2008학년도 모의 논술고사 문제지(Ⅰ)

자연계열	2007년 2월 22일(목)	총 5쪽

서 울 대 학 교  입 학 관 리 본 부

(※ 실제 시험에서는 제시문의 출처를 밝히지 않았음)

【문항 1】

✾ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

어떤 생명체의 유전정보의 총체를 유전체(genome)라고 부른다. 인간의 유전체는 23개의 염색체로 이루어져 있으며 그 안의 유전정보는 DNA의 염기서열(base sequence)로 기록된다. 인간의 염색체는 한 개의 선형 DNA로 구성되어있는 반면 박테리아의 염색체는 한 개의 원형 DNA로 구성되어있다.

유전체 DNA의 염기서열을 알아내는 것은 생명 현상의 이해를 위해서 매우 중요한 일이다. 유전체 DNA의 염기 서열을 알아내기 위하여 인간 유전체사업(Human Genome Project)에서 사용한 방법은 다음과 같다.

먼저 동일한 염색체 DNA 여러 개를 각각 적절한 길이로 무작위로 잘라낸 다음, 염기서열분석기(DNA Sequencer)를 이용하여 잘라낸 DNA 조각의 양 끝의 염기 서열을 읽어낸다. 이렇게 읽어낸 DNA 조각들의 염기서열을 비교하여 서로 염기서열이 일치하는 부분을 찾고, 이를 바탕으로 DNA 조각들을 배열하여 유전체의 염기서열을 재구성한다. 예를 들어, 잘려진 DNA 조각 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}]에 대하여, [eqn: S _{i}] 와 [eqn: S _{j}]의  염기서열 끝부분이 서로 일치한다면 행렬의 (i, j) 성분을 1, 일치하지 않는다면 0으로 표시하여 만들어진 행렬이 다음과 같다고 하자.

[eqn: LEFT ( matrix{1`&1`&0`#1`&1`&1`#0`&1`&1} RIGHT )]

위의 내용으로부터, [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}]이 다음과 같이 배열되어 있음을 알 수 있다.

이 배열은    의 형태로도 표현 할 수 있다.

[eqn: S _{1}]

[eqn: S _{2}]

[eqn: S _{3}]

논제 1. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각을 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}]이라고 하자.  [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}]의 염기서열 일치 여부에 관한 정보로부터 다음 행렬이 만들어질 수 없음을 설명하시오.

[eqn: LEFT ( matrix{1`&1`&0&1`#1`&1`&1`&0`#0`&1`&1`&1`#1`&0`&1`&1`} RIGHT )]

논제 2. [eqn: n times n] 행렬 중 0과 1만을 성분으로 갖고 [eqn: 1 le i le n], [eqn: 1 le j le n]인 [eqn: i], [eqn: j]에 대하여 [eqn: (i,i)] 성분이 1이며 [eqn: (i,j)] 성분과 [eqn: (j,i)]성분이 같은 행렬을 ‘거울행렬’이라고 하자. 논제 1에서와 같이 4× 4 거울행렬 중에는 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각의 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 행렬이 존재한다. 하지만 3× 3 거울행렬 중에는 그러한 행렬이 존재할 수 없음을 설명하시오.

논제 3. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 [eqn: n]개의 DNA 조각을 [eqn: S _{1} ,~S _{2} ,~…,S _{n}] [eqn: (n GEQ 4)]이라고 하자. [eqn: S _{1} ,~S _{2} ,~…,S _{n}]의 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 거울행렬을 하나 택하여 그것을 [eqn: (i,j)] 성분을 사용하여 표현하시오. (예를 들어, [eqn: LEFT ( matrix{ 1& 1# 1&1 } RIGHT )]은 [eqn: 1 le i le2], [eqn: 1 le j le 2]인 [eqn: i], [eqn: j]에 대하여 [eqn: (i,j)] 성분이 1인 행렬로 표현할 수 있다.) 또한, 그 행렬이 염기서열의 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어 질 수 없는 이유를 설명하시오.

논제 4. 인간의 같은 염색체에서 얻어진 DNA 조각을 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}], [eqn: S _{7}]이라고 하자. 논제 3에서 찾은 행렬([eqn: n=7])과 다르면서 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}], [eqn: S _{7}]의 염기서열 일치 여부에 관한 정보로부터 만들어질 수 없는 거울행렬이 존재할 수 있는지에 대하여 논술하시오.(단, 논제 3에서 찾은 행렬의 i번째 행과 j번째 행, i번째 열과 j번째 열을 바꾸어 얻어지는 행렬은 같은 행렬로 간주한다.)

【문항 2】

✾ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)

1. 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 입자들이 서로 충돌하여야 한다. 이때 반응 물질의 농도가 진해지면 입자들의 충돌 횟수는 어떻게 될까?

사람들이 황단 보도를 건너는 모습을 한가한 이른 아침과 복잡한 출근 시간으로 나누어 비교해 보자. 사람이 거의 없는 이른 아침보다는 여러 사람이 한꺼번에 횡단보도를 건널 때 더 자주 부딪치게 된다. 이와 마찬가지로 화학반응도 단위 부피 속의 입자 수가 증가하면 입자들의 충돌횟수가 많아진다. 입자의 충돌횟수가 증가할수록 반응을 일으킬 수 있는 입자 수가 많아져서 반응속도가 빨라진다.

화학 반응이 얼마나 빠르게 일어나는가의 정도를 반응 속도라고 한다. 반응 속도는 단위 시간동안 반응 물질이나 생성물질의 변화량으로 나타낼 수 있다.

