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Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 왓슨과 크릭에 의해 제시된 DNA의 구조는 여러가지 특징을 가진다. 먼저 DNA는 두 폴리뉴클레오티드 사슬이 서로 마주보면서 나선형으로 꼬여있는 형태다. 사슬을 이루고 있는 당-인산 골격은 나선 구조의 바깥쪽에 위치하고, 두 사슬의 염기들은 안쪽에 놓여 있다. 특히 두 사슬의 염기들은 서로 마주보며 수소결합에 의해 쌍을 이루고 있다. A는 항상 T와 쌍을 이루고 있으며, G는 항상 C와 쌍을 이루고 있다. 이와 같이 A와 T, G와 C사이의 결합은 항상 상대 염기의 종류를 서로 지정해 주기 때문에 상보적 염기쌍이라고 한다. 이와 같은 DNA의 상보적 이중나선 구조는 DNA의 복제와 전사과정에서 결정적인 역할을 한다. 즉 한쪽 사슬의 정보에 의해 상대 사슬의 염기배열 순서가 결정된다.
(나) 생물의 유전정보는 DNA형태로 저장돼 있다. DNA정보로부터 단백질을 만들어내는 과정은 전사와 번역이라는 두 단계를 거친다. 먼저 DNA의 정보를 이용해 RNA중합효소가 단일 가닥의 mRNA를 만들어낸다. mRNA는 리보솜에 의해 다시 단백질로 번역된다. 이와 같은 유전정보의 흐름을 ‘중심원리’라고 부른다. 염기서열의 형태로 암호화돼 있는 유전정보는 3개의 염기가 하나의 아미노산을 지정하기 때문에 트리플렛(triplet) 코돈이라는 이름으로 불린다. 따라서 번역과정에는 유전정보를 3개의 염기를 하나의 단위로 묶어서 해독해 나가야 하는데, 이를 해독틀이라 부른다. 연속적으로 배열돼 있는 mRNA의 염기서열 정보를 3개씩의 염기로 묶는 방법은 세 가지가 존재하기 때문에 하나의 mRNA에 대해서는 세 가지 해독틀이 가능하다. 실질적인 번역과정에서는 코돈에 상보적인 서열의 안티코돈을 갖는 tRNA가 아미노산을 운반해 단백질로 번역한다. 앞의 표는 각 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는지 알려주는 코돈표이다.
(다) 단백질의 기능은 단백질의 구조에 의해 결정된다. 구조 형성이나 효소로서의 작용과 같은 단백질의 여러 작용들은 그 기능에 맞는 정확한 구조가 형성돼 있을 때 적절하게 이뤄진다. 단백질은 아미노산들이 연결된 사슬로 이뤄져 있기 때문에 정확한 아미노산의 서열로 이뤄진 단백질이 알맞게 접혀 정확한 입체구조를 이루는 것이 중요하다. 이와 같은 배경으로 인해 단백질의 기능이 올바르게 이뤄지지 않는 경우는 결국 두 가지로 요약할 수 있다. 첫 번째는 아미노산의 서열이 달라지는 경우다. 두 번째는 서열이 올바르게 이뤄져 있더라도 접혀진 상태가 최적화되지 못해 효율적으로 기능할 수 없는 경우다. 단백질의 정보는 결국 DNA로부터 전달되기 때문에 돌연변이가 일어난 경우가 앞에 언급한 첫 번째 경우고, 외부로부터 열이 주어지거나 환경의 pH 변화 등에 의해 단백질의 입체구조에 관여하는 결합이 파괴된 경우가 두 번째 경우다.
(라) 20가지 아미노산은 각자 다른 곁가지를 갖고 있다. 크게 세 그룹으로 나눠보면 비극성 아미노산과 극성 아미노산, 그리고 pH 7에서 전하를 띄는 아미노산으로 나눠볼 수 있다. 다음 표는 각 아미노산의 성질에 따라 분류한 내용이다.
(마) 히드록실아민(hydroxylamine)은 잘 알려진 돌연변이 유발물질이다. DNA를 이루고 있는 분자 중 시토신 염기는 히드록실아민에 의해 변형되면 아데닌과 수소결합을 형성할 수 있다. 그 결과 DNA 이중가닥을 이루는 GC 염기쌍은 DNA복제가 이뤄진 뒤 AT 염기쌍으로 바뀐다.
