불과 1세기 전만 해도 병원에서 사망한 환자의 80%가 감염에 의한 질병이 원인이었다. 그러나 페니실린을 비롯한 항생제의 발견으로 인류는 감염에 의한 질병에서 자유로워졌다. 항생제가 작용하는 원리와 항생제 내성균이 내성을 보이는 이유를 알아본다.
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
Q1
(가) 생명체의 조직은 물질이 무작위화되는 또는 무질서화되는 자연적인 경향과 대조를 이룬다. 일정한 형태로 조직되거나 질서를 유지하려면 에너지가 필요하기 때문이다. 생명체가 새로운 구조를 만들고 낡은 구조를 수선하거나 분해하고 재생하려면 에너지를 획득하고 사용해야 한다. 물질대사란 생명체를 유지하는 세포 내 화학반응으로 물질을 합성하는 동화와 분해하는 이화로 구분된다.
(나) 1세기 전만 해도 감염성 질병은 주요 사망원인이었다. 병원에서 사망한 환자의 80%는 감염때문이었다. 그러나 현재는 항균성 의약품을 통해 많은 질병을 통제한다. 첫 번째로 사용된 항균 의약품은 설파계 의약품이었다. 가장 간단한 설파계 의약품인 설파닐아미드는 분자 수준에서 작용이 알려진 첫번째 의약품이다. 설파닐아미드의 효과는 박테리아가 비슷한 두 물질의 구조를 잘못 인식하면서 나타난다. 박테리아는 정상적인 성장에 필요한 화합물을 만들기 위해 필수적인 엽산을 만들 때 파라아미노벤조산(PABA)을 사용한다.
(다) 페니실린은 박테리아가 세포벽을 만들 때 사용하는 효소의 활동을 방해한다. 박테리아의 세포벽은 아미노당이 단백질 분자와 결합된 고분자인 점액단백질로 이뤄진다. 페니실린은 이 분자가 교차결합 하는 현상을 막아 세포벽에 구멍을 만든다. 세포벽에 구멍이 난 박테리아는 부풀어 올라 터진다. 항생제 분야에서 다른 중요한 발견은 테트라사이클린 계열 화합물의 발견이다. 4개의 고리를 가진 화합물인 테트라사이클린은 오레오마이신, 테라마이신과 함께 광범위한 항생제로 쓰인다. 이는 박테리아의 리보솜에 결합해 박테리아의 단백질 합성을 방해하고 성장을 막는다.
(라) 페니실린계 항생제인 메티실린에 내성을 보이는 균을 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)이라 한다. MRSA는 메티실린뿐 아니라 항생제 대부분에 강한 내성을 지닌다. 이 때문에 치료과정에서 선택할 수 있는 항생제가 극히 제한되며 감염되면 사망률이 높다. 황색 포도상구균은 사람의 피부나 점막에 군집을 형성하며 사람들 대부분이 보균하고 있어 흔하게 감염을 일으킨다. 1941년 페니실린이 개발돼 황색 포도상구균에 의한 감염증을 효과적으로 치료하는 길이 열렸다. 그러나 페니실린의 과도한 사용으로 1950년대 페니실린에 내성을 갖는 포도상구균이 출현하게 됐다.
(마) 개체의 DNA가 변해 새로운 대립 유전자가 형성되는 현상을 돌연변이라고 한다. 돌연변이 중 유전자 풀을 변화시키는 데 가장 큰 영향을 미치는 요인은 유전자 돌연변이다. 유전자는 안정된 물질이므로 일반적으로 돌연변이가 일어날 확률이 매우 낮다. 또 돌연변이 된 유전자는 생존에 불리한 경우가 많아 자연선택에 의해 점차 유전자 풀에서 제거된다. 그러나 환경이 변하면 어떤 돌연변이 형질은 오히려 생존에 유리해진다. 돌연변이 유전자를 가진 개체가 다른 대립유전자를 가진 개체보다 많은 자손을 남기면 유전자 풀이 변화된다. 돌연변이는 인간 같이 복잡한 종보다 세균이나 바이러스에서 빈번히 일어난다. 또 유해한 환경에 노출될 때 자주 나타난다. 다음은 돌연변이 빈도를 알아보기 위한 실험이다. 세균 A는 하루에 1/6씩 새로운 변종세균 B와 C로 돌연변이가 일어났다. 변종세균 B는 하루마다 1/3씩 변종세균 C로 돌연변이가 일어났다.
