d라이브러리

서울대 생물학과와 생물교육과를 졸업하고 현재 세종과학고에서 생물을 가르치고 있다. 여러 개념이 복잡하게 얽혀 있고 답이 열려있는 문제를 학생들이 스스로 해결할 수 있도록 지도하는데 관심이 있다.

체내에서 이뤄지는 생명 현상을 물리적·화학적 논리로 보면 어떨까.
‘전류와 전하량’ 개념과 ‘주기율표’의 경향성을 이용해 신경전달 현상을 이해하고
‘화학평형’으로 호흡과정에서 일어나는 평형을 알아보자.

Q1다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 신경세포 세포막에는 Na⁺ 채널과 K⁺ 채널, 그리고 Na⁺-K⁺ 펌프가 있다. Na⁺-K⁺ 펌프는 나트륨이온(Na+)과 칼륨이온(K⁺)을 교환한다. 칼륨이온이 밀려나가면 Na+-K⁺ 펌프가 작동해 세포 내부에 칼륨이온이 많아지고 외부에 나트륨이온이 많아진다. 뉴런이 자극을 받으면 막 외부에 있는 나트륨이온이 안으로 확산돼 들어가 세포 내부는 양(＋)으로 외부는 음(－)으로 바뀌는 탈분극 현상이 일어난다. 이 상태가 흥분이며 탈분극으로 흥분이 일어났을 때 막 안팎의 전위차를 활동 전위라 한다. 유입된 나트륨이온이 옆으로 확산돼 연속적으로 탈분극이 일어난다. 탈분극이 일어난 직후 축색돌기 내부의 칼륨이온이 밖으로 확산되는데 이때 밖으로 나간 칼륨이온과 내부의 나트륨이온이 교환돼 원래 상태로 돌아가는 현상이 재분극이다.
- 고등학교 생물I 교과서

(나) 원소의 화학적 성질은 전자 배치에 의해 결정된다. 주기율표에서 원소의 위치를 알면 원소의 전자 배치와 화학적 성질을 예측할 수 있다. 주기율표의 세로항에 해당하는 족은 원자가전자 수를 알려주고 가로항에 해당하는 주기는 전자껍질 수를 알려준다. 예를 들어 15족 3주기 원소는 원자가전자 수가 5개이고 전자껍질 수가 3개인 원소다. 원자 크기는 원자핵을 둘러싸는 전자 분포에 의해 결정된다. 전자껍질 수가 많아지면 원자 크기가 커진다.
- 고등학교 화학Ⅱ 교과서

1) 탈분극이 일어날 때 Na⁺채널 하나를 통해 일어나는 평균적인 전류 흐름은 1.6pA(1.6×10^-12A)다. 탈분극이 1ms동안 지속된다면 열린 Na⁺채널 하나를 통해 이동하는 나트륨이온은 몇 개인가?

2) Na⁺채널은 세포막을 관통하는 단백질이며 중심에 음전하를 띠는 통로가 있다. 나트륨이온은 이곳을 통과하나 칼륨이온은 거의 통과하지 못한다. 원인을 제시문을 참조해 추론하라.

3) 오른쪽 그림과 같이 길이 1㎛, 직경 10㎛을 갖는 무수신경의 축삭절편이 있다. 절편 세포질 부분의 나트륨 농도는 10-2mol/L이며 세포막은 1㎛2당 10개의 Na+채널을 갖는다. 하나의 활동전위가 1ms동안 지속되면서 모든 나트륨 통로가 열린다고 가정한다. 이때 축삭절편에 이미 존재하는 나트륨이온에 대한 하나의 활동전위가 나타날 때 유입되는 나트륨이온의 비율을 구하라.

4) 신경세포는 짧은 시간동안 ATP 소모 없이 활동전위를 수백 또는 수천 번 만든다. 이것이 가능한 이유를 논제 3을 참조해 설명하고 활동전위마다 ATP가 소모된다고 가정하면 생물체에 어떤 영향이 있을지 서술하라.

전문가 클리닉
고등학교 생물I에 나오는 신경전달 과정을 소재로 한 단계씩 연구 과제를 해결하며 생물학 지식을 추론·생산하는 과정을 경험하게 했습니다. 논제 1에서는 물리I의 ‘전류와 전하량’ 개념을 생물의 신경전달 과정에 적용해 해석합니다. 논제 2는 주기율표의 경향성을 해석하는 능력을 요구합니다. 화학Ⅱ 내용이지만 제시문에서 전자껍질에 대한 지식을 다뤘으므로 힌트를 얻어 추론합니다. 논제 3에서는 화학에서 다루는 몰의 개념, 몰 농도, 단위 전환을 바탕으로 신경전달 과정을 수량화합니다. 논제 4는 생물 현상의 원인을 미시적인 수준에서 창의적으로 설명할 것을 요구합니다.