1) [난이도 중] 종결코돈에 해당되는 DNA 부위의 돌연변이는 길이가 더 긴 단백질을 생성하도록 하고 종결코돈으로 변화하는 돌연변이는 길이가 짧은 단백질을 생성해 문제를 야기할 수 있다. 제시문에 주어진 히드록실아민에 의한 돌연변이는 어떤 종류의 변이를 유발할 수 있는지 구체적으로 설명하시오.
2) [난이도 상] 당신이 대장균을 대상으로 연구를 수행하던 중 효소 A의 유전자 부위에 히드록실아민에 의해 돌연변이가 유발된 균주를 세 종류를 얻었다. 효소 A는 대장균의 생장에 필수적인 효소이기 때문에 생장속도의 차이가 나타날 것으로 추정하고 각 균주에 대해 생장속도를 측정해봤다. 그 결과 두 균주는 야생형에 비해 생장속도가 10%, 40%떨어지는 것으로 나타났고, 한 종류는 전혀 차이가 나타나지 않았다. 다음 주어진 DNA서열이 효소 A의 서열의 일부분의 돌연변이 균주의 변이가 나타난 지점이라면 균주 1, 2, 3은 앞에 주어진 생장속도의 차이를 나타내는 각 균주 중 무엇에 해당되리라 판단하는가? 이에 대해 판단 근거를 들어 설명하시오(단, 서열의 처음과 끝의 ATG와 TAA는 개시와 종결코돈에 해당되는 DNA서열을 나타낸다).
야생형 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATCCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 1 : 5´-ATG--생략--TAGATTGATCCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 2 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATTCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 3 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATCCTAGCCATGGTACGTAG--생략--TAA-3´
전문가 클리닉
1) 이 논제는 먼저 DNA구조상에서 염기쌍의 개념을 이해해야 합니다. 실제로 많은 학생들이 염기쌍의 개념이 불분명해서 GC 염기쌍이 G와 C가 순서대로 배열된 경우로 생각하는 경우가 있습니다. 다음으로는 이중나선 DNA가 mRNA를 거쳐 단백질이 되는 과정에 대한 이해가 필요합니다. 고등학교 생물2에서 다루는 내용이지만 제시문을 통해 코돈이 이미 주어져 있기 때문에 배경지식이 없더라도 제시문을 이용해서 문제를 풀 수 있어야 합니다.
2) 이 논제는 제시문에 주어진 코돈표와 해독틀의 개념을 정확하게 적용해서 올바른 해독틀을 적용하고, 변이로 인해 아미노산 서열상의 어떤 변화가 유발되는지를 판단할 수 있어야 합니다. 채점과정에서 해독틀을 적용하는 경우의 수가 세 가지가 있으므로 종결코돈을 적용하는 과정에서 각각의 경우를 나열하고 종결코돈의 출현여부를 완전히 언급하면 좋은 점수를 받을 수 있지만 임의의 해독틀을 그냥 적용하면 문제가 됩니다.
또한 제시문의 아미노산의 성질, 단백질 구조와 기능의 개념을 이용해 판단한 아미노산의 변화가 표현형에 어떤 영향을 미치게 될지 추론하는 과정이 필요합니다. 논제를 해결하는 과정에서 다음과 같은 문제가 발견될 수 있습니다.
- 해독틀을 잘못 결정한 경우
- DNA상의 변이로 인해 변화한 아미노산 서열을 잘못 판단한 경우
- 아미노산의 성질을 비교해 변이의 경우 단백질의 구조에 미치는 영향과 생장률을 잘못 짝 짓게 되는 경우
각 경우에 대해 자신의 답안을 점검해보고 올바른 개념을 잡아가도록 합니다.
예시답안
1) 히드록실아민에 의해 변이가 일어나는 것은 GC염기쌍이 AT로 바뀌는 것이다. 논제에서 언급하고 있는 것은 종결코돈이 변이에 의해 바뀌는 경우와 다른 코돈이 종결코돈으로 바뀌는 경우다. 먼저 종결코돈이 변이에 의해 바뀌어 단백질의 길이가 길어지는 경우는 히드록실아민을 이용한 돌연변이로는 관찰할 수 없다. 종결코돈은 UAG, UGA, UAA의 세 가지 경우다. 이를 DNA에 적용하면 TAG, TGA, TAA이다. 변이에 의해 영향을 받는 염기는 ‘G’ 하나만 적용되므로 TAG→TAA, TGA→TAA로 바뀌어도 여전히 종결코돈이기 때문이다.