1) 나폴레옹 시대에 병사가 전쟁에서 감염되면 감염 부위에 정맥을 이용해 설탕물을 주입했다는 기록이 있다. 이런 치료법이 어떤 과학 원리에 의해 효과를 갖는지 설명하라.
2) 제시문 (나)에서 설명하는 설파닐아미드와 파라아미노벤조산의 구조적 특징을 비교하고 설파닐아미드가 항균 작용을 나타내는 방식을 설명하라.
3) 제시문에서 설명하는 페니실린의 구조식은 <;그림 3>;과 같다. 페니실린과 메탄올을 축합중합한 물질이 생성되는 과정을 구조식을 이용해 설명하라. 페니실린과 달리 페니실린과 메탄올의 축합중합에 의해 생성된 물질이 항생제 역할을 하지 못하는 이유도 설명하라.
4) 제시문에 서술된 테트라사이클린 계열 항생제가 박테리아만 선택적으로 공격하는 이유와 원핵세포와 진핵세포 DNA의 차이에 대해 설명하라.
5) 항생제 내성균이 발생하는 원인은 세균이 새로운 유전자를 획득했기 때문이다. 어떤 경로를 통해 세균이 새로운 유전자를 획득하는지 유전과 진화 관점에서 설명하라.
6) 제시문 (마)의 실험에서 각 세균의 증식 속도가 동일하다면 최소 며칠이 지났을 때 변종세균 B가 원래 세균 A의 3배 이상이 될까? 풀이를 위해 행렬의 일차변환을 이용할 수 있다.
전문가 클리닉
1) 설탕물이라는 용액의 특성을 이해하고 용액의 총괄성 중 삼투압을 이용해 문제를 해결합니다.
2) 두 물질의 구조적 유사성과 차이점을 서술하고 세균의 엽산을 만드는 효소와 기질의 결합 부위가 어딜지 유추합니다.
3) 미세한 차이 때문에 효소가 페니실린 메틸에스테르와 결합하지 못함을 설명합니다. 물질의 어떤 부분이 활성부위일지 유추한다면 좋은 답변입니다. 페니실린과 관련된 문항은 2009학년도 고려대 수시 2-2학기 논술에 출제됐습니다.
4) 테트라사이클린 계열 항생제는 박테리아의 리보솜에 결합합니다. 약품이 박테리아만 선택적으로 공격하는 이유는 약물이 박테리아 리보솜에만 결합하고 사람 리보솜에는 결합하지 않기 때문입니다. 원핵생물과 진핵생물의 리보솜이 갖는 차이점을 중심으로 설명합니다.
5) 항생제 내성균이 기존 항생제에 공격받지 않는 새로운 효소를 합성하는 이유는 세균이 새로운 유전자를 획득했기 때문입니다. 돌연변이 외에 유전자를 획득하는 여러 경로를 서술합니다.
6) 돌연변이에 의해 세 종류의 세균이 만들어지고 돌연변이율은 각각 다릅니다. 세 개의 요인이 서로 영향을 주면서 변하므로 행렬의 일차변환으로 해석한다면 좋은 답안이 됩니다. 수열의 일반항을 구해 풀 수도 있지만 계산과정이 복잡하므로 행렬식을 이용합니다.
예시답안
1) 설탕물을 통한 감염 치료는 삼투압 원리를 이용한다. 세균이 많은 감염 부위를 설탕물을 이용해 고장액 환경으로 변화시키면 세균의 세포액이 고장액 쪽으로 빠져나가 세균의 물질대사와 번식이 억제된다. 하지만 사람 세포에도 같은 작용을 해 감염 부위가 악화된다.