예시답안
1) 1A는 1초 동안 전하 1C이 흐를 때 전류 양이다. 열린 Na⁺채널 하나를 통해 1.6×10-12A의 전류가 흐른다. 전자 1개는 1.6×10-19C의 전하를 가지므로 1초 동안 채널을 통해 흐른 전류는 전자 107개가 이동한 양과 같다. 1ms로 환산하면 전자 104개가 흐른 전류 양이다. 나트륨이온 1개가 전자 1개에 대해 이동한다고 가정하면 104개의 나트륨이온이 이동했다.

2) 나트륨이온과 칼륨이온은 1족 원소로 모두 채널 통로에 있는 음이온에 끌린다. 나트륨이온은 칼륨이온보다 주기가 하나 작아 전자껍질을 하나 더 적게 갖는다. Na⁺채널은 나트륨이온이 통과하기에 알맞은 크기이므로 나트륨이온보다 크기가 큰 칼륨이온이 통과하기 어렵다. 이 같은 방식으로 Na⁺채널이 나트륨이온에 대해 선택적 투과성을 보인다.

3) 이미 존재하는 나트륨이온의 개수는 ‘절편 부피×절편 몰농도×1몰 당 분자수’이다. 절편 부피는 π×(5×10^-6)2×(1×10^-6)=25·π·10^-18 (m³)이며 1m³= 10³L이므로 25·π·10^-15L다. 몰농도 10-2과 1몰 당 분자수 6.02×10²³을 곱하면 나트륨이온 개수는 1.51·π·10⁸개다. 축삭절편의 세포막 면적이 10×π×1=10·π(㎛²)인데 1㎛2당 10개의 Na⁺채널이 있으므로 세포막에는 100·π개의 Na⁺채널이 있다. 논제 1에서 1ms당 10⁴개의 나트륨이온이 이동한다고 했으므로 유입되는 나트륨이온 수는 10⁶·π개다. 이미 존재하는 나트륨이온에 대한 유입되는 나트륨이온 비율은 π×10⁶/1.51× π×10⁸ =6.62×10^-3이다.

4) 논제 3에서 매우 미량의 나트륨이온 유입으로도 활동전위가 발생했다. 유입된 나트륨이온은 이미 존재하는 나트륨이온 농도에 거의 영향을 주지 않으므로 세포 안팎으로 유지되는 전위차는 쉽게 회복된다. 활동전위마다 ATP가 소모되면 신호 전달에 많은 ATP가 필요해 생존이 어렵다.

Q2다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 조직세포에서 호흡으로 발생한 이산화탄소는 적혈구와 혈장에 의해 운반된다. 대부분의 이산화탄소(CO₂)는 적혈구 세포 안으로 들어가 탄산무수화 효소에 의해 탄산(H₂CO₃)이 된다. 탄산은 수소이온(H+)과 탄산수소이온(HCO₃^-)으로 해리되고 해리된 탄산수소이온은 혈장으로 확산돼 그대로 또는 나트륨이온(Na^＋)과 결합한 형태로 폐포까지 운반된다. 이산화탄소는 혈장에 CO2 상태로 용해돼 운반되거나 헤모글로빈과 결합해 운반되기도 한다. 운반된 이산화탄소는 폐포에서 반대 방향의 반응이 일어나 폐포의 공기 중으로 확산돼 방출된다.


1) 용매화된 이산화탄소에서 생성된 탄산(H₂CO₃)은 수소이온 하나를 내주고 탄산수소이온(HCO₃-)이 되거나 수소이온 두 개를 내주고 탄산이온(CO₃²-)이 된다. 탄산이 이온화할 때는 다음과 같은 두 종류의 평형이 관여한다.

제시문 (나)의 밑줄 친 문장 같이 몸속에서 생성되는 이산화탄소 대부분은 HCO₃- 형태로 혈액에 녹아 있다. 이유를 제시문을 참조해 설명하라. (단 -logKa1=6.3, -logKa2=10.3)

2) 적혈구에서 생성된 수소이온이 적혈구 막을 통과해 혈장으로 나온다면 격한 운동을 할 때 어떤 일이 일어날지 설명하라.