그러나 다른 코돈이 돌연변이에 의해 종결코돈으로 바뀌는 경우는 가능하다. 예를 들어 TGG는 아미노산 트립토판을 지정하지만 2개의 G 중에서 하나가 A로 전환된다면 종결코돈이 생성된다. 따라서 히드록실아민은 길이가 짧은 단백질을 만들어 문제를 일으킨다.
2) 논제의 괄호에 주어진 내용에서 시작과 끝부분에 주어진 ATG와 TAA가 시작과 종결코돈이라고 했다. 따라서 야생형의 DNA 서열을 이용해 생략된 부분의 가운데 주어진 서열에 세 가지의 가능한 해독틀을 적용한 경우 종결코돈이 나타나면 안된다. 이를 적용하면 다음과 같다.
해독틀 #1 TAG/ATC/GAT/CCT/AGC/CAT/GGC/ACG/TAG → 종결코돈 생성
해독틀 #2 TA/GAT/CGA/TCC/TAG/CCA/TGG/CAC/GTA/G → 종결코돈 생성
해독틀 #3 T/AGA/TCG/ATC/CTA/GCC/ATG/GCA/CGT/AG → 종결코돈 없음
따라서 해독틀 #3을 적용해서 유전정보를 해석해야 한다.
해독틀 #3을 적용한 경우 다음의 세 가지 돌연변이가 나타난다.
균주 1 : TCG → TTG은 세린 → 루신
균주 2 : ATC → ATT은 이소루신 → 이소루신
균주 3 : GCA → GTA 은 알라닌 → 발린
따라서 균주 2의 경우 DNA서열은 변했지만 아미노산의 변화가 없어 효소 A의 변화가 없으므로 생장률의 차이를 나타내지 않게 되리라 판단된다. 균주 1은 극성아미노산인 세린이 비극성인 루신으로 바뀌었고 균주 3은 비극성 알라닌이 같은 비극성 아미노산인 발린으로 바뀌었으므로 균주 3의 변이로 인한 효소A의 구조변화 균주 1의 경우보다는 영향이 적으리라 추정된다. 따라서 균주 3이 10% 감소한 경우, 균주 1이 40% 감소한 경우일 것이다.
(가) 왓슨과 크릭에 의해 제시된 DNA의 구조는 여러가지 특징을 가진다. 먼저 DNA는 두 폴리뉴클레오티드 사슬이 서로 마주보면서 나선형으로 꼬여있는 형태다. 사슬을 이루고 있는 당-인산 골격은 나선 구조의 바깥쪽에 위치하고, 두 사슬의 염기들은 안쪽에 놓여 있다. 특히 두 사슬의 염기들은 서로 마주보며 수소결합에 의해 쌍을 이루고 있다. A는 항상 T와 쌍을 이루고 있으며, G는 항상 C와 쌍을 이루고 있다. 이와 같이 A와 T, G와 C사이의 결합은 항상 상대 염기의 종류를 서로 지정해 주기 때문에 상보적 염기쌍이라고 한다. 이와 같은 DNA의 상보적 이중나선 구조는 DNA의 복제와 전사과정에서 결정적인 역할을 한다. 즉 한쪽 사슬의 정보에 의해 상대 사슬의 염기배열 순서가 결정된다.
(나) 생물의 유전정보는 DNA형태로 저장돼 있다. DNA정보로부터 단백질을 만들어내는 과정은 전사와 번역이라는 두 단계를 거친다. 먼저 DNA의 정보를 이용해 RNA중합효소가 단일 가닥의 mRNA를 만들어낸다. mRNA는 리보솜에 의해 다시 단백질로 번역된다. 이와 같은 유전정보의 흐름을 ‘중심원리’라고 부른다. 염기서열의 형태로 암호화돼 있는 유전정보는 3개의 염기가 하나의 아미노산을 지정하기 때문에 트리플렛(triplet) 코돈이라는 이름으로 불린다. 따라서 번역과정에는 유전정보를 3개의 염기를 하나의 단위로 묶어서 해독해 나가야 하는데, 이를 해독틀이라 부른다. 연속적으로 배열돼 있는 mRNA의 염기서열 정보를 3개씩의 염기로 묶는 방법은 세 가지가 존재하기 때문에 하나의 mRNA에 대해서는 세 가지 해독틀이 가능하다. 실질적인 번역과정에서는 코돈에 상보적인 서열의 안티코돈을 갖는 tRNA가 아미노산을 운반해 단백질로 번역한다. 앞의 표는 각 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는지 알려주는 코돈표이다.