2) 설파닐아미드와 파라아미노벤조산(PABA)은 모두 방향족 고리를 중심으로 아미노기와 다른 원자단이 para 형태로 결합한 구조다. 설파닐아미드는 아미노기 반대편에 술폰산의 히드록시기가 아미노기로 치환된 원자단이 결합하고 PABA는 아미노기 반대편에 카르복시산이 결합한다. 엽산을 만들기 위해 세균 효소와 PABA는 효소기질 복합체를 형성한다. 이때 효소가 PABA를 인식하는 부분은 벤젠고리에 있는 아미노기일 가능성이 높다. 효소의 작용부위는 아미노기와 수소결합을 하고 다른 부위는 무극성 부분에 의해 분산력이 작용해 효소가 정확하게 PABA를 인식한다. 세균이 사는 환경에 설파닐아미드가 존재하면 구조적 유사성에 의해 효소가 설파닐아미드와 결합한다. 하지만 기질이 다르므로 엽산은 만들어지지 않는다. 이런 일이 반복되면 세균은 증식에 어려움을 겪고 결과적으로 감염이 치료된다.
3) 페니실린의 오각형 고리 부분에 결합된 카르복시기와 메탄올의 수산기가 탈수축합반응을 하면서 에스테르 구조가 형성된다. 페니실린은 세균의 세포벽 합성효소와 효소기질 복합체를 이뤄 효소 작용을 방해한다. 페니실린은 고리구조와 극성 부위를 함께 가져 효소의 입체 구조와 결합한다. 페니실린 메틸 에스테르는 효소작용을 방해하지 못한다. 페니실린의 카르복시기가 효소와 입체적으로 결합하는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 카르복시기에 메틸기가 붙으면서 활성 부위와 수소결합이 불가능해지거나 카르복시기가 결합부위가 아니라해도 수소에 비해 메틸기가 많은 공간을 차지해 결합이 불가능해져 세균 효소에 작용하지 못한다.
4) 박테리아(세균)는 원핵생물로 사람의 세포 구조와 차이점이 많다. 사람 세포는 핵막이 존재하며 세포소기관이 잘 분화된 진핵세포이고 세균은 분화된 세포소기관이 없는 원핵세포다. 항생제가 박테리아에만 작용하는 이유는 사람 세포와 박테리아의 리보솜에 차이가 있기 때문이다. 원핵세포와 진핵세포의 리보솜은 침강계수(S)가 다르다. 원핵세포 리보솜은 30S 소단위체와 50S 대단위체로 구성되나 진핵세포는 40S 소단위체와 60S 대단위체로 구성된다.
원핵세포는 핵막이 없어 세포질 전체에 DNA가 존재한다. 또 DNA가 히스톤 단백질 없이 고리형(플라스미드)으로 존재한다. 원핵세포는 진핵세포에 비해 DNA량이 적고 복제원점이 하나다. 진핵세포는 복제원점이 여러 곳에 존재하며 복제복합체가 핵막에 존재한다. 원핵생물은 DNA 전사 조절이 진핵생물보다 간단하고 복제 과정에서 RNA 접합이나 캡핑이 생략된다. RNA가 성숙하지 않아 전사와 동시에 단백질로 발현된다.
5) 새로운 유전자는 항생제에 공격받지 않는 새로운 효소 또는 단백질을 만든다. 유전자를 획득하는 경로에는 돌연변이가 있다. 약간의 염기서열 변화로 아미노산 구성과 배열이 달라지며 그로 인해 효소 입체구조가 변한다. 돌연변이 외에 형질전환이나 형질도입, 접합에 의해 유전자를 획득한다. 원핵생물 DNA는 플라스미드 형태로 세포 밖에서도 일정기간 안정적인 형태로 존재해 다른 세균으로 이입과 이출이 빈번하게 일어난다. 이때 내성균 유전자를 갖는 플라스미드가 다른 세균으로 이입되는 형질전환이 일어난다. 또 세균 유전자에 바이러스 유전자가 삽입될 때 새로운 유전자를 획득한다. 바이러스에 의해 유전자가 삽입되는 현상이 형질도입이다. 단세포동물은 주로 이분법으로 증식하나 환경이 열악해지면 접합을 통해 유전자를 섞는다.
6) 증식속도를 r이라 하고 주어진 각 세균의 (n+1)일째 세균 수를 다음과 같이 정리한다.
