화학적 혹은 전기적)을 예측하도록 하였다. 전기적 시냅스와 화학적 시냅스의 시간적 특성의 차이 및 방향성 등에 대한 이해와 데이터를 해석하는 능력 등을 통합적으로 알아보고자 하였다. 실험 결과를 바탕으로 사실을 추론하는 과학적 사고력을 갖추고 있다면 어렵지 않게 풀 수 있는 문제이다.

문제 (b)는 제시문 (자)에서 주어진 근육 조절에서의 시냅스 전달의 역할및 과정에 대한 정보와 (차)에 주어진 자가면역질환의 정의를 바탕으로 질병의 원인을 추론하는 문제이다. 면역체계의 기본적 이해와 주어진 정보를 분석하는 능력을 알아보고자 하였다. 암기에 의한 지식의 양보다는 주어진 정보를 해석하는 능력의 측정에 주안점을 둔 문제이다.

문제 (c)는 제시문 (카)에 주어진 식과 제시문 (타)에 주어진 감각 전달과정에 관한 내용을 통합하여 추론하는 문제이다. 수식을 이용한 계산을 요구하는 것이라기보다는 수식으로부터 관계성을 추출해 내고 이를 주어진 현상에 적용할 수 있는 분석력을 측정하고자 하였다. 전도도에서의 축색 지름 및 막저항의 역할을 수식으로부터 알아내기만 하면 매우 쉽게 풀 수 있는 문제이다.