(다) 단백질의 기능은 단백질의 구조에 의해 결정된다. 구조 형성이나 효소로서의 작용과 같은 단백질의 여러 작용들은 그 기능에 맞는 정확한 구조가 형성돼 있을 때 적절하게 이뤄진다. 단백질은 아미노산들이 연결된 사슬로 이뤄져 있기 때문에 정확한 아미노산의 서열로 이뤄진 단백질이 알맞게 접혀 정확한 입체구조를 이루는 것이 중요하다. 이와 같은 배경으로 인해 단백질의 기능이 올바르게 이뤄지지 않는 경우는 결국 두 가지로 요약할 수 있다. 첫 번째는 아미노산의 서열이 달라지는 경우다. 두 번째는 서열이 올바르게 이뤄져 있더라도 접혀진 상태가 최적화되지 못해 효율적으로 기능할 수 없는 경우다. 단백질의 정보는 결국 DNA로부터 전달되기 때문에 돌연변이가 일어난 경우가 앞에 언급한 첫 번째 경우고, 외부로부터 열이 주어지거나 환경의 pH 변화 등에 의해 단백질의 입체구조에 관여하는 결합이 파괴된 경우가 두 번째 경우다.
(라) 20가지 아미노산은 각자 다른 곁가지를 갖고 있다. 크게 세 그룹으로 나눠보면 비극성 아미노산과 극성 아미노산, 그리고 pH 7에서 전하를 띄는 아미노산으로 나눠볼 수 있다. 다음 표는 각 아미노산의 성질에 따라 분류한 내용이다.
(마) 히드록실아민(hydroxylamine)은 잘 알려진 돌연변이 유발물질이다. DNA를 이루고 있는 분자 중 시토신 염기는 히드록실아민에 의해 변형되면 아데닌과 수소결합을 형성할 수 있다. 그 결과 DNA 이중가닥을 이루는 GC 염기쌍은 DNA복제가 이뤄진 뒤 AT 염기쌍으로 바뀐다.
1) [난이도 중] 종결코돈에 해당되는 DNA 부위의 돌연변이는 길이가 더 긴 단백질을 생성하도록 하고 종결코돈으로 변화하는 돌연변이는 길이가 짧은 단백질을 생성해 문제를 야기할 수 있다. 제시문에 주어진 히드록실아민에 의한 돌연변이는 어떤 종류의 변이를 유발할 수 있는지 구체적으로 설명하시오.
2) [난이도 상] 당신이 대장균을 대상으로 연구를 수행하던 중 효소 A의 유전자 부위에 히드록실아민에 의해 돌연변이가 유발된 균주를 세 종류를 얻었다. 효소 A는 대장균의 생장에 필수적인 효소이기 때문에 생장속도의 차이가 나타날 것으로 추정하고 각 균주에 대해 생장속도를 측정해봤다. 그 결과 두 균주는 야생형에 비해 생장속도가 10%, 40%떨어지는 것으로 나타났고, 한 종류는 전혀 차이가 나타나지 않았다. 다음 주어진 DNA서열이 효소 A의 서열의 일부분의 돌연변이 균주의 변이가 나타난 지점이라면 균주 1, 2, 3은 앞에 주어진 생장속도의 차이를 나타내는 각 균주 중 무엇에 해당되리라 판단하는가? 이에 대해 판단 근거를 들어 설명하시오(단, 서열의 처음과 끝의 ATG와 TAA는 개시와 종결코돈에 해당되는 DNA서열을 나타낸다).
야생형 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATCCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 1 : 5´-ATG--생략--TAGATTGATCCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 2 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATTCTAGCCATGGCACGTAG--생략--TAA-3´
균주 3 : 5´-ATG--생략--TAGATCGATCCTAGCCATGGTACGTAG--생략--TAA-3´
전문가 클리닉
1) 이 논제는 먼저 DNA구조상에서 염기쌍의 개념을 이해해야 합니다. 실제로 많은 학생들이 염기쌍의 개념이 불분명해서 GC 염기쌍이 G와 C가 순서대로 배열된 경우로 생각하는 경우가 있습니다. 다음으로는 이중나선 DNA가 mRNA를 거쳐 단백질이 되는 과정에 대한 이해가 필요합니다. 고등학교 생물2에서 다루는 내용이지만 제시문을 통해 코돈이 이미 주어져 있기 때문에 배경지식이 없더라도 제시문을 이용해서 문제를 풀 수 있어야 합니다.