B0=0이므로 Bn=n/4 An이다.
12일 뒤 세균 B의 개수는 세균 A의 3배가 된다.
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
Q1
(가) 생명체의 조직은 물질이 무작위화되는 또는 무질서화되는 자연적인 경향과 대조를 이룬다. 일정한 형태로 조직되거나 질서를 유지하려면 에너지가 필요하기 때문이다. 생명체가 새로운 구조를 만들고 낡은 구조를 수선하거나 분해하고 재생하려면 에너지를 획득하고 사용해야 한다. 물질대사란 생명체를 유지하는 세포 내 화학반응으로 물질을 합성하는 동화와 분해하는 이화로 구분된다.
(나) 1세기 전만 해도 감염성 질병은 주요 사망원인이었다. 병원에서 사망한 환자의 80%는 감염때문이었다. 그러나 현재는 항균성 의약품을 통해 많은 질병을 통제한다. 첫 번째로 사용된 항균 의약품은 설파계 의약품이었다. 가장 간단한 설파계 의약품인 설파닐아미드는 분자 수준에서 작용이 알려진 첫번째 의약품이다. 설파닐아미드의 효과는 박테리아가 비슷한 두 물질의 구조를 잘못 인식하면서 나타난다. 박테리아는 정상적인 성장에 필요한 화합물을 만들기 위해 필수적인 엽산을 만들 때 파라아미노벤조산(PABA)을 사용한다.(다) 페니실린은 박테리아가 세포벽을 만들 때 사용하는 효소의 활동을 방해한다. 박테리아의 세포벽은 아미노당이 단백질 분자와 결합된 고분자인 점액단백질로 이뤄진다. 페니실린은 이 분자가 교차결합 하는 현상을 막아 세포벽에 구멍을 만든다. 세포벽에 구멍이 난 박테리아는 부풀어 올라 터진다. 항생제 분야에서 다른 중요한 발견은 테트라사이클린 계열 화합물의 발견이다. 4개의 고리를 가진 화합물인 테트라사이클린은 오레오마이신, 테라마이신과 함께 광범위한 항생제로 쓰인다. 이는 박테리아의 리보솜에 결합해 박테리아의 단백질 합성을 방해하고 성장을 막는다.
(라) 페니실린계 항생제인 메티실린에 내성을 보이는 균을 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA)이라 한다. MRSA는 메티실린뿐 아니라 항생제 대부분에 강한 내성을 지닌다. 이 때문에 치료과정에서 선택할 수 있는 항생제가 극히 제한되며 감염되면 사망률이 높다. 황색 포도상구균은 사람의 피부나 점막에 군집을 형성하며 사람들 대부분이 보균하고 있어 흔하게 감염을 일으킨다. 1941년 페니실린이 개발돼 황색 포도상구균에 의한 감염증을 효과적으로 치료하는 길이 열렸다. 그러나 페니실린의 과도한 사용으로 1950년대 페니실린에 내성을 갖는 포도상구균이 출현하게 됐다.
(마) 개체의 DNA가 변해 새로운 대립 유전자가 형성되는 현상을 돌연변이라고 한다. 돌연변이 중 유전자 풀을 변화시키는 데 가장 큰 영향을 미치는 요인은 유전자 돌연변이다. 유전자는 안정된 물질이므로 일반적으로 돌연변이가 일어날 확률이 매우 낮다. 또 돌연변이 된 유전자는 생존에 불리한 경우가 많아 자연선택에 의해 점차 유전자 풀에서 제거된다. 그러나 환경이 변하면 어떤 돌연변이 형질은 오히려 생존에 유리해진다. 돌연변이 유전자를 가진 개체가 다른 대립유전자를 가진 개체보다 많은 자손을 남기면 유전자 풀이 변화된다. 돌연변이는 인간 같이 복잡한 종보다 세균이나 바이러스에서 빈번히 일어난다. 또 유해한 환경에 노출될 때 자주 나타난다. 다음은 돌연변이 빈도를 알아보기 위한 실험이다. 세균 A는 하루에 1/6씩 새로운 변종세균 B와 C로 돌연변이가 일어났다. 변종세균 B는 하루마다 1/3씩 변종세균 C로 돌연변이가 일어났다.