[eqn: 반응``속도= {반응물질의``감소량} over {반응``시간} LEFT ( 또는`` {생성``물질의`증가량} over {반응`시간} RIGHT )]

2. 대부분의 화학 반응은 온도가 높아지면 반응 속도가 빨라지는데, 이것은 온도가 높아지면 분자의 운동이 활발해지며, 반응이 일어나기에 충분한 만큼의 운동 에너지를 가진 분자들이 많아지기 때문이다. 온도를 낮추어 생선이 상하는 반응을 느리게 하는 것이나 물이 끓는 온도를 높여서 음식이 빨리 되게 하는 것은 온도를 낮추거나 높여서 반응 속도를 조절하는 예이다.

3. 화학 반응에서 자신은 반응 전후에 아무 변화를 일으키지 않으면서, 반응 속도를 변화시키는 물질을 촉매라고 한다. 이 때 반응 속도를 빠르게 하는 물질을 정촉매, 반응 속도를 느리게 하는 물질을 부촉매라고 한다.

정촉매를 사용할 때 반응 속도가 빨라지는 것은 자전거를 타고 낮은 언덕을 넘어가는 것에 비유할 수 있다. 낮은 언덕을 따라 넘어가는 것이 높은 언덕을 따라 넘어가는 것보다 빠르게 목적지에 도달할 수 있는 것과 같이 정촉매는 화학 반응에서 언덕을 낮추는 역할을 한다.

(고등학교『과학』교과서)

(나)

1. 생물체 내에서 일어나는 여러 가지 화학 반응에서 촉매 역할을 하는 것을 효소라고 한다. 보통의 촉매들처럼 효소도 반응 속도를 변화시킨다. 효소는 어느 물질에나 작용하는 것이 아니라, 열쇠와 자물쇠의 관계처럼 특정한 반응에서만 촉매로서 작용한다. 또한 효소가 활발하게 작용하기 위해서는 적절한 온도와 pH가 유지되어야 한다.

2. 우리가 섭취한 음식물 중 우리 몸에 필요한 영양소는 소장에서 흡수된다. 음식물은 분자의 크기가 커서 그대로는 우리 몸에서 흡수될 수 없기 때문에 작게 분해되어야 하는데, 이러한 과정을 소화라고 한다.

기계적 소화란 소화 효소가 음식물에 최대로 작용할 수 있도록 도와주는 과정으로 저작 운동, 연동 운동, 혼합 운동 등이 있다. 화학적 소화과정은 우리 몸의 소화샘에서 분비되는 소화 효소에 의해 일어난다.

3. 화학적 소화에 관여하는 소화 효소는 주성분이 단백질이므로 온도와 pH에 따라 활성이 변한다. 소화 효소가 가장 활발하게 작용할 때의 온도를 최적 온도라고 한다. 일반적으로 체내에서 작용하는 소화효소의 최적 온도는 체온범위이다. 40℃ 이상의 고온에서는 효소의 단백질 구조가 변성되어 그 기능을 상실한다.

소화 효소가 가장 활발하게 작용할 때의 pH를 최적 pH라고 하는데, 소화 효소의 최적 pH는 소화효소의 종류에 따라 달라진다. 아밀라아제의 최적 pH는 약 7~8이고, 펩신의 최적 pH는 약 2~3이다. 그림처럼 소화 기관에 따라 pH가 달라지므로, 입에서 작용하는 아밀리아제는 위에서는 작용하기 어렵다.

온도와 소화 효소의 반응 속도                 각 소화기관의 pH

(고등학교『생물Ⅰ』 교과서)

논제 1. 여러 회사에서 생산된 소화제의 효능을 비교하기 위해 실험을 하기로 하였다.

a. 어떠한 소화제를 좋은 소화제라고 할 수 있는지 과학적인 기준을 설명하시오.

b. 좋은 소화제를 선발하기 위한 실험을 설계하시오.

논제 2. 생물학자가 소화효소의 활성화 에너지(제시문 (가)-3에서 언덕의 높이)를 생체 내 소화효소에 비해 20% 감소시킨 소화제를 개발하였다.

a. 이 소화제를 먹으면 어떠한 현상이 일어날지 소화과정을 중심으로 설명하시오.

b. 활성화 에너지와 반응속도 사이 관계는 다음과 같다. 아래 식을 이용하여 활성화 에너지가 20% 줄어들면 반응속도가 어떻게 변할지 계산 가능한 범위 내에서 구한 값을 사용하여 설명하시오.

반응속도는 속도상수 k와 각 물질의 농도에 비례한다.

k ∝ e-Ea/RT

(K=속도상수, T=절대온도,  R=1.987cal/mol․K, Ea=활성화 에너지

여기서 활성화 에너지는 20kcal/mol로 가정한다. )

논제 3. 만약에 논제 2에서와 같은 효소(활성화 에너지가 20% 감소된)를 가진 새로운 생물체가 발견되었다면, 이 생물체의 소화기관은 형태적, 기능적으로 어떠한 특징을 가지고 있을지 설명하시오.

논제 4. 제시문 (나)-3의 설명에서와 같이 소화효소들은 최적 pH가 각각 다르다. 단 한 개의 폴리펩티드(polypeptide)로 된 새로운 소화제(위와 소장에서 똑같이 최적으로 작용하는)를 만들고자 한다. 이것이 가능한지 여부와 그 방법에 대하여 설명하시오.