2) 이 논제는 제시문에 주어진 코돈표와 해독틀의 개념을 정확하게 적용해서 올바른 해독틀을 적용하고, 변이로 인해 아미노산 서열상의 어떤 변화가 유발되는지를 판단할 수 있어야 합니다. 채점과정에서 해독틀을 적용하는 경우의 수가 세 가지가 있으므로 종결코돈을 적용하는 과정에서 각각의 경우를 나열하고 종결코돈의 출현여부를 완전히 언급하면 좋은 점수를 받을 수 있지만 임의의 해독틀을 그냥 적용하면 문제가 됩니다.
또한 제시문의 아미노산의 성질, 단백질 구조와 기능의 개념을 이용해 판단한 아미노산의 변화가 표현형에 어떤 영향을 미치게 될지 추론하는 과정이 필요합니다. 논제를 해결하는 과정에서 다음과 같은 문제가 발견될 수 있습니다.
- 해독틀을 잘못 결정한 경우
- DNA상의 변이로 인해 변화한 아미노산 서열을 잘못 판단한 경우
- 아미노산의 성질을 비교해 변이의 경우 단백질의 구조에 미치는 영향과 생장률을 잘못 짝 짓게 되는 경우
각 경우에 대해 자신의 답안을 점검해보고 올바른 개념을 잡아가도록 합니다.
예시답안
1) 히드록실아민에 의해 변이가 일어나는 것은 GC염기쌍이 AT로 바뀌는 것이다. 논제에서 언급하고 있는 것은 종결코돈이 변이에 의해 바뀌는 경우와 다른 코돈이 종결코돈으로 바뀌는 경우다. 먼저 종결코돈이 변이에 의해 바뀌어 단백질의 길이가 길어지는 경우는 히드록실아민을 이용한 돌연변이로는 관찰할 수 없다. 종결코돈은 UAG, UGA, UAA의 세 가지 경우다. 이를 DNA에 적용하면 TAG, TGA, TAA이다. 변이에 의해 영향을 받는 염기는 ‘G’ 하나만 적용되므로 TAG→TAA, TGA→TAA로 바뀌어도 여전히 종결코돈이기 때문이다.
그러나 다른 코돈이 돌연변이에 의해 종결코돈으로 바뀌는 경우는 가능하다. 예를 들어 TGG는 아미노산 트립토판을 지정하지만 2개의 G 중에서 하나가 A로 전환된다면 종결코돈이 생성된다. 따라서 히드록실아민은 길이가 짧은 단백질을 만들어 문제를 일으킨다.
2) 논제의 괄호에 주어진 내용에서 시작과 끝부분에 주어진 ATG와 TAA가 시작과 종결코돈이라고 했다. 따라서 야생형의 DNA 서열을 이용해 생략된 부분의 가운데 주어진 서열에 세 가지의 가능한 해독틀을 적용한 경우 종결코돈이 나타나면 안된다. 이를 적용하면 다음과 같다.
해독틀 #1 TAG/ATC/GAT/CCT/AGC/CAT/GGC/ACG/TAG → 종결코돈 생성
해독틀 #2 TA/GAT/CGA/TCC/TAG/CCA/TGG/CAC/GTA/G → 종결코돈 생성
해독틀 #3 T/AGA/TCG/ATC/CTA/GCC/ATG/GCA/CGT/AG → 종결코돈 없음
따라서 해독틀 #3을 적용해서 유전정보를 해석해야 한다.
해독틀 #3을 적용한 경우 다음의 세 가지 돌연변이가 나타난다.
균주 1 : TCG → TTG은 세린 → 루신
균주 2 : ATC → ATT은 이소루신 → 이소루신
균주 3 : GCA → GTA 은 알라닌 → 발린
따라서 균주 2의 경우 DNA서열은 변했지만 아미노산의 변화가 없어 효소 A의 변화가 없으므로 생장률의 차이를 나타내지 않게 되리라 판단된다. 균주 1은 극성아미노산인 세린이 비극성인 루신으로 바뀌었고 균주 3은 비극성 알라닌이 같은 비극성 아미노산인 발린으로 바뀌었으므로 균주 3의 변이로 인한 효소A의 구조변화 균주 1의 경우보다는 영향이 적으리라 추정된다. 따라서 균주 3이 10% 감소한 경우, 균주 1이 40% 감소한 경우일 것이다.