1) 나폴레옹 시대에 병사가 전쟁에서 감염되면 감염 부위에 정맥을 이용해 설탕물을 주입했다는 기록이 있다. 이런 치료법이 어떤 과학 원리에 의해 효과를 갖는지 설명하라.
2) 제시문 (나)에서 설명하는 설파닐아미드와 파라아미노벤조산의 구조적 특징을 비교하고 설파닐아미드가 항균 작용을 나타내는 방식을 설명하라.
3) 제시문에서 설명하는 페니실린의 구조식은 <;그림 3>;과 같다. 페니실린과 메탄올을 축합중합한 물질이 생성되는 과정을 구조식을 이용해 설명하라. 페니실린과 달리 페니실린과 메탄올의 축합중합에 의해 생성된 물질이 항생제 역할을 하지 못하는 이유도 설명하라.4) 제시문에 서술된 테트라사이클린 계열 항생제가 박테리아만 선택적으로 공격하는 이유와 원핵세포와 진핵세포 DNA의 차이에 대해 설명하라.
5) 항생제 내성균이 발생하는 원인은 세균이 새로운 유전자를 획득했기 때문이다. 어떤 경로를 통해 세균이 새로운 유전자를 획득하는지 유전과 진화 관점에서 설명하라.
6) 제시문 (마)의 실험에서 각 세균의 증식 속도가 동일하다면 최소 며칠이 지났을 때 변종세균 B가 원래 세균 A의 3배 이상이 될까? 풀이를 위해 행렬의 일차변환을 이용할 수 있다.
전문가 클리닉
1) 설탕물이라는 용액의 특성을 이해하고 용액의 총괄성 중 삼투압을 이용해 문제를 해결합니다.
2) 두 물질의 구조적 유사성과 차이점을 서술하고 세균의 엽산을 만드는 효소와 기질의 결합 부위가 어딜지 유추합니다.
3) 미세한 차이 때문에 효소가 페니실린 메틸에스테르와 결합하지 못함을 설명합니다. 물질의 어떤 부분이 활성부위일지 유추한다면 좋은 답변입니다. 페니실린과 관련된 문항은 2009학년도 고려대 수시 2-2학기 논술에 출제됐습니다.
4) 테트라사이클린 계열 항생제는 박테리아의 리보솜에 결합합니다. 약품이 박테리아만 선택적으로 공격하는 이유는 약물이 박테리아 리보솜에만 결합하고 사람 리보솜에는 결합하지 않기 때문입니다. 원핵생물과 진핵생물의 리보솜이 갖는 차이점을 중심으로 설명합니다.
5) 항생제 내성균이 기존 항생제에 공격받지 않는 새로운 효소를 합성하는 이유는 세균이 새로운 유전자를 획득했기 때문입니다. 돌연변이 외에 유전자를 획득하는 여러 경로를 서술합니다.
6) 돌연변이에 의해 세 종류의 세균이 만들어지고 돌연변이율은 각각 다릅니다. 세 개의 요인이 서로 영향을 주면서 변하므로 행렬의 일차변환으로 해석한다면 좋은 답안이 됩니다. 수열의 일반항을 구해 풀 수도 있지만 계산과정이 복잡하므로 행렬식을 이용합니다.
예시답안
1) 설탕물을 통한 감염 치료는 삼투압 원리를 이용한다. 세균이 많은 감염 부위를 설탕물을 이용해 고장액 환경으로 변화시키면 세균의 세포액이 고장액 쪽으로 빠져나가 세균의 물질대사와 번식이 억제된다. 하지만 사람 세포에도 같은 작용을 해 감염 부위가 악화된다.
2) 설파닐아미드와 파라아미노벤조산(PABA)은 모두 방향족 고리를 중심으로 아미노기와 다른 원자단이 para 형태로 결합한 구조다. 설파닐아미드는 아미노기 반대편에 술폰산의 히드록시기가 아미노기로 치환된 원자단이 결합하고 PABA는 아미노기 반대편에 카르복시산이 결합한다. 엽산을 만들기 위해 세균 효소와 PABA는 효소기질 복합체를 형성한다. 이때 효소가 PABA를 인식하는 부분은 벤젠고리에 있는 아미노기일 가능성이 높다. 효소의 작용부위는 아미노기와 수소결합을 하고 다른 부위는 무극성 부분에 의해 분산력이 작용해 효소가 정확하게 PABA를 인식한다. 세균이 사는 환경에 설파닐아미드가 존재하면 구조적 유사성에 의해 효소가 설파닐아미드와 결합한다. 하지만 기질이 다르므로 엽산은 만들어지지 않는다. 이런 일이 반복되면 세균은 증식에 어려움을 겪고 결과적으로 감염이 치료된다.
3) 페니실린의 오각형 고리 부분에 결합된 카르복시기와 메탄올의 수산기가 탈수축합반응을 하면서 에스테르 구조가 형성된다. 페니실린은 세균의 세포벽 합성효소와 효소기질 복합체를 이뤄 효소 작용을 방해한다. 페니실린은 고리구조와 극성 부위를 함께 가져 효소의 입체 구조와 결합한다. 페니실린 메틸 에스테르는 효소작용을 방해하지 못한다. 페니실린의 카르복시기가 효소와 입체적으로 결합하는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 카르복시기에 메틸기가 붙으면서 활성 부위와 수소결합이 불가능해지거나 카르복시기가 결합부위가 아니라해도 수소에 비해 메틸기가 많은 공간을 차지해 결합이 불가능해져 세균 효소에 작용하지 못한다.
4) 박테리아(세균)는 원핵생물로 사람의 세포 구조와 차이점이 많다. 사람 세포는 핵막이 존재하며 세포소기관이 잘 분화된 진핵세포이고 세균은 분화된 세포소기관이 없는 원핵세포다. 항생제가 박테리아에만 작용하는 이유는 사람 세포와 박테리아의 리보솜에 차이가 있기 때문이다. 원핵세포와 진핵세포의 리보솜은 침강계수(S)가 다르다. 원핵세포 리보솜은 30S 소단위체와 50S 대단위체로 구성되나 진핵세포는 40S 소단위체와 60S 대단위체로 구성된다.
원핵세포는 핵막이 없어 세포질 전체에 DNA가 존재한다. 또 DNA가 히스톤 단백질 없이 고리형(플라스미드)으로 존재한다. 원핵세포는 진핵세포에 비해 DNA량이 적고 복제원점이 하나다. 진핵세포는 복제원점이 여러 곳에 존재하며 복제복합체가 핵막에 존재한다. 원핵생물은 DNA 전사 조절이 진핵생물보다 간단하고 복제 과정에서 RNA 접합이나 캡핑이 생략된다. RNA가 성숙하지 않아 전사와 동시에 단백질로 발현된다.
5) 새로운 유전자는 항생제에 공격받지 않는 새로운 효소 또는 단백질을 만든다. 유전자를 획득하는 경로에는 돌연변이가 있다. 약간의 염기서열 변화로 아미노산 구성과 배열이 달라지며 그로 인해 효소 입체구조가 변한다. 돌연변이 외에 형질전환이나 형질도입, 접합에 의해 유전자를 획득한다. 원핵생물 DNA는 플라스미드 형태로 세포 밖에서도 일정기간 안정적인 형태로 존재해 다른 세균으로 이입과 이출이 빈번하게 일어난다. 이때 내성균 유전자를 갖는 플라스미드가 다른 세균으로 이입되는 형질전환이 일어난다. 또 세균 유전자에 바이러스 유전자가 삽입될 때 새로운 유전자를 획득한다. 바이러스에 의해 유전자가 삽입되는 현상이 형질도입이다. 단세포동물은 주로 이분법으로 증식하나 환경이 열악해지면 접합을 통해 유전자를 섞는다.
6) 증식속도를 r이라 하고 주어진 각 세균의 (n+1)일째 세균 수를 다음과 같이 정리한다.
B0=0이므로 Bn=n/4 An이다.
12일 뒤 세균 B의 개수는 세균 A의 3배가 된